demir -Iron

Demir,  ₂₆ Fe

Ütü
Allotroplar	demir allotroplarına bakın
Dış görünüş	grimsi bir belirti ile parlak metalik
Standart atom ağırlığı A r °(Fe)
Periyodik tablodaki demir
Hidrojen Helyum Lityum Berilyum Bor Karbon Azot Oksijen flor Neon Sodyum Magnezyum Alüminyum Silikon Fosfor Kükürt Klor Argon Potasyum Kalsiyum Skandiyum Titanyum Vanadyum Krom Manganez Ütü Kobalt Nikel Bakır Çinko galyum Germanyum Arsenik Selenyum Brom Kripton Rubidyum Stronsiyum İtriyum Zirkonyum niyobyum Molibden teknesyum Rutenyum Rodyum paladyum Gümüş Kadmiyum İndiyum Teneke Antimon Tellür İyot ksenon sezyum Baryum lantan seryum praseodimyum neodimyum Promethium Samaryum öropyum Gadolinyum Terbiyum Disporsiyum Holmiyum Erbiyum Tülyum İterbiyum lutesyum Hafniyum Tantal Tungsten Renyum Osmiyum İridyum Platin Altın Cıva (element) Talyum Yol göstermek Bizmut Polonyum astatin Radon Fransiyum Radyum Aktinyum toryum protaktinyum Uranyum Neptünyum plütonyum Amerika küryum berkelyum Kaliforniya Einsteinyum fermiyum Mendelevyum Nobelyum Lavrensiyum Rutherfordyum dubniyum deniz böreği Bohrium hassiyum Meitneryum Darmstadtium Röntgen Kopernikyum nihonyum Flerovyum Moskova Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ Fe ↓ Ru manganez ← demir → kobalt
Atom numarası ( Z )	26
Grup	grup 8
Dönem	dönem 4
Engellemek	d-blok
Elektron düzenlenişi	[ ar ] 3d 6 4s 2
kabuk başına elektron	2, 8, 14, 2
Fiziki ozellikleri
STP'de  Faz _	sağlam
Erime noktası	1811  K ​(1538 °C, ​2800 °F)
Kaynama noktası	3134 K ​(2862 °C, ​5182 °F)
Yoğunluk (  rt yakınında )	7,874 g/ cm3
sıvı olduğunda (  mp'de )	6,98 gr/ cm3
Füzyon ısısı	13,81  kJ/mol
Buharlaşma ısısı	340 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	25,10 J/(mol·K)
Buhar basıncı P  (Pa) 1 10 100 1 bin 10 bin 100 bin T'de  (K )  1728 1890 2091 2346 2679 3132
atomik özellikler
oksidasyon durumları	−4, −2, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4, +5, +6, +7 (bir  amfoterik oksit)
elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.83
iyonlaşma enerjileri
atom yarıçapı	ampirik: 126  :00
kovalent yarıçap	Düşük dönüş: 132±3 pm Yüksek dönüş: 152±6 pm
Van der Waals yarıçapı	194 [1]  öğleden sonra
Spektral demir hatları
Diğer özellikler
Doğal oluşum	ilkel
Kristal yapı	​vücut merkezli kübik (bcc) bir = 286,65 pm
Kristal yapı	​yüz merkezli kübik (fcc) 1185–1667 K arasında; bir = 364,680 pm
ses hızı ince çubuk	5120 m/s (de  rt ) (elektrolitik)
Termal Genleşme	11,8 µm/(m⋅K) (25 °C'de)
Termal iletkenlik	80,4 W/(m⋅K)
Elektrik özdirenci	96,1 nΩ⋅m (20 °C'de)
Curie noktası	1043 bin
Manyetik sıralama	ferromanyetik
Gencin modülü	211 GPa
Kayma modülü	82 GPa
toplu modül	170 GPa
Poisson oranı	0.29
Mohs sertliği	4
Vickers sertliği	608 MPa
Brinell sertliği	200–1180 MPa
CAS numarası	7439-89-6
Tarih
keşif	MÖ 5000'den önce
Sembol	"Fe": Latince ferrumdan
Demirin ana izotopları v e
İzotop Çürümek bolluk yarı ömür ( t 1/2 ) mod ürün 54 fe %5,85 stabil 55 fe eş 2.73 yıl e 55 Milyon 56 fe %91,75 stabil 57 fe %2,12 stabil 58 fe %0,28 stabil 59 fe eş 44.6 gün β - 59 ortak 60 fe iz 2,6 × 10 6  yıl β - 60 Co
Kategori: Demir görüş konuşmak düzenlemek | Referanslar

Demir ( / ˈ aɪ ə n / veya / ˈ aɪ ər n / ), Fe ( Latince'den : ferrum ) sembolü ve atom numarası 26 olan bir kimyasal elementtir . İlk geçiş serisine ve 8. gruba ait bir metaldir . periyodik tablo Kütle olarak, oksijenin hemen önünde (sırasıyla %32.1 ve %30.1) Dünya'daki en yaygın elementtir ve Dünya'nın dış ve iç çekirdeğinin çoğunu oluşturur . Yerkabuğundaki en yaygın dördüncü elementtir ve esas olarak göktaşları tarafından metalik halde biriktirilir ve cevherleri de burada bulunur.

Kullanılabilir metali demir cevherlerinden çıkarmak , bakır eritmek için gerekenden yaklaşık 500 °C (932 °F) daha yüksek, 1.500 °C (2.730 °F) veya daha yükseğe ulaşabilen fırınlar gerektirir . İnsanlar MÖ 2. binyılda Avrasya'da bu süreçte ustalaşmaya başladı ve bazı bölgelerde, sadece MÖ 1200 civarında demir aletler ve silahlar bakır alaşımlarının yerini almaya başladı . Bu olay Tunç Çağı'ndan Demir Çağı'na geçiş olarak kabul edilir . Modern dünyada , çelik , paslanmaz çelik , dökme demir ve özel çelikler gibi demir alaşımları, mekanik özellikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle açık ara en yaygın endüstriyel metallerdir. Demir ve çelik endüstrisi bu nedenle ekonomik olarak çok önemlidir ve demir, kilogram veya pound başına birkaç dolarlık bir fiyatla en ucuz metaldir.

Bozulmamış ve pürüzsüz saf demir yüzeyler ayna benzeri gümüşi gridir. Demir, genellikle pas olarak bilinen kahverengiden siyaha hidratlı demir oksitler üretmek için oksijen ve su ile kolayca reaksiyona girer . Pasifleştirici katmanlar oluşturan diğer bazı metallerin oksitlerinden farklı olarak pas, metalden daha fazla hacim kaplar ve bu nedenle pul pul dökülerek korozyon için daha fazla taze yüzey açığa çıkarır. Yüksek saflıkta ütüler (örn . elektrolitik demir ) korozyona karşı daha dirençlidir.

Yetişkin bir insanın vücudu, çoğunlukla hemoglobin ve miyoglobinde olmak üzere yaklaşık 4 gram (% 0.005 vücut ağırlığı) demir içerir . Bu iki protein , sırasıyla kan yoluyla oksijen taşınması ve kaslarda oksijen depolanması olmak üzere omurgalı metabolizmasında önemli roller oynar . Gerekli seviyeleri korumak için, insan demir metabolizması diyette minimum demir gerektirir. Demir ayrıca bitki ve hayvanlarda hücresel solunum ve oksidasyon ve indirgeme ile ilgili birçok önemli redoks enziminin aktif bölgesindeki metaldir .

Kimyasal olarak, demirin en yaygın oksidasyon durumları demir(II) ve demir(III)' tür . Demir, diğer 8. grup elementleri , rutenyum ve osmiyum da dahil olmak üzere diğer geçiş metallerinin birçok özelliğini paylaşır . Demir , -2 ila +7 gibi çok çeşitli oksidasyon durumlarında bileşikler oluşturur. Demir ayrıca birçok koordinasyon bileşiği oluşturur ; ferrosen , ferrioxalate ve Prusya mavisi gibi bazılarının önemli endüstriyel, tıbbi veya araştırma uygulamaları vardır.

Özellikler

Allotroplar

Demirin en az dört allotropu (katıdaki farklı atom düzenlemeleri) bilinmektedir, geleneksel olarak a , y , 8 ve e olarak gösterilir .

İlk üç form normal basınçlarda gözlenir. Erimiş demir soğuyarak 1538 °C'lik donma noktasını geçtiğinde, vücut merkezli kübik (bcc) bir kristal yapıya sahip olan δ allotropuna kristalleşir . 1394 °C'ye kadar soğudukça, yüz merkezli bir kübik (fcc) kristal yapısı veya östenit olan γ-demir allotropuna dönüşür . 912 °C ve altında, kristal yapı yeniden bcc α-demir allotropu haline gelir.

Demirin çok yüksek basınç ve sıcaklıklardaki fiziksel özellikleri de, Dünya'nın ve diğer gezegenlerin çekirdekleri hakkındaki teorilerle ilgili oldukları için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Yaklaşık 10 GPa'nın üzerinde ve birkaç yüz kelvin veya daha düşük sıcaklıklarda, α-demir , ε-demir olarak da bilinen başka bir altıgen sıkı paketlenmiş (hcp) yapıya dönüşür . Daha yüksek sıcaklıktaki γ-fazı da ε-demire dönüşür, ancak bunu daha yüksek basınçta yapar.

50 GPa'nın üzerindeki basınçlarda ve en az 1500 K sıcaklıkta kararlı bir β fazı için bazı tartışmalı deneysel kanıtlar mevcuttur. Ortorombik veya çift hcp yapısına sahip olduğu varsayılmaktadır. (Kafa karıştırıcı bir şekilde, "β-demir" terimi bazen, kristal yapısı değişmemiş olsa bile, ferromanyetikten paramanyetiğe değiştiğinde, Curie noktasının üzerindeki α-demiri belirtmek için de kullanılır.)

Dünya'nın iç çekirdeğinin genellikle ε (veya β) yapıya sahip bir demir- nikel alaşımından oluştuğu varsayılır .

Erime ve kaynama noktaları

Atomlaşma entalpisi ile birlikte demirin erime ve kaynama noktaları, skandiyumdan kroma önceki 3 boyutlu elementlerinkinden daha düşüktür, bu da 3 boyutlu elektronların atıl ortama gittikçe daha fazla çekildiğinden metalik bağa olan katkısının azaldığını gösterir. çekirdek tarafından çekirdek; ancak, önceki manganez elementinin değerlerinden daha yüksektir çünkü bu element yarı dolu bir 3 boyutlu alt kabuğa sahiptir ve sonuç olarak d-elektronları kolayca yer değiştiremez. Aynı eğilim rutenyum için de geçerlidir, ancak osmiyum için geçerli değildir.

Demirin erime noktası, 50 GPa'nın altındaki basınçlar için deneysel olarak iyi tanımlanmıştır. Daha büyük basınçlar için, yayınlanan veriler (2007 itibariyle) hala onlarca gigapaskal ve bin kelvinin üzerinde değişiklik gösteriyor.

Manyetik özellikler

770 °C'lik (1,420 °F; 1,040 K) Curie noktasının altında , α-demir paramanyetikten ferromanyetiğe değişir : her atomdaki iki eşleşmemiş elektronun spinleri genellikle komşularının spinleriyle hizalanarak genel bir manyetik alan oluşturur . Bunun nedeni, bu iki elektronun (d _{z ²} ve d _{x ² -. y ²} ) orbitallerinin kafesteki komşu atomları göstermemesi ve bu nedenle metalik bağda yer almamasıdır.

Harici bir manyetik alan kaynağının yokluğunda, atomlar kendiliğinden yaklaşık 10 mikrometre çapında manyetik alanlara bölünür , öyle ki her alandaki atomların paralel dönüşleri vardır, ancak bazı alanların başka yönelimleri vardır. Böylece, makroskobik bir demir parçası, neredeyse sıfır genel manyetik alana sahip olacaktır.

Harici bir manyetik alanın uygulanması, aynı genel yönde manyetize olan alanların, diğer yönlere işaret eden bitişik olanlar pahasına büyümesine ve dış alanın güçlendirilmesine neden olur. Bu etki, elektrik transformatörleri , manyetik kayıt kafaları ve elektrik motorları gibi tasarım işlevini yerine getirmek için manyetik alanları kanalize etmesi gereken cihazlarda kullanılır . Safsızlıklar, kafes kusurları veya tane ve parçacık sınırları, etki alanlarını yeni konumlara "sabitleyebilir", böylece etki, dış alan kaldırıldıktan sonra bile devam eder - böylece demir nesneyi (kalıcı) bir mıknatısa dönüştürür .

_{Karışık demir (} II,III) oksit Fe304'ün kristalli bir formu olan manyetit mineralini içeren ferritler gibi bazı demir bileşikleri benzer davranış sergiler ( _her ne kadar atomik ölçekli mekanizma, ferrimanyetizma biraz farklı olsa da). Doğal kalıcı mıknatıslanma (lodestones) ile manyetit parçaları, navigasyon için en eski pusulaları sağladı. Manyetit parçacıkları, kobalt bazlı malzemelerle değiştirilene kadar çekirdek bellekler , manyetik bantlar , disketler ve diskler gibi manyetik kayıt ortamlarında yaygın olarak kullanıldı .

izotoplar

Demirin dört kararlı izotopu vardır : ⁵⁴ Fe (%5,845 doğal demir), ⁵⁶ Fe (%91,754), ⁵⁷ Fe (%2,119) ve ⁵⁸ Fe (%0,282). 24 yapay izotop da yaratıldı. Bu kararlı izotoplardan yalnızca ⁵⁷ Fe'nin nükleer dönüşü vardır (- 1 ⁄ 2 ). ^{54 Fe} çekirdeği teorik olarak ⁵⁴ Cr'ye çift elektron yakalamaya maruz kalabilir, ancak süreç hiçbir zaman gözlemlenmedi ve yalnızca 3,1 × 10 ²² yıllık yarı ömür için bir alt sınır belirlendi.

⁶⁰ Fe, uzun yarı ömre (2,6 milyon yıl) sahip soyu tükenmiş bir radyonükliddir . Dünya'da bulunmaz, ancak nihai bozunma ürünü torunu olan kararlı çekirdek ⁶⁰ Ni'dir . Demirin izotopik bileşimi üzerine yapılan geçmiş çalışmaların çoğu, göktaşları ve cevher oluşumu çalışmaları yoluyla ⁶⁰ Fe'nin nükleosentezine odaklanmıştır . Son on yılda, kütle spektrometresindeki ilerlemeler, kararlı demir izotoplarının oranlarında doğal olarak meydana gelen çok küçük değişikliklerin saptanmasına ve miktarının belirlenmesine olanak sağlamıştır . Biyolojik ve endüstriyel sistemlere yönelik uygulamalar ortaya çıkmasına rağmen , bu çalışmanın çoğu Dünya ve gezegen bilimi toplulukları tarafından yürütülmektedir.

Semarkona ve Chervony Kut meteoritlerinin evrelerinde , ^{60 Fe'nin} torunu olan ⁶⁰ Ni'nin konsantrasyonu ile kararlı demir izotoplarının bolluğu arasındaki bir korelasyon , Güneş Sistemi'nin oluşumu sırasında ⁶⁰ Fe'nin varlığına dair kanıt sağladı. . ^{Muhtemelen 60} Fe'nin bozunmasıyla salınan enerji , ²⁶ Al tarafından salınanla birlikte, 4.6 milyar yıl önce oluştuktan sonra asteroitlerin yeniden erimesine ve farklılaşmasına katkıda bulundu. Dünya dışı materyallerde bulunan ⁶⁰ Ni'nin bolluğu , Güneş Sisteminin kökeni ve erken tarihi hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir .

En bol bulunan demir izotopu ^{56 Fe,} nükleosentezin en yaygın bitiş noktasını temsil ettiği için nükleer bilimciler için özel bir ilgi alanıdır . ⁵⁶ Ni (14 alfa parçacığı ), süpernovalardaki nükleer reaksiyonlardaki alfa işleminde daha hafif çekirdeklerden kolayca üretildiği için ( bkz . ⁶⁰ Zn'de çok daha fazla enerji gerektirir . Yaklaşık 6 günlük bir yarı ömre sahip olan bu ^{56 Ni, bu yıldızlarda nicelik olarak yaratılır, ancak kısa süre sonra} süpernova kalıntısı gaz bulutundaki süpernova bozunma ürünleri içinde birbirini izleyen iki pozitron emisyonuyla önce radyoaktif ⁵⁶ Co'ya ve sonra bozunur. sabit ⁵⁶ Fe'ye. Bu nedenle demir, kırmızı devlerin çekirdeğinde en bol bulunan elementtir ve demir göktaşlarında ve Dünya gibi gezegenlerin yoğun metal çekirdeklerinde en bol bulunan metaldir . Ayrıca, yaklaşık olarak aynı atom ağırlığına sahip diğer kararlı metallere göre evrende çok yaygındır . Demir , evrende en çok bulunan altıncı elementtir ve en yaygın refrakter elementtir.

⁵⁶ Fe'den marjinal olarak daha yüksek bağlanma enerjisine sahip olan ⁶² Ni'nin sentezlenmesiyle daha küçük bir enerji kazancı elde edilebilmesine rağmen , yıldızlardaki koşullar bu işlem için uygun değildir. Süpernovalarda element üretimi, nikel yerine demiri büyük ölçüde tercih eder ve her durumda, ⁵⁶ Fe , daha yüksek hafif proton fraksiyonu nedeniyle nükleon başına ^{62 Ni'den daha düşük bir kütleye sahiptir.} Bu nedenle, demirden daha ağır elementler , oluşumları için ⁵⁶ Fe çekirdeği başlatarak hızlı nötron yakalamayı içeren bir süpernova gerektirir.

Evrenin uzak geleceğinde , proton bozunmasının meydana gelmediğini varsayarsak, kuantum tünelleme yoluyla meydana gelen soğuk füzyon , sıradan maddedeki ışık çekirdeklerinin ⁵⁶ Fe çekirdeğine kaynaşmasına neden olacaktır . Fisyon ve alfa-parçacık emisyonu daha sonra ağır çekirdeklerin demire dönüşmesine ve tüm yıldız-kütleli nesnelerin soğuk saf demir kürelerine dönüşmesine neden olur.

Doğada kökeni ve oluşumu

kozmogenez

Demirin Dünya gibi kayalık gezegenlerdeki bolluğu , demiri uzaya saçan Ia tipi süpernovaların kaçak füzyonu ve patlaması sırasında bol miktarda üretilmesinden kaynaklanmaktadır .

metalik demir

Metalik veya doğal demir , oksitlenme eğilimi gösterdiği için Dünya yüzeyinde nadiren bulunur. Bununla birlikte, tüm Dünya'nın kütlesinin %35'ini oluşturan hem Dünya'nın iç hem de dış çekirdeğinin büyük ölçüde, muhtemelen nikel içeren bir demir alaşımından oluştuğuna inanılıyor . Sıvı dış çekirdekteki elektrik akımlarının, Dünya'nın manyetik alanının kaynağı olduğuna inanılıyor . Ay'ın yanı sıra diğer karasal gezegenlerin ( Merkür , Venüs ve Mars ) çoğunlukla demirden oluşan metalik bir çekirdeğe sahip olduğuna inanılıyor. M-tipi asteroitlerin de kısmen veya çoğunlukla metalik demir alaşımından yapıldığına inanılıyor .

Nadir demir göktaşları , Dünya yüzeyindeki doğal metalik demirin ana şeklidir. Soğuk işlenmiş göktaşı demirinden yapılmış parçalar , demir eritmenin henüz geliştirilmediği bir zamandan kalma çeşitli arkeolojik alanlarda bulundu; ve Grönland'daki Eskimoların aletler ve av silahları için Cape York göktaşından demir kullandıkları bildirildi . Yaklaşık 20 göktaşından 1'i benzersiz demir-nikel mineralleri olan taenit (%35-80 demir) ve kamasit (%90-95 demir) içerir. Doğal demir, demirin kristalleşmesi için oksijen fugasitesini yeterince azaltan, karbon bakımından zengin tortul kayaçlarla temasa geçen magmalardan oluşan bazaltlarda da nadiren bulunur . Bu, Tellurik demir olarak bilinir ve Batı Grönland'daki Disko Adası , Rusya'daki Yakutistan ve Almanya'daki Bühl gibi birkaç bölgeden tanımlanır .

Manto mineralleri

Katı bir periklaz (MgO) ve wüstit (FeO) çözeltisi olan ferroperiklaz (Mg,Fe)O , Dünya'nın alt mantosunun hacminin yaklaşık %20'sini oluşturur ve bu da onu o bölgede en bol bulunan ikinci mineral faz yapar. silikat perovskite (Mg,Fe) _SiO3'ten sonra ; aynı zamanda alt mantodaki demir için ana konakçıdır. Mantonun geçiş bölgesinin dibinde, γ- (Mg,Fe) ₂ [SiO ₄ ] ↔ (Mg,Fe)[SiO ₃ ] + (Mg,Fe)O reaksiyonu γ-olivini aşağıdakilerin bir karışımına dönüştürür : silikat perovskite ve ferroperiklaz ve tersi. Literatürde, alt mantonun bu mineral fazına da sıklıkla magneziyovüstit adı verilir. Silikat perovskit , alt mantonun %93'ünü oluşturabilir ve magnezyum demir formu (Mg,Fe)SiO3 _, Dünya'nın hacminin %38'ini oluşturan en bol mineral olarak kabul edilir.

yerkabuğu

Demir, Dünya'da en çok bulunan element olmasına rağmen, bu demirin çoğu iç ve dış çekirdeklerde yoğunlaşmıştır. Yerkabuğundaki demir oranı, kabuğun toplam kütlesinin yalnızca yaklaşık %5'ini oluşturur ve bu nedenle bu katmanda yalnızca dördüncü en bol bulunan elementtir ( oksijen , silikon ve alüminyumdan sonra ).

Kabuktaki demirin çoğu, birçok demir mineralini oluşturmak için çeşitli diğer elementlerle birleştirilir . Önemli bir sınıf, demirin ana cevherleri olan hematit (Fe ₂ O ₃ ), manyetit (Fe ₃ O ₄ ) ve siderit (FeCO ₃ ) gibi demir oksit mineralleridir . Birçok magmatik kaya aynı zamanda sülfür mineralleri olan pirotit ve pentlandit içerir . Ayrışma sırasında demir, sülfat olarak sülfür yataklarından ve bikarbonat olarak silikat yataklarından süzülme eğilimindedir. Bunların her ikisi de sulu çözeltide oksitlenir ve hafif yükseltilmiş pH'ta bile demir (III) oksit olarak çökelir .

Büyük demir birikintileri, demir açısından fakir şeyl ve çört bantlarıyla değişen tekrarlanan ince demir oksit katmanlarından oluşan bir kaya türü olan bantlı demir oluşumlarıdır . Bantlı demir oluşumları 3.700  milyon yıl öncesi ile 1.800  milyon yıl öncesi arasındaki zaman diliminde oluşmuştur .

İnce öğütülmüş demir(III) oksitler veya aşı boyası gibi oksit-hidroksitler içeren malzemeler, tarih öncesi çağlardan beri sarı, kırmızı ve kahverengi pigmentler olarak kullanılmıştır. Oregon'daki Painted Hills ve Buntsandstein ("renkli kumtaşı", British Bunter ) gibi tüm jeolojik oluşumlar dahil olmak üzere çeşitli kayaların ve killerin rengine de katkıda bulunurlar . Eisensandstein (bir jurassic 'demir kumtaşı', örneğin Almanya'daki Donzdorf'tan ) ve Birleşik Krallık'taki Bath taşı aracılığıyla , birçok tarihi bina ve heykelin sarımsı renginden demir bileşikleri sorumludur. Mars yüzeyinin meşhur kırmızı rengi, demir oksit açısından zengin bir regolitten elde edilir .

Demir sülfit mineral piritinde (FeS ₂ ) önemli miktarda demir bulunur , ancak ondan demir çıkarmak zordur ve bu nedenle kullanılmaz. Aslında demir o kadar yaygındır ki, üretim genellikle yalnızca çok yüksek miktarlarda demir içeren cevherlere odaklanır.

Uluslararası Kaynak Paneli'nin Toplumdaki Metal Stokları raporuna göre , toplumda kullanılan küresel demir stoğu kişi başına 2.200 kg'dır . Daha gelişmiş ülkeler bu açıdan daha az gelişmiş ülkelerden farklıdır (kişi başına 7.000-14.000'e karşı 2.000 kg).

okyanuslar

Okyanus bilimi, eski denizlerdeki demirin hem deniz biyotası hem de iklim üzerindeki rolünü gösterdi.

Kimya ve bileşikler

oksidasyon durumu	temsili bileşik
−2 (d 10 )	Disodyum tetrakarbonilferrat (Collman reaktifi)
−1 (d 9 )	fe 2(CO)2− 8
0 (d 8 )	demir pentakarbonil
1 (d 7 )	Siklopentadieniliron dikarbonil dimer ("Fp 2 ")
2 (ö 6 )	Demir sülfat , ferrosen
3 (ö 5 )	Ferrik klorür , ferrosenyum tetrafloroborat
4 (d 4 )	Fe(günler) 2Cl2+ 2, Ferril tetrafloroborat
5 (ö 3 )	Fe O3-4 _
6 (ö 2 )	potasyum ferrat
7 (d 1 )	[FeO 4 ] – (matris izolasyonu, 4K)

Demir, geçiş metallerinin karakteristik kimyasal özelliklerini , yani bir adımda farklılık gösteren değişken oksidasyon durumları oluşturma yeteneğini ve çok büyük bir koordinasyon ve organometalik kimyayı gösterir: gerçekten de, ferrosen adlı bir demir bileşiğinin keşfi , ikincisinde devrim yarattı. 1950'lerde alan. Demir, bolluğu ve insanlığın teknolojik ilerlemesinde oynadığı muazzam rol nedeniyle bazen tüm geçiş metalleri bloğu için bir prototip olarak kabul edilir. 26 elektronu, [Ar]3d ⁶ 4s ² konfigürasyonunda düzenlenmiştir, bunların 3d ve 4s elektronları enerji bakımından nispeten yakındır ve bu nedenle çok sayıda elektron iyonize olabilir.

Demir, esas olarak +2 ( demir(II) , "demir") ve +3 ( demir(III) , "ferrik") oksidasyon durumlarında bileşikler oluşturur. Demir ayrıca , +6 oksidasyon durumunda demir içeren mor _potasyum ferrat ( _K2FeO4 ) gibi daha yüksek oksidasyon durumlarında da oluşur. Bir demir(V)-perokso izomeri ile birlikte +7 oksidasyon durumunda demir içeren [FeO 4 ] anyonu, lazerle kesilen Fe atomlarının bir O2 karışımıyla birlikte yoğunlaştırılmasından sonra 4 K'de kızılötesi ^spektroskopi ile _tespit edilmiştir _. /Ar. Demir(IV), birçok biyokimyasal oksidasyon reaksiyonunda ortak bir ara maddedir. Çok sayıda organoiron bileşiği, +1, 0, -1 ve hatta -2'lik resmi oksidasyon durumları içerir. Oksidasyon durumları ve diğer bağlanma özellikleri genellikle Mössbauer spektroskopisi tekniği kullanılarak değerlendirilir . Manyetit ve Prusya mavisi ( Fe ₄ (Fe[CN] ₆ ) ₃ ) gibi birçok karışık değerlikli bileşik hem demir(II) hem de demir(III) merkezleri içerir . İkincisi, planlarda geleneksel "mavi" olarak kullanılır .

Demir, daha ağır türdeşleri rutenyum ve osmiyum olmasına rağmen, rutenyumun osmiyumdan daha fazla zorluğa sahip olmasına rağmen, +8 grup oksidasyon durumuna ulaşamayan geçiş metallerinin ilkidir. Rutenyum, demirinkine benzer düşük oksidasyon durumlarında sulu bir katyonik kimya sergiler, ancak osmiyum, anyonik kompleksler oluşturduğu yüksek oksidasyon durumlarını tercih eder. 3 boyutlu geçiş serisinin ikinci yarısında, grupların aşağısındaki dikey benzerlikler, yine oda sıcaklığında ferromanyetik olan ve benzer kimyayı paylaşan , periyodik tablodaki komşuları olan kobalt ve nikel ile demirin yatay benzerlikleriyle rekabet eder. Bu nedenle demir, kobalt ve nikel bazen demir üçlüsü olarak gruplandırılır .

Diğer birçok metalin aksine, demir cıva ile karışım oluşturmaz . Sonuç olarak, cıva, demirden yapılmış standartlaştırılmış 76 poundluk şişelerde (34 kg) işlem görür.

Demir, grubundaki en reaktif elementtir; ince bölündüğünde piroforiktir ve seyreltik asitlerde kolayca çözünerek Fe2 ⁺ verir . Bununla birlikte, yine de hidroklorik asit ile reaksiyona girebilen geçirimsiz bir oksit tabakası oluşumu nedeniyle konsantre nitrik asit ve diğer oksitleyici asitlerle reaksiyona girmez . Elektrolitik demir olarak adlandırılan yüksek saflıkta demir, oksit tabakası nedeniyle paslanmaya karşı dayanıklı kabul edilir.

ikili bileşikler

Oksitler ve sülfitler

Demir, çeşitli oksit ve hidroksit bileşikleri oluşturur ; en yaygın olanları demir ₍ II,III) oksit (Fe3O4 ) ve demir(III _{) oksittir} ( _Fe203 ) . Oda sıcaklığında kararsız olmasına rağmen demir (II) oksit de mevcuttur. Adlarına rağmen, aslında hepsi stokiyometrik olmayan ve bileşimleri değişebilen bileşiklerdir. Bu oksitler, demir üretimi için başlıca cevherlerdir (bakınız çiçek açma ve yüksek fırın). Ayrıca ferrit üretiminde, bilgisayarlarda faydalı manyetik depolama ortamlarında ve pigmentlerde kullanılırlar. En iyi bilinen sülfit, altın parlaklığından dolayı aptal altını olarak da bilinen demir pirittir (FeS _{2 ).} Bir demir(IV) bileşiği değil, aslında Fe2 ⁺ ve S içeren bir demir(II) polisülfittir .²⁻
₂bozuk bir sodyum klorür yapısındaki iyonlar.

halojenürler

İkili demirli ve demirli halojenürler iyi bilinmektedir. Demir halojenürler tipik olarak, karşılık gelen hidratlı tuzları vermek üzere demir metalinin karşılık gelen hidrohalik asitle işlenmesinden kaynaklanır.

Fe + 2 HX → FeX ₂ + H ₂ (X = F, Cl, Br, I)

Demir, karşılık gelen ferrik halojenürleri vermek üzere flor, klor ve brom ile reaksiyona girer, ferrik klorür en yaygın olanıdır.

2 Fe + 3 X ₂ → 2 FeX ₃ (X = F, Cl, Br)

^{Ferrik iyodür bir istisnadır, Fe 3+} 'nın oksitleme gücü ve I -'nin yüksek indirgeme gücü nedeniyle termodinamik olarak kararsızdır ^:

2 ben ^- + 2 Fe ³⁺ → ben ₂ + 2 Fe ²⁺ (E ⁰ = +0,23 V)

Siyah bir katı olan ferrik iyodür, normal koşullarda kararlı değildir, ancak demir pentakarbonilin iyot ve karbon monoksit ile heksan ve ışık varlığında -20 °C sıcaklıkta, oksijen ve su hariç tutularak reaksiyonu yoluyla hazırlanabilir. .Bazı yumuşak bazlar içeren ferrik iyodür komplekslerinin kararlı bileşikler olduğu bilinmektedir.

Çözelti kimyası

Bazı yaygın demir iyonları için asidik sulu çözeltideki standart indirgeme potansiyelleri aşağıda verilmiştir:

[Fe(H 2 O) 6 ] 2+ + 2 e -	⇌ Fe	E 0 = -0,447 V
[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + e −	⇌ [Fe(H 2 O) 6 ] 2+	E 0 = +0,77 V
Fe O2− 4+ 8 H 3 Ö + + 3 e -	⇌ [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + 6 H 2 O	E 0 = +2,20 V

Kırmızı-mor tetrahedral ferrat (VI) anyonu, amonyağı nitrojene ( _N2 ) ve suyu oksijene oksitleyecek kadar güçlü bir oksitleyici maddedir.

4 FeO²⁻
₄+ 34 saat
₂O → 4 [Fe(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ + 20 OH^-
+ 3 O ₂

Soluk mor hex aquo kompleksi [Fe(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ , pH 0'ın üzerinde tamamen hidrolize olacak şekilde bir asittir:

[Fe(H 2 O) 6 ] 3+	⇌ [Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2+ + H +	K = 10 −3,05 mol dm −3
[Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2+	⇌ [Fe(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + + H +	K = 10 −3,26 mol dm −3
2[Fe(H 2 O) 6 ] 3+	⇌ [Fe(H 2 O) 4 (OH)]4+2+ 2H + + 2H2O	K = 10 −2,91 mol dm −3

pH 0'ın üzerine çıktığında yukarıdaki sarı hidrolize türler oluşur ve 2-3'ün üzerine çıktığında kırmızımsı kahverengi sulu demir (III) oksit çözeltiden çökelir. Fe ³⁺ reklam ⁵ konfigürasyonuna sahip olmasına rağmen, soğurma spektrumu zayıf, dönüşü yasaklanmış d-d bantlarıyla Mn 2+'ninki gibi değildir, çünkü Fe ^{3+ daha} yüksek pozitif yüke sahiptir ve daha polarizedir, enerjisini düşürür. liganddan metale yük transferi absorpsiyonları. Bu nedenle, yukarıdaki komplekslerin tümü, hekzakuo iyon dışında oldukça güçlü bir şekilde renklidir ve bu bile yakın ultraviyole bölgesinde yük transferinin hakim olduğu bir spektruma sahiptir. Öte yandan soluk yeşil demir(II) hekzakuo iyonu [Fe(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ kayda değer hidrolize uğramaz. Karbonat anyonları eklendiğinde karbondioksit gelişmez, bunun yerine beyaz demir (II) karbonatın çökelmesine neden olur. Fazla karbondioksitte bu, genellikle yer altı suyunda bulunan az çözünür bikarbonatı oluşturur, ancak havada hızla oksitlenerek çok sayıda akıntıda bulunan kahverengi tortuları açıklayan demir (III) oksit oluşturur.

Koordinasyon bileşikleri

Demir, elektronik yapısından dolayı çok geniş bir koordinasyona ve organometalik kimyaya sahiptir.

Demirin birçok koordinasyon bileşiği bilinmektedir. Tipik bir altı koordinatlı anyon, karışık tuz tetrakis(metilamonyum) hekzakloroferrat(III) klorürde bulunan hekzakloroferrat(III), [FeCl ₆ ] ³ -'dür . Çoklu çift dişli ligandlara sahip kompleksler geometrik izomerlere sahiptir . Örneğin, trans - klorohidridobis(bis-1,2-(difenilfosfino)etan)demir(II) kompleksi, Fe( dppe ) ₂ parçasına sahip bileşikler için bir başlangıç ​​malzemesi olarak kullanılır . Üç oksalat ligandı (sağda gösterilmektedir) içeren ferrioksalat iyonu , sol vida ekseni için Λ (lambda) ve sağ vida ekseni için Δ (delta) olarak etiketlenmiş üst üste binemeyen iki geometrisi ile sarmal kiralite gösterir. IUPAC sözleşmeleri. Potasyum ferrioksalat , kimyasal aktinometride kullanılır ve sodyum tuzuyla birlikte eski tarz fotoğrafik işlemlerde uygulanan foto indirgemeye maruz kalır . Demir (II) oksalatın dihidratı , aşağıda gösterildiği gibi her bir oktahedronun başlığını oluşturan kristalleşme suyu ile demir merkezleri arasında köprü oluşturan eş düzlemli oksalat iyonları ile polimerik bir yapıya sahiptir .

Demir(III) kompleksleri, demir(III)'ün N -verici ligandlar yerine O -verici ligandları tercih etmesi dışında, krom (III)'ünkine oldukça benzerdir. İkincisi, demir (II) komplekslerinden oldukça daha kararsız olma eğilimindedir ve genellikle suda ayrışır. Birçok Fe-O kompleksi yoğun renkler gösterir ve fenoller veya enoller için test olarak kullanılır . Örneğin, fenollerin varlığını belirlemek için kullanılan ferrik klorür testinde , demir(III) klorür bir fenol ile reaksiyona girerek koyu mor bir kompleks oluşturur:

3 ArOH + FeCl ₃ → Fe(OAr) ₃ + 3 HCI (Ar = aril )

Halojenür ve psödohalid kompleksleri arasında, demir(III)'ün floro kompleksleri en kararlı olanlardır ve sulu çözeltide en kararlı olan renksiz [FeF ₅ (H ₂ O)] ^{2 −'dir.} Kloro kompleksleri daha az kararlıdır ve [FeCl ₄ ] ^- ; [FeBr ₄ ] ^- ve [FeI ₄ ] ^- kolayca demir(II)'ye indirgenir. Tiyosiyanat , kan kırmızısı [Fe(SCN)(H ₂ O) ₅ ] ²⁺ oluşturduğu için demir(III)'ün varlığı için yaygın bir testtir . Manganez(II) gibi, çoğu demir(III) kompleksi yüksek spinlidir, siyanür gibi spektrokimyasal serilerde yüksek ligandlara sahip olanlar istisnadır . Düşük spinli demir(III) kompleksine bir örnek [Fe(CN) ₆ ] ³ −'dür . Demir, 0'dan (diyamanyetik) 5 ⁄ 2'ye (5 eşleşmemiş elektron) bir d-blok elemanı için olası her spin kuantum sayısı değeri dahil olmak üzere çok çeşitli elektronik spin durumları gösterir. Bu değer her zaman eşleştirilmemiş elektronların sayısının yarısıdır. Sıfır ila iki eşleşmemiş elektron içeren kompleksler düşük spinli, dört veya beş olanlar yüksek spinli olarak kabul edilir.

Demir(II) kompleksleri, demir(III) komplekslerinden daha az kararlıdır ancak O -donör ligandlar için tercih daha az belirgindir, bu nedenle örneğin [Fe(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺ bilinirken [Fe(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ değil. Demir(III)'e okside olma eğilimleri vardır, ancak bu, düşük pH ve kullanılan spesifik ligandlar ile hafifletilebilir.

Organometalik bileşikler

Organoiron kimyası , karbon atomlarının metal atomuna kovalent olarak bağlandığı organometalik demir bileşiklerinin incelenmesidir. Siyanür kompleksleri , karbonil kompleksleri , sandviç ve yarım sandviç bileşikleri dahil olmak üzere çok sayıda ve çeşitlidirler .

Prusya mavisi veya "ferrik ferrosiyanür", Fe ₄ [Fe(CN) ₆ ] ₃ , yaygın olarak pigment olarak ve diğer birçok uygulamada kullanılan eski ve iyi bilinen bir demir-siyanür kompleksidir. Oluşumu, Prusya mavisi oluşturmak üzere (sırasıyla) potasyum ferrisiyanür ve potasyum ferrosiyanür ile reaksiyona giren Fe2 ⁺ ve Fe3 ⁺ sulu çözeltilerini ayırt etmek için basit bir ıslak kimya testi olarak kullanılabilir .

Bir organodemir bileşiğinin başka bir eski örneği, nötr bir demir atomunun beş karbon monoksit molekülünün karbon atomlarına bağlı olduğu demir pentakarbonil Fe(CO) _{5'tir .} Bileşik, oldukça reaktif bir metalik demir formu olan karbonil demir tozu yapmak için kullanılabilir . Demir pentakarbonilin termolizi, çekirdeğinde üç demir atomu kümesi bulunan bir kompleks olan tridemir dodekakarbonil , Fe3 ₍ CO) _{12 verir.} Collman reaktifi, disodyum tetrakarbonilferrat , organik kimya için yararlı bir reaktiftir; -2 oksidasyon durumunda demir içerir. Siklopentadieniliron dikarbonil dimer , nadir +1 oksidasyon durumunda demir içerir.

_Bu alanda bir dönüm noktası _, şaşırtıcı moleküler yapısı _yalnızca bir yıl sonra Woodward ve Wilkinson ve Fischer . Ferrosen hala bu sınıftaki en önemli alet ve modellerden biridir.

Katalizör olarak demir merkezli organometalik türler kullanılır . Örneğin Knölker kompleksi , ketonlar için bir transfer hidrojenasyon katalizörüdür .

endüstriyel kullanımlar

Endüstride en büyük ölçekte üretilen demir bileşikleri, demir(II) sülfat (FeSO ₄ ·7 H ₂ O ) ve demir (III) klorürdür (FeCl ₃ ). İlki, en kolay bulunabilen demir(II) kaynaklarından biridir, ancak hava oksidasyonuna karşı Mohr tuzundan ( ₍ NH4 ) _2Fe (S04 ₎ 2 _· 6H20 ₎ daha az kararlıdır . Demir(II) bileşikleri havadaki demir(III) bileşiklerine oksitlenme eğilimindedir.

Tarih

Demir metalurjisinin gelişimi

Demir, şüphesiz antik dünyanın bildiği elementlerden biridir. Binlerce yıldır işlenmiş veya işlenmiş . Bununla birlikte, demirin paslanma kolaylığı nedeniyle, çok eski demir eserler altından veya gümüşten yapılmış nesnelerden çok daha nadirdir. Teknoloji yavaş gelişti ve ergitmenin keşfinden sonra bile demirin alet ve silahlar için tercih edilen metal olarak bronzun yerini alması yüzyıllar aldı.

göktaşı demir

MÖ 3500'de veya daha önce meteorik demirden yapılmış boncuklar , GA Wainwright tarafından Mısır'ın Gerzeh kentinde bulundu. Boncuklar, Dünya'nın kabuğunda bulunan demirin genellikle yalnızca çok küçük nikel safsızlıklarına sahip olması nedeniyle meteorik kökenli bir imza olan %7,5 nikel içerir.

Meteorik demir, göklerdeki kökeni nedeniyle büyük saygı görüyordu ve genellikle silah ve aletler yapmak için kullanılıyordu. Örneğin, Tutankhamun'un mezarında , bölgede keşfedilen ve eski bir meteor yağmuru tarafından bırakılan bir göktaşına benzer oranlarda demir, kobalt ve nikel içeren meteorik demirden yapılmış bir hançer bulundu. Mısırlılar tarafından muhtemelen demirden yapılmış olan eşyalar MÖ 3000 ila 2500 yılları arasındadır.

Meteoritik demir, nispeten yumuşak ve sünektir ve kolayca soğuk dövülür , ancak nikel içeriği nedeniyle ısıtıldığında kırılgan hale gelebilir.

Dövme demir

İlk demir üretimi Orta Tunç Çağı'nda başladı , ancak demirin bronzun yerini alması birkaç yüzyıl aldı. Kuzey Suriye'deki Asmar , Mezopotamya ve Tall Chagar Bazaar'dan eritilmiş demir örnekleri MÖ 3000 ile 2700 yılları arasında yapılmıştır. Hititler MÖ 1600 civarında kuzey-orta Anadolu'da bir imparatorluk kurdular . Demirin cevherlerinden üretimini ilk anlayan ve toplumlarında buna büyük saygı duyan ilk kişiler gibi görünüyorlar. Hititler MÖ 1500 ile 1200 yılları arasında demir eritmeye başladılar ve bu uygulama MÖ 1180'de imparatorlukları düştükten sonra Yakın Doğu'nun geri kalanına yayıldı. Sonraki dönem Demir Çağı olarak adlandırılır .

Hindistan'da MÖ 1800'den 1200'e ve Levant'ta yaklaşık MÖ 1500'e tarihlenen eritilmiş demir eserler bulunur ( Anadolu veya Kafkasya'da eritmeyi düşündürür ). Hint Vedalarında demire yönelik iddia edilen referanslar ( Güney Asya'daki metalurji tarihini karşılaştırın) , metinleri bu şekilde tarihlendirmek için sırasıyla Hindistan'da demirin çok erken kullanıldığı iddiaları için kullanılmıştır. Rigveda terimi ayas (metal) bakıra atıfta bulunurken, śyāma ayas , kelimenin tam anlamıyla "siyah bakır" olarak adlandırılan demirden ilk olarak post-rigvedik Atharvaveda'da bahsedilir .

Bazı arkeolojik kanıtlar, demirin Zimbabwe ve güneydoğu Afrika'da MÖ sekizinci yüzyılın başlarında eritildiğini gösteriyor. Demir işçiliği MÖ 11. yüzyılın sonlarında Yunanistan'da tanıtıldı ve buradan hızla tüm Avrupa'ya yayıldı.

Orta ve Batı Avrupa'da demir işçiliğinin yayılması, Kelt genişlemesiyle ilişkilidir . Yaşlı Plinius'a göre Roma döneminde demir kullanımı yaygındı . Şimdi Çin olarak kabul edilen topraklarda demir, yaklaşık MÖ 700-500'de ortaya çıkıyor. Demir eritme, Çin'e Orta Asya yoluyla getirilmiş olabilir. Çin'de bir yüksek fırın kullanımına dair en eski kanıtlar MS 1. yüzyıla kadar uzanıyor ve kubbe fırınları Savaşan Devletler döneminde (MÖ 403-221) kadar erken bir tarihte kullanıldı. Tang ve Song hanedanları döneminde yüksek ve kupol fırın kullanımı yaygınlığını korudu .

Britanya'daki Sanayi Devrimi sırasında Henry Cort , yenilikçi üretim sistemlerini kullanarak demiri pik demirden dövme demire (veya çubuk demire) rafine etmeye başladı . 1783'te demir cevherini rafine etmek için su birikintisi işleminin patentini aldı. Daha sonra Joseph Hall dahil başkaları tarafından geliştirildi .

Dökme demir

Dökme demir ilk olarak MÖ 5. yüzyılda Çin'de üretildi , ancak orta çağa kadar Avrupa'da neredeyse hiç yoktu. En eski dökme demir eserler, arkeologlar tarafından şu anda Çin'in Jiangsu kentindeki modern Luhe İlçesinde keşfedildi . Eski Çin'de savaş, tarım ve mimari için dökme demir kullanıldı . Ortaçağ döneminde , Avrupa'da ince demirhaneler kullanılarak dökme demirden (bu bağlamda pik demir olarak bilinir) dövme demir üretmenin yolları bulundu . Tüm bu işlemler için yakıt olarak odun kömürü gerekliydi.

Ortaçağ yüksek fırınları yaklaşık 10 fit (3,0 m) boyundaydı ve yanmaz tuğladan yapılmıştı; basınçlı hava genellikle elle çalıştırılan körüklerle sağlandı. Modern yüksek fırınlar, her gün binlerce ton demir üretmelerine izin veren on dört metre çapındaki ocaklarla çok daha büyüdü, ancak esasen orta çağda yaptıklarıyla aynı şekilde çalışıyorlar.

1709'da Abraham Darby , yüksek fırınları kullanmaya devam etmesine rağmen, kömürün yerine dökme demir üretmek için kokla çalışan bir yüksek fırın kurdum . Ardından gelen ucuz demirin mevcudiyeti, Sanayi Devrimi'ne yol açan faktörlerden biriydi . 18. yüzyılın sonlarına doğru dökme demir, daha ucuz olduğu için belirli amaçlarla dövme demirin yerini almaya başladı. 18. yüzyıla kadar ferforje, dökme demir ve çeliğin özelliklerindeki farklılıkların nedeni olarak demirdeki karbon içeriği gösterilmemiştir.

Demir daha ucuz ve daha bol hale geldiğinden, 1778'de yenilikçi ilk demir köprünün inşa edilmesinin ardından önemli bir yapısal malzeme haline geldi. Bu köprü bugün hala Sanayi Devrimi'nde demirin oynadığı rolün bir anıtı olarak duruyor. Bunu takiben demir raylarda, teknelerde, gemilerde, su kemerlerinde ve binalarda ve ayrıca buhar makinelerinde demir silindirlerde kullanıldı . Demiryolları, modernitenin ve ilerleme fikirlerinin oluşumunda merkezi bir rol oynamıştır ve çeşitli dillerde demir yollarından demir yol olarak bahsedilmektedir (örneğin, Fransızca chemin de fer , Almanca Eisenbahn , Türkçe demiryolu , Rusça железная дорога , Çince, Japonca ve Korece鐵道, Vietnamca đường sắt ).

Çelik

Çelik (pik demirden daha az, dövme demirden daha fazla karbon içeriğine sahip) ilk olarak antik çağda bir çiçekçilik kullanılarak üretildi . Batı İran'daki Luristan'daki demirciler MÖ 1000'de iyi çelik yapıyorlardı. Daha sonra geliştirilmiş versiyonlar, Hindistan yapımı Wootz çeliği ve Şam çeliği sırasıyla MÖ 300 ve MS 500 civarında geliştirildi. Bu yöntemler özelleştirildi ve bu nedenle çelik 1850'lere kadar önemli bir meta haline gelmedi.

17. yüzyılda sementasyon sürecinde demir çubuklarını karbürleyerek onu üretmenin yeni yöntemleri tasarlandı. Sanayi Devrimi'nde kömürsüz çubuk demir üretmenin yeni yöntemleri geliştirildi ve bunlar daha sonra çelik üretmek için uygulandı. 1850'lerin sonlarında Henry Bessemer , yumuşak çelik üretmek için erimiş pik demirden hava üflemeyi içeren yeni bir çelik üretim süreci icat etti. Bu, çeliği çok daha ekonomik hale getirdi ve böylece dövme demirin artık büyük miktarlarda üretilmemesine yol açtı.

Modern kimyanın temelleri

1774'te Antoine Lavoisier , deneylerinde hidrojen üretmek için su buharının akkor halindeki bir demir tüp içindeki metalik demirle reaksiyonunu kullandı ve bu, kimyayı niteliksel bir bilimden niceliksel bir bilime dönüştürmede etkili olan kütlenin korunumunun gösterilmesine yol açtı .

sembolik rol

Demir, mitolojide belirli bir rol oynar ve bir metafor olarak ve folklorda çeşitli kullanımlar bulmuştur . Yunan şair Hesiod'un Eserleri ve Günleri ( 109-201. satırlar) , insanlığın ardışık çağlarını açıklamak için altın, gümüş, bronz ve demir gibi metallerin adlarını taşıyan farklı insan yaşlarını listeler. Demir Çağı, Roma ile yakından ilişkiliydi ve Ovidius'un Metamorfozlarında

Erdemler çaresizlik içinde dünyayı terk etti; ve insanın ahlaksızlığı evrensel ve eksiksiz hale gelir. Sert çelik o zaman başarılı oldu.

-  Ovid, Metamorfozlar , Kitap I, Demir çağı, satır 160 ff

Demirin sembolik rolünün öneminin bir örneği, 1813 Alman Harekatı'nda bulunabilir . Frederick William III , askeri dekorasyon olarak ilk Demir Haç'ı görevlendirdi . Berlin demir takıları , Prusya kraliyet ailesinin vatandaşları askeri finansman için altın ve gümüş takılar bağışlamaya çağırdığı 1813 ile 1815 yılları arasında en yüksek üretimine ulaştı . Gold gab ich für Eisen (Demir için altın verdim) yazısı daha sonraki savaş çabalarında da kullanıldı.

Metalik demir üretimi

laboratuvar yolları

İhtiyaç duyulduğunda birkaç sınırlı amaç için, saf oksit veya hidroksitin hidrojenle indirgenmesi veya demir pentakarbonil oluşturulması ve saf demir tozu oluşturmak üzere ayrışması için 250 ° C'ye ısıtılmasıyla laboratuvarda küçük miktarlarda saf demir üretilir. . Başka bir yöntem, demir klorürün bir demir katot üzerinde elektrolizidir.

Ana sanayi yolu

Demir üretimi 2009 (milyon ton )

Ülke	Demir cevheri	Dökme demir	Doğrudan demir	Çelik
Çin	1.114.9	549.4		573.6
Avustralya	393,9	4.4		5.2
Brezilya	305.0	25.1	0,011	26.5
Japonya		66.9		87.5
Hindistan	257.4	38.2	23.4	63.5
Rusya	92.1	43.9	4.7	60.0
Ukrayna	65.8	25.7		29.9
Güney Kore	0.1	27.3		48.6
Almanya	0.4	20.1	0,38	32.7
Dünya	1.594.9	914.0	64.5	1.232,4

Günümüzde demir veya çeliğin endüstriyel üretimi iki ana aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, demir cevheri bir yüksek fırında kok ile indirgenir ve erimiş metal, silikat mineralleri gibi büyük safsızlıklardan ayrılır . Bu aşama , nispeten büyük miktarlarda karbon içeren bir alaşım - pik demir - verir. İkinci aşamada, ferforje, çelik veya dökme demir elde etmek için pik demirdeki karbon miktarı oksidasyonla düşürülür. Alaşımlı çelikler oluşturmak için bu aşamada başka metaller de eklenebilir .

Yüksek fırın işleme

Yüksek fırın, genellikle hematit Fe203 veya manyetit Fe304 _olan demir cevherlerinin yanı sıra kok ( uçucu _bileşenleri çıkarmak için ayrı olarak fırınlanmış kömür) ve _akış ( kireçtaşı _veya dolomit ) ile yüklenir . 900 °C'ye önceden ısıtılmış (bazen oksijenle zenginleştirilmiş) havanın "patlamaları", karbonu karbon monoksite dönüştürmek için yeterli miktarda karışıma üflenir :

${\ displaystyle {\ ce {2 C + O2 -> 2 CO}}}$

Bu reaksiyon, sıcaklığı yaklaşık 2000 °C'ye yükseltir. Karbon monoksit, demir cevherini metalik demire indirger.

${\ displaystyle {\ ce {Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}}}$

Fırının yüksek sıcaklıktaki alt bölgesindeki bir miktar demir kok ile doğrudan reaksiyona girer:

${\ displaystyle {\ce {2Fe2O3 + 3C -> 4Fe + 3CO2}}}$

_{Akı, aksi takdirde fırını tıkayabilecek olan cevherdeki silisli mineralleri uzaklaştırır :} Fırının ısısı, karbonatları , kalsiyum silikat CaSiO3 veya diğer ürünlerden oluşan bir cüruf oluşturmak için herhangi bir fazla silika ile reaksiyona giren kalsiyum okside ayrıştırır. Fırın sıcaklığında hem metal hem de cüruf erimektedir. Dipte birbiriyle karışmayan iki sıvı katman (cüruf üstte olacak şekilde) halinde toplanırlar ve bunlar daha sonra kolayca ayrılır. Cüruf, yol yapımında bir malzeme olarak veya tarım için mineral bakımından fakir toprakları iyileştirmek için kullanılabilir .

_{Bu nedenle çelik üretimi, dünyadaki CO 2} emisyonlarının en büyük endüstriyel katkılarından biri olmaya devam ediyor .

çelik üretimi

Yüksek fırın işlemiyle üretilen pik demir, kükürt, magnezyum, fosfor ve manganez gibi az miktarda diğer safsızlıklarla birlikte (kütlece) %4-5'e kadar karbon içerir. Bu yüksek karbon seviyesi, onu nispeten zayıf ve kırılgan hale getirir. Karbon miktarının %0,002–2,1'e düşürülmesi, saf demirden 1000 kat daha sert olabilen çelik üretir. Daha sonra soğuk işleme , sıcak haddeleme , dövme , işleme vb. yöntemlerle çok çeşitli çelik ürünler yapılabilir . Pik demirden safsızlıkların giderilmesi, ancak% 2-4 karbon bırakılması, dökümhaneler tarafından eşyalara dökülen dökme demirle sonuçlanır. sobalar, borular, radyatörler, lamba direkleri ve raylar gibi.

Çelik ürünler , şekillendirilmek üzere dövüldükten sonra genellikle çeşitli ısıl işlemlere tabi tutulur. Tavlama , birkaç saat boyunca 700–800 °C'ye ısıtma ve ardından kademeli soğutmadan oluşur. Çeliği daha yumuşak ve işlenebilir hale getirir.

Doğrudan demir indirgeme

Çevresel kaygılar nedeniyle, alternatif demir işleme yöntemleri geliştirilmiştir. " Doğrudan demir indirgeme " , demir cevherini çelik üretimi için uygun "sünger" demir veya "doğrudan" demir olarak adlandırılan demirli bir yumruya indirger. Doğrudan indirgeme sürecini iki ana reaksiyon oluşturur:

Doğal gaz kısmen oksitlenir (ısı ve bir katalizör ile):

${\ displaystyle {\ ce {2 CH4 + O2 -> 2 CO + 4 H2}}}$

Demir cevheri daha sonra bu gazlarla bir fırında işlenerek katı sünger demir üretilir:

${\ displaystyle {\ce {Fe2O3 + CO + 2 H2 -> 2 Fe + CO2 + 2 H2O}}}$

Silika , yukarıda açıklandığı gibi bir kireç taşı tozu eklenerek giderilir .

termit süreci

Bir alüminyum tozu ve demir oksit karışımının tutuşması, termit reaksiyonu yoluyla metalik demir verir :

${\ displaystyle {\ ce {Fe2O3 + 2 Al -> 2 Fe + Al2O3}}}$

Alternatif olarak pik demir, çelik (yaklaşık %2'ye kadar karbon içeren) veya dövme demir (ticari olarak saf demir) haline getirilebilir. Bunun için ince demirhaneler , su birikintisi fırınları , Bessemer dönüştürücüler , açık ocak fırınları , bazik oksijen fırınları ve elektrik ark fırınları dahil olmak üzere çeşitli işlemler kullanılmıştır . Her durumda amaç, diğer safsızlıklarla birlikte karbonun bir kısmını veya tamamını oksitlemektir. Öte yandan, alaşımlı çelikler yapmak için başka metaller de eklenebilir.

Uygulamalar

Yapı malzemesi olarak

Demir, tüm metaller arasında en yaygın kullanılanıdır ve dünya çapındaki metal üretiminin %90'ından fazlasını oluşturur. Düşük maliyeti ve yüksek mukavemeti, genellikle makine ve takım tezgahlarının , rayların , otomobillerin , gemi gövdelerinin , beton takviye çubuklarının ve binaların yük taşıma çerçevelerinin inşası gibi gerilime dayanmak veya kuvvetleri iletmek için tercih edilen malzeme haline getirir . Saf demir oldukça yumuşak olduğundan, çelik yapmak için en yaygın olarak alaşım elementleriyle birleştirilir.

Mekanik özellikler

Çeşitli demir formlarının çekme mukavemeti (TS) ve Brinell sertliği (BH) karakteristik değerleri .

Malzeme	TS (MPa)	BH ( Brinell )
demir bıyık	11000
Ausformed (sertleştirilmiş) çelik	2930	850–1200
Martensitik çelik	2070	600
Beynitik çelik	1380	400
perlitik çelik	1200	350
Soğuk işlenmiş demir	690	200
Küçük taneli demir	340	100
karbon içeren demir	140	40
Saf, tek kristalli demir	10	3

Demir ve alaşımlarının mekanik özellikleri, yapısal uygulamalarıyla son derece ilgilidir. Bu özellikler, Brinell testi , Rockwell testi ve Vickers sertlik testi dahil olmak üzere çeşitli şekillerde değerlendirilebilir .

Saf demirin özellikleri genellikle ölçümleri kalibre etmek veya testleri karşılaştırmak için kullanılır. Bununla birlikte, demirin mekanik özellikleri, numunenin saflığından önemli ölçüde etkilenir: saf, tek kristalli demir aslında alüminyumdan daha yumuşaktır ve endüstriyel olarak üretilmiş en saf demirin (%99,99) sertliği 20–30 Brinell'dir. Özellikle elektrolitik demir olarak adlandırılan saf demir (%99.9～%99.999), endüstriyel olarak elektrolitik arıtma ile üretilir .

Karbon içeriğindeki bir artış, demirin sertliğinde ve çekme mukavemetinde önemli bir artışa neden olacaktır. Alaşımın düşük çekme mukavemetine sahip olmasına rağmen, %0,6 karbon içeriği ile maksimum 65 Rc _{sertliği elde edilir.} Demirin yumuşaklığından dolayı, daha ağır türdeşleri olan rutenyum ve osmiyumdan çok daha kolaydır .

Çelik ve alaşım türleri

α-Demir, yalnızca küçük bir karbon konsantrasyonunu (910 °C'de kütlece en fazla %0,021) çözebilen oldukça yumuşak bir metaldir. Östenit (γ-demir) benzer şekilde yumuşak ve metaliktir ancak önemli ölçüde daha fazla karbonu çözebilir (1146 °C'de kütlece %2,04'e kadar). Bu demir formu, çatal bıçak takımı yapımında kullanılan paslanmaz çelik türünde ve hastane ve yemek servisi ekipmanlarında kullanılır.

Ticari olarak temin edilebilen demir, katkı maddelerinin saflığına ve bolluğuna göre sınıflandırılır. Pik demir %3,5-4,5 karbon içerir ve kükürt , silikon ve fosfor gibi çeşitli miktarlarda kirletici maddeler içerir . Pik demir satılabilir bir ürün değil, dökme demir ve çelik üretiminde bir ara adımdır. Kükürt ve fosfor gibi malzeme özelliklerini olumsuz etkileyen pik demirdeki kirleticilerin azaltılması, %2-4 karbon, %1-6 silikon ve az miktarda manganez içeren dökme demir verir . Pik demir, 1420-1470 K aralığında, iki ana bileşeninden daha düşük bir erime noktasına sahiptir ve onu karbon ve demir birlikte ısıtıldığında eritilen ilk ürün yapar. Mekanik özellikleri büyük ölçüde değişir ve karbonun alaşımda aldığı forma bağlıdır.

"Beyaz" dökme demirler, karbonlarını sementit veya demir karbür (Fe ₃ C) şeklinde içerir. Bu sert, kırılgan bileşik, beyaz dökme demirlerin mekanik özelliklerine hükmederek, onları sert ama şoka karşı dirençli hale getirir. Beyaz bir dökme demirin kırık yüzeyi, çok soluk, gümüşi, parlak bir malzeme olan kırılmış demir karbürün ince fasetleriyle doludur, bu nedenle bu ad verilmiştir. %0,8 karbon içeren bir demir karışımını 723 °C'nin altına yavaş yavaş oda sıcaklığına soğutmak, yumuşak ve işlenebilir olan ve görünümü nedeniyle perlit olarak adlandırılan sementit ve α-demirin ayrı, dönüşümlü katmanlarıyla sonuçlanır . Hızlı soğuma ise bu ayrışmaya zaman tanımaz ve sert ve kırılgan martenzit oluşturur . Çelik daha sonra, perlit ve martensit oranlarını değiştirerek, aradaki bir sıcaklığa kadar yeniden ısıtılarak temperlenebilir. %0,8 karbon içeriğinin altındaki nihai ürün bir perlit-αFe karışımıdır ve %0,8'in üzerindeki karbon içeriği bir perlit-sementit karışımıdır.

Gri demirde karbon , ayrı, ince grafit pulları olarak bulunur ve ayrıca, malzeme içinde gerilim konsantrasyon bölgeleri oluşturan keskin kenarlı grafit pulları nedeniyle malzemeyi kırılgan hale getirir . Sfero döküm olarak adlandırılan gri demirin daha yeni bir çeşidi, grafitin şeklini sferoidlere veya nodüllere dönüştürmek için eser miktarda magnezyum ile özel olarak işlenir, stres konsantrasyonlarını azaltır ve malzemenin tokluğunu ve mukavemetini büyük ölçüde artırır.

Ferforje , %0,25'ten daha az karbon içerir, ancak ona lifli bir özellik kazandıran büyük miktarlarda cüruf içerir. Sert, dövülebilir bir üründür, ancak pik demir kadar eriyebilir değildir. Bir kenara honlanırsa, hızla kaybeder. Ferforje , metal içinde hapsolmuş ince cüruf liflerinin varlığı ile karakterize edilir. Dövme demir, çelikten daha korozyona dayanıklıdır. Geleneksel "dövme demir" ürünler ve demircilik için neredeyse tamamen yumuşak çelik ile değiştirilmiştir .

Hafif çelik, ferforjeden daha kolay paslanır, ancak daha ucuzdur ve daha yaygın olarak bulunur. Karbon çeliği , az miktarda manganez , kükürt , fosfor ve silikon ile birlikte %2.0 veya daha az karbon içerir. Alaşımlı çelikler , değişen miktarlarda karbonun yanı sıra krom , vanadyum , molibden , nikel, tungsten vb. Bununla birlikte, yaygın bir alaşımlı çelik paslanmaz çeliktir . Demirli metalurjideki son gelişmeler, " HSLA " olarak da adlandırılan, yüksek mukavemet ve genellikle olağanüstü tokluk minimum maliyetle üretmek için küçük eklemeler içeren, mikro alaşımlı çeliklerin artan bir yelpazesini üretmiştir .

Yüksek saflıkta element yapılarına sahip alaşımlar ( elektrolitik demir alaşımları gibi), özellikle süneklik , gerilme mukavemeti , tokluk , yorulma mukavemeti , ısı direnci ve korozyon direnci gibi geliştirilmiş özelliklere sahiptir .

Demir, geleneksel uygulamalarının yanı sıra iyonlaştırıcı radyasyondan korunmak için de kullanılmaktadır. Diğer bir geleneksel koruma malzemesi olan kurşundan daha hafif olmasına rağmen mekanik olarak çok daha güçlüdür. Radyasyonun enerjinin bir fonksiyonu olarak zayıflaması grafikte gösterilmiştir.

Demir ve çeliğin ana dezavantajı, saf demirin ve alaşımlarının çoğunun, bir şekilde korunmadığı takdirde pastan çok zarar görmesidir; bu, dünya ekonomisinin %1'inden fazlasına tekabül eden bir maliyettir. Boyama , galvanizleme , pasivasyon , plastik kaplama ve mavileştirme , su ve oksijeni dışarıda bırakarak veya katodik koruma ile demiri pastan korumak için kullanılır . Demirin paslanma mekanizması şu şekildedir:

Katot: 3 O ₂ + 6 H ₂ O + 12 e ^- → 12 OH ^-

Anot: 4 Fe → 4 Fe ²⁺ + 8 e ^- ; 4 Fe ²⁺ → 4 Fe ³⁺ + 4 e ^-

Toplam: 4 Fe + 3 O ₂ + 6 H ₂ O → 4 Fe ³⁺ + 12 OH ^- → 4 Fe(OH) ₃ veya 4 FeO(OH) + 4 H ₂ O

Elektrolit genellikle kentsel alanlarda demir (II) sülfattır (atmosferik kükürt dioksit demire saldırdığında oluşur) ve sahil bölgelerinde atmosferdeki tuz parçacıklarıdır.

Katalizörler ve reaktifler

Fe ucuz ve toksik olmadığından, Fe bazlı katalizörlerin ve reaktiflerin geliştirilmesi için çok çaba harcanmıştır . Bununla birlikte demir, ticari işlemlerde bir katalizör olarak daha pahalı metallerden daha az yaygındır. Biyolojide, Fe içeren enzimler yaygındır.

Demir katalizörler geleneksel olarak Haber–Bosch prosesinde amonyak üretimi için ve Fischer–Tropsch prosesinde karbon monoksitin yakıtlar ve yağlayıcılar için hidrokarbonlara dönüştürülmesi için kullanılır. Asidik ortamda toz haline getirilmiş demir, nitrobenzenin anilin'e dönüştürülmesi olan Bechamp indirgemesinde kullanılır .

demir bileşikleri

Alüminyum tozu ile karıştırılan demir (III) oksit , büyük demir parçaların ( raylar gibi) kaynağında ve cevherlerin saflaştırılmasında kullanılan bir termit reaksiyonu oluşturmak için ateşlenebilir . Kırmızımsı ve koyu sarı pigmentler olarak demir(III) oksit ve oksihidroksit kullanılmaktadır .

Demir (III) klorür , su arıtma ve kanalizasyon arıtmada , kumaş boyamada, boyalarda renklendirici madde olarak, hayvan yeminde katkı maddesi olarak ve baskılı devre kartlarının imalatında bakır için dağlayıcı olarak kullanım alanı bulur . Kanaryalarda kanamayı durdurmak için bir ilaç olarak kullanılan demir tentürünü oluşturmak için alkolde de çözülebilir .

Demir (II) sülfat , diğer demir bileşiklerinin öncüsü olarak kullanılır. Çimentodaki kromatı azaltmak için de kullanılır . Gıdaları güçlendirmek ve demir eksikliği anemisini tedavi etmek için kullanılır . Demir (III) sülfat , tank suyundaki küçük kanalizasyon partiküllerinin çökeltilmesinde kullanılır. Demir(II) klorür , indirgeyici topaklaştırıcı bir madde olarak, demir kompleksleri ve manyetik demir oksitlerin oluşumunda ve organik sentezde indirgeyici bir madde olarak kullanılır.

Sodyum nitroprussid damar genişletici olarak kullanılan bir ilaçtır . Dünya Sağlık Örgütü'nün Temel İlaçlar Listesi'nde yer almaktadır .

Biyolojik ve patolojik rol

Yaşam için demir gereklidir. Demir -kükürt kümeleri yaygındır ve biyolojik nitrojen fiksasyonundan sorumlu enzimler olan nitrojenazı içerir . Demir içeren proteinler, oksijenin taşınmasına, depolanmasına ve kullanımına katılır. Demir proteinleri elektron transferinde yer alır .

Daha yüksek organizmalardaki demir içeren proteinlerin örnekleri arasında hemoglobin, sitokrom ( yüksek değerlikli demire bakın ) ve katalaz bulunur . Ortalama bir yetişkin insan, vücut ağırlığının yaklaşık %0,005'i veya yaklaşık dört gram demir içerir; bunun dörtte üçü hemoglobindir - bu, insan vücudu hemoglobinini geri dönüştürdüğü için her gün yalnızca yaklaşık bir miligram demir emilmesine rağmen sabit kalan bir düzeydir. Demir içeriği için.

Demirin (II) oksidasyonu veya demirin (III) indirgenmesi mikrobiyal büyümeye yardımcı olabilir.

biyokimya

Demir kazanımı, aerobik organizmalar için bir sorun teşkil eder çünkü ferrik demir, nötr pH'a yakın yerlerde az çözünür. Bu nedenle, bu organizmalar demiri kompleksler halinde emmek için araçlar geliştirdiler, bazen demirli demiri tekrar ferrik demire oksitlemeden önce aldılar. Özellikle bakteriler, siderofor adı verilen çok yüksek afiniteli tecrit edici maddeler geliştirmiştir .

İnsan hücrelerinde alındıktan sonra , demir depolaması tam olarak düzenlenir. Bu düzenlemenin ana bileşeni , duodenumdan emilen demir iyonlarını bağlayan ve kanda hücrelere taşıyan protein transferrindir . Transferrin, bozulmuş bir oktahedronun ortasında, bir nitrojene, üç oksijene ve Fe3+ iyonunu yakalayan şelatlayıcı bir ^karbonat anyonuna bağlı Fe3 + ^{içerir :} o kadar yüksek bir stabilite sabitine sahiptir ki, Fe3'ü almada çok etkilidir ⁺ en kararlı komplekslerden bile iyonlar. ^{Kemik iliğinde, transferrin Fe 3+} ve Fe ²⁺ 'dan indirgenir ve hemoglobine dahil edilmek üzere ferritin olarak depolanır .

En yaygın olarak bilinen ve üzerinde çalışılan biyoinorganik demir bileşikleri (biyolojik demir molekülleri) heme proteinleridir : örnekler hemoglobin , miyoglobin ve sitokrom P450'dir . Bu bileşikler, gazların taşınmasına, enzimlerin oluşturulmasına ve elektronların aktarılmasına katılır . Metalloproteinler , metal iyonu kofaktörlerine sahip bir protein grubudur . Demir metaloproteinlerin bazı örnekleri, ferritin ve rubredoxin'dir . Katalaz , lipoksijenazlar ve IRE-BP gibi yaşam için hayati önem taşıyan birçok enzim demir içerir .

Hemoglobin, kırmızı kan hücrelerinde oluşan ve renklerine katkıda bulunan, arterlerdeki oksijeni akciğerlerden kaslara taşıyan ve burada enerji üreten glikozun metabolik oksidasyonu için gerekli olana kadar depolayan miyoglobine aktaran bir oksijen taşıyıcısıdır. . Burada hemoglobin , glikoz oksitlendiğinde üretilen ve hemoglobin (ağırlıklı olarak bikarbonat anyonları olarak) tarafından damarlar yoluyla ekshale edildiği akciğerlere geri taşınan karbondioksite bağlanır . Hemoglobinde demir, dört heme grubundan birindedir ve altı olası koordinasyon bölgesine sahiptir; dördü bir porfirin halkasındaki nitrojen atomları tarafından işgal edilmiştir , beşincisi heme grubuna bağlı protein zincirlerinden birinin histidin kalıntısındaki bir imidazol nitrojeni tarafından işgal edilmiştir ve altıncısı geri dönüşümlü olarak bağlanabildiği oksijen molekülü için ayrılmıştır. Hemoglobin oksijene bağlı olmadığında (ve daha sonra deoksihemoglobin olarak adlandırılır), hem grubunun merkezindeki (hidrofobik protein iç kısmında) Fe2 + iyonu ^yüksek dönüşlü bir konfigürasyondadır . Bu nedenle, bunun yerine yaklaşık 55 pikometre üzerinde Fe2 ⁺ iyonu ile bir kubbe şeklinde bükülen porfirin halkasının içine sığamayacak kadar büyüktür . Bu konfigürasyonda, oksijen için ayrılan altıncı koordinasyon bölgesi başka bir histidin kalıntısı tarafından bloke edilir.

Deoksihemoglobin bir oksijen molekülü aldığında, bu histidin kalıntısı uzaklaşır ve oksijen onunla bir hidrojen bağı oluşturmak üzere güvenli bir şekilde bağlandığında geri döner . Bu, Fe2 ⁺ iyonunun düşük dönüşlü bir konfigürasyona geçmesine neden olur ve iyonik yarıçapta %20'lik bir azalmayla sonuçlanır, böylece artık düzlemsel hale gelen porfirin halkasına sığabilir. (Ayrıca, bu hidrojen bağı, oksijen molekülünün eğilmesine neden olur, bu da yaklaşık 120°'lik bir Fe-O-O bağ açısına neden olur, bu da Fe-O-Fe veya Fe-O ₂ -Fe köprülerinin oluşmasını önler. elektron transferine, Fe2+'nın Fe3+'ya oksidasyonu ^{ve hemoglobinin} yok edilmesi.) Bu, hemoglobinin diğer alt birimlerinin daha büyük oksijen afinitesi olan bir forma dönüşmesine yol açan tüm protein zincirlerinin hareketine neden olur. Böylece, deoksihemoglobin oksijen aldığında daha fazla oksijene olan afinitesi artar ve bunun tersi de geçerlidir. Öte yandan, miyoglobin sadece bir hem grubu içerir ve bu nedenle bu kooperatif etki meydana gelmez. Bu nedenle, hemoglobin, akciğerlerde bulunan yüksek kısmi oksijen basınçlarında neredeyse oksijenle doymuşken, oksijene olan afinitesi, kas dokusunda bulunan düşük oksijen kısmi basınçlarında bile oksijenlenen miyoglobine göre çok daha düşüktür. Bohr etkisi ile tanımlandığı gibi (adını Niels Bohr'un babası Christian Bohr'dan almıştır ), hemoglobinin oksijen afinitesi karbondioksit varlığında azalır.

Karbon monoksit ve fosfor triflorür , hemoglobine oksijene benzer şekilde, ancak çok daha güçlü bir şekilde bağlandıkları için insanlar için zehirlidir, böylece oksijen artık vücutta taşınamaz. Karbon monoksite bağlı hemoglobin, karboksihemoglobin olarak bilinir . Bu etki aynı zamanda siyanürün toksisitesinde küçük bir rol oynar , ancak buradaki en büyük etki, elektron taşıma proteini sitokrom a'nın düzgün işleyişine müdahale etmesidir . Sitokrom proteinleri ayrıca hem gruplarını içerir ve glikozun oksijenle metabolik oksidasyonunda yer alır. Altıncı koordinasyon bölgesi daha sonra ya başka bir imidazol nitrojen ya da bir metiyonin kükürt tarafından işgal edilir, böylece bu proteinler oksijene karşı büyük ölçüde inerttir - doğrudan oksijene bağlanan ve bu nedenle siyanür tarafından çok kolay zehirlenen sitokrom a hariç. Burada elektron transferi, demir düşük dönüşte kaldığı ancak +2 ve +3 oksidasyon durumları arasında değiştiği için gerçekleşir. Her adımın indirgeme potansiyeli bir öncekinden biraz daha büyük olduğu için, enerji adım adım salınır ve böylece adenosin trifosfatta depolanabilir . Sitokrom a, mitokondriyal zarda meydana geldiği, doğrudan oksijene bağlandığı ve elektronların yanı sıra protonları aşağıdaki gibi taşıdığı için biraz farklıdır:

4 Cytc ²⁺ + O ₂ + 8H⁺
_içeride→ 4 Cytc ³⁺ + 2 H ₂ O + 4H⁺
_dışarıda

Hem proteinleri demir içeren proteinlerin en önemli sınıfı olmasına rağmen, demir-kükürt proteinleri de demir +2 veya +3 oksidasyon durumlarında kararlı bir şekilde var olabildiğinden mümkün olan elektron transferinde yer alarak çok önemlidir. Bunların her biri dört kükürt atomuna yaklaşık olarak dört yüzlü olarak koordine edilmiş bir, iki, dört veya sekiz demir atomu vardır; bu tetrahedral koordinasyon nedeniyle, her zaman yüksek spinli demire sahiptirler. Bu tür bileşiklerin en basiti, çevreleyen peptit zincirlerindeki sistein kalıntılarından dört kükürt atomuna koordine edilmiş yalnızca bir demir atomuna sahip olan rubredoxin'dir . Demir-kükürt proteinlerinin bir diğer önemli sınıfı, birden çok demir atomuna sahip olan ferredoksinlerdir . Transferrin bu sınıfların hiçbirine ait değildir.

Deniz midyelerinin okyanustaki kayalara tutunabilmeleri, protein açısından zengin kütiküllerinde organometalik demir bazlı bağların kullanılmasıyla kolaylaştırılır . Sentetik kopyalara dayanarak, bu yapılarda demirin varlığı, elastik modülü 770 kat, gerilme mukavemetini 58 kat ve tokluğu 92 kat artırdı. Onlara kalıcı hasar vermek için gereken stres miktarı 76 kat arttı.

Beslenme

Diyet

Demir yaygındır, ancak özellikle zengin diyet demir kaynakları arasında kırmızı et , istiridye , fasulye , kümes hayvanları , balık , yapraklı sebzeler , su teresi , tofu ve çörek otu pekmezi bulunur . Ekmek ve kahvaltılık tahıllar bazen özel olarak demirle takviye edilir.

Demir (II) sülfat daha ucuz olmasına ve eşit derecede iyi emilmesine rağmen, diyet takviyeleri tarafından sağlanan demir genellikle demir(II) fumarat olarak bulunur. Elemental demir veya indirgenmiş demir, yalnızca üçte bir ila üçte iki oranında emilmesine rağmen (demir sülfata göre), genellikle kahvaltılık tahıllar veya zenginleştirilmiş buğday unu gibi yiyeceklere eklenir. Demir, amino asitlere şelatlandığında vücutta en çok bulunur ve ayrıca yaygın bir demir takviyesi olarak kullanılabilir . En ucuz amino asit olan glisin , çoğunlukla demir glisinat takviyeleri üretmek için kullanılır.

Diyet önerileri

ABD Tıp Enstitüsü (IOM), 2001 yılında demir için Tahmini Ortalama Gereksinimleri (EAR'ler) ve Önerilen Diyet Ödeneklerini (RDA'lar) güncelledi. 14-18 yaş arası kadınlar için demir için mevcut EAR 7,9 mg/gün, 19-50 yaşları için 8,1'dir. ve bundan sonra 5.0 (menopoz sonrası). Erkekler için EAR, 19 yaş ve üstü için 6.0 mg/gün'dür. RDA, 15-18 yaş arası kadınlar için 15.0 mg/gün, 19-50 yaş arası kadınlar için 18.0 ve sonrasında 8.0 mg'dır. Erkekler için, 19 yaş ve üstü için 8.0 mg/gün. Ortalamadan daha yüksek gereksinimleri olan insanları kapsayacak miktarları belirlemek için BKA'lar EAR'lerden daha yüksektir. RDA gebelik için 27 mg/gün ve emzirme için 9 mg/gün'dür. 1-3 yaş arası çocuklar için 7 mg/gün, 4-8 yaş için 10 ve 9-13 yaş için 8 mg. Güvenliğe gelince, IOM ayrıca kanıtlar yeterli olduğunda vitaminler ve mineraller için Tolere Edilebilir üst alım seviyelerini (UL'ler) belirler. Demir durumunda UL 45 mg/gün olarak ayarlanmıştır. Toplu olarak EAR'ler, RDA'lar ve UL'ler Diyet Referans Alımları olarak adlandırılır .

Avrupa Gıda Güvenliği Otoritesi (EFSA), BKİ yerine Nüfus Referans Alımı (PRI) ve EAR yerine Ortalama Gereksinim ile birlikte, toplu bilgi kümesini Diyet Referans Değerleri olarak ifade eder. AI ve UL, Amerika Birleşik Devletleri'ndekiyle aynı şekilde tanımlandı. 15-17 yaş arası kadınlar için PRI 13 mg/gün, menopoz öncesi 18 yaş ve üstü kadınlar için 16 mg/gün ve menopoz sonrası 11 mg/gün'dür. Hamilelik ve emzirme için 16 mg/gün. 15 yaş ve üzerindeki erkekler için PRI 11 mg/gün'dür. 1 ila 14 yaş arası çocuklar için PRI günde 7'den 11 mg'a çıkar. PRI'lar, hamilelik haricinde, ABD BKA'larından daha yüksektir. EFSA aynı güvenlik sorusunu inceledi ve bir UL oluşturmadı.

Biberonla beslenen inek sütü olan bebekler demir takviyeleri gerektirebilir. Sık kan bağışçıları , düşük demir seviyeleri riski altındadır ve genellikle demir alımlarını takviye etmeleri önerilir.

ABD gıda ve besin takviyesi etiketleme amaçları için, bir porsiyondaki miktar Günlük Değerin yüzdesi (%DV) olarak ifade edilir. Demir etiketleme amaçları için Günlük Değerin %100'ü 18 mg idi ve 27 Mayıs 2016 itibariyle 18 mg'da değişmeden kaldı. Referans Günlük Alım'da eski ve yeni yetişkin günlük değerlerinin bir tablosu verilmektedir .

Eksiklik

Demir eksikliği, dünyadaki en yaygın beslenme eksikliğidir . Demir kaybı, yeterli diyet demir alımı ile yeterince telafi edilmediğinde, gizli bir demir eksikliği durumu meydana gelir ve bu durum, tedavi edilmezse zamanla yetersiz sayıda kırmızı kan hücresi ve yetersiz miktarda demir eksikliği ile karakterize edilen demir eksikliği anemisine yol açar. hemoglobin. Çocuklar, menopoz öncesi kadınlar (doğurganlık çağındaki kadınlar) ve yetersiz beslenmeye sahip kişiler hastalığa en duyarlıdır. Çoğu demir eksikliği anemisi vakası hafiftir, ancak tedavi edilmezse hızlı veya düzensiz kalp atışı, hamilelik sırasında komplikasyonlar ve bebeklerde ve çocuklarda büyüme gecikmesi gibi sorunlara neden olabilir.

Aşırı

Demir alımı , düzenli bir fizyolojik demir salgılama aracına sahip olmayan insan vücudu tarafından sıkı bir şekilde düzenlenir. Mukozal ve deri epitel hücrelerinin dökülmesi nedeniyle günlük olarak sadece küçük miktarlarda demir kaybedilir, bu nedenle demir seviyelerinin kontrolü öncelikle alımı düzenleyerek gerçekleştirilir. Bazı insanlarda demir alımının düzenlenmesi, kromozom 6 üzerindeki HLA-H gen bölgesiyle eşleşen ve demirin dolaşım sistemine girişinin ana düzenleyicisi olan hepsidin düzeylerinin anormal derecede düşük olmasına yol açan bir genetik kusurun sonucu olarak bozulur. memeliler Bu kişilerde aşırı demir alımı, tıbbi olarak hemokromatoz olarak bilinen aşırı demir yükü bozukluklarına neden olabilir . Pek çok insan, aşırı demir yüklenmesine karşı teşhis edilmemiş bir genetik duyarlılığa sahiptir ve sorunun aile öyküsünden haberdar değildir. Bu nedenle kişiler demir eksikliği yaşamadıkça ve doktora başvurmadıkça demir takviyesi almamalıdır . Kafkasyalıların tüm metabolik hastalıklarının %0,3 ila %0,8'inin nedeninin hemokromatoz olduğu tahmin edilmektedir.

Aşırı dozda alınan demir, kanda aşırı serbest demir seviyelerine neden olabilir. Kandaki yüksek seviyedeki serbest demir, peroksitlerle reaksiyona girerek DNA'ya , proteinlere , lipitlere ve diğer hücresel bileşenlere zarar verebilecek oldukça reaktif serbest radikaller üretir. Demir toksisitesi, hücre serbest demir içerdiğinde meydana gelir; bu genellikle demir seviyeleri , demiri bağlamak için transferrin mevcudiyetini aştığında ortaya çıkar. Gastrointestinal sistem hücrelerinin hasar görmesi, demir emilimini düzenlemelerini engelleyerek kan seviyelerinde daha fazla artışa yol açabilir. Demir tipik olarak kalp , karaciğer ve başka yerlerdeki hücrelere zarar vererek koma , metabolik asidoz , şok , karaciğer yetmezliği , koagülopati , uzun süreli organ hasarı ve hatta ölüm gibi yan etkilere neden olur . Vücut kütlesinin her kilogramı için demir 20 miligramı aştığında insanlar demir toksisitesi yaşarlar; Kilogram başına 60 miligram ölümcül bir doz olarak kabul ediliyor . Çoğu zaman çocukların yetişkinlerin tüketimine yönelik büyük miktarlarda demir sülfat tabletleri yemesinin bir sonucu olan aşırı demir tüketimi, altı yaşın altındaki çocuklarda en yaygın toksikolojik ölüm nedenlerinden biridir. Diyet Referans Alımı (DRI) , yetişkinler için Tolere Edilebilir Üst Alım Düzeyini (UL) 45 mg/gün olarak ayarlar. On dört yaşından küçük çocuklar için UL 40 mg/gün'dür.

Demir toksisitesinin tıbbi yönetimi karmaşıktır ve vücuttaki fazla demiri bağlamak ve atmak için deferoksamin adı verilen özel bir kenetleme maddesinin kullanımını içerebilir.

DEHB

Bazı araştırmalar, düşük talamik demir düzeylerinin DEHB patofizyolojisinde rol oynayabileceğini öne sürdü . Bazı araştırmacılar, demir takviyesinin, özellikle bozukluğun dikkatsiz alt tipinde etkili olabileceğini bulmuşlardır. Bir çalışma ayrıca, demirin DEHB ilaçlarıyla tedavi sırasında kardiyovasküler olay riskini azaltabileceğini göstermiştir.

2000'li yıllarda bazı araştırmacılar, kandaki düşük demir seviyeleri ile DEHB arasında bir bağlantı olduğunu öne sürdüler. 2012 yılında yapılan bir araştırma böyle bir korelasyon bulamadı.

Kanser

Demirin kanser savunmasındaki rolü, patolojik olmayan süreçlerdeki yaygın varlığı nedeniyle "iki ucu keskin kılıç" olarak tanımlanabilir. Kemoterapi gören kişilerde demir eksikliği ve anemi gelişebilir , bunun için demir seviyelerini eski haline getirmek için intravenöz demir tedavisi kullanılır. Yüksek miktarda kırmızı et tüketiminden kaynaklanabilecek aşırı demir yükü, tümör büyümesini başlatabilir ve özellikle kolorektal kanser olmak üzere kanser başlangıcına yatkınlığı artırabilir .

Deniz sistemleri

Demir, deniz sistemlerinde önemli bir rol oynar ve planktonik aktivite için sınırlayıcı bir besin maddesi olarak hareket edebilir. Bu nedenle, demirdeki çok fazla azalma, diatomlar gibi fitoplanktonik organizmalarda büyüme oranlarının düşmesine neden olabilir. Demir, demir açısından yüksek ve oksijen açısından düşük koşullar altında deniz mikropları tarafından da oksitlenebilir.

Demir, bitişik nehirler yoluyla ve doğrudan atmosferden deniz sistemlerine girebilir. Demir okyanusa girdikten sonra, okyanus karışımı ve hücresel düzeyde geri dönüşüm yoluyla su kolonu boyunca dağıtılabilir. Kuzey Kutbu'nda deniz buzu, demirin okyanusta depolanması ve dağıtılmasında önemli bir rol oynar, kışın donarken okyanus demirini tüketir ve yazın erime meydana geldiğinde tekrar suya bırakır. Demir döngüsü, birincil üreticiler için demirin mevcudiyetini değiştirerek, demirin sulu formlarından partikül formlarına kadar dalgalanabilir. Artan ışık ve sıcaklık, birincil üreticiler tarafından kullanılan formlardaki demir miktarını arttırır.

Ayrıca bakınız

• Dünyanın erişilebilir demir cevherinin %10'unun bulunduğu Bolivya'daki El Mutún
• Demir çelik endüstrisi
• demir döngüsü
• Demir nanopartikül
• Demir-platin nanoparçacık
• Demir gübreleme - fitoplankton büyümesini teşvik etmek için okyanusların önerilen gübreleme
• Demir oksitleyen bakteriler
• Demir üretimine göre ülkelerin listesi
• Peletleme - demir cevheri peletlerinin oluşturulması süreci
• paslanmaz demir
• Çelik

Referanslar

Kaynakça

daha fazla okuma

Dış bağlantılar

• Bu Elemental - Demir
• Periyodik Video Tablosunda Demir (Nottingham Üniversitesi )
• Metalürji Uzmanı Olmayanlar İçin Metalurji
• JB Calvert tarafından Demir