Iron

admin 0 Comments Articles

Iron

voorkomen, gebruik en eigenschappen

Iron maakt 5 procent uit van de aardkorst en is na aluminium het tweede in overvloed onder de metalen en na zuurstof, silicium en aluminium het vierde in overvloed onder de elementen. IJzer, het hoofdbestanddeel van de aardkern, is het meest voorkomende element in de aarde als geheel (ongeveer 35 procent) en is relatief overvloedig in de zon en andere sterren. In de korst is het vrije metaal zeldzaam, het komt voor als terrestrisch ijzer (gelegeerd met 2-3 procent nikkel) in basaltische gesteenten in Groenland en koolstofhoudende sedimenten in de Verenigde Staten (Missouri) en als meteorisch ijzer met een laag nikkelgehalte (5-7 procent nikkel), kamaciet. Nikkel-ijzer, een natieve legering, komt voor in terrestrische afzettingen (21-64 procent ijzer, 77-34 procent nikkel) en in meteorieten als taeniet (62-75 procent ijzer, 37-24 procent nikkel). (Voor mineralogische eigenschappen van natief ijzer en nikkel-ijzer, zie natieve elementen.) Meteorieten worden geclassificeerd als ijzer, ijzer-steen, of steenachtig volgens de relatieve verhouding van hun ijzer en silicaat-mineraal inhoud. IJzer wordt ook gevonden in combinatie met andere elementen in honderden mineralen; van het grootste belang als ijzererts zijn hematiet (ijzeroxide, Fe2O3), magnetiet (triijzertetroxide, Fe3O4), limoniet (gehydrateerd ijzeroxidehydroxide, FeO(OH)∙nH2O), en sideriet (ijzerhoudend carbonaat, FeCO3). Igneuze gesteenten bevatten gemiddeld ongeveer 5 procent ijzer. Het metaal wordt gewonnen door smelten met koolstof (cokes) en kalksteen. (Voor specifieke informatie over de winning en productie van ijzer, zie ijzerverwerking.)

De gemiddelde hoeveelheid ijzer in het menselijk lichaam bedraagt ongeveer 4,5 gram (ongeveer 0.004 procent), waarvan ongeveer 65 procent in de vorm van hemoglobine, dat moleculaire zuurstof vanuit de longen door het lichaam transporteert; 1 procent in de verschillende enzymen die de intracellulaire oxidatie regelen; en het grootste deel van de rest opgeslagen in het lichaam (lever, milt, beenmerg) voor toekomstige omzetting in hemoglobine. Rood vlees, eigeel, wortelen, fruit, volkoren en groene groenten leveren het grootste deel van de 10-20 milligram ijzer die de gemiddelde volwassene dagelijks nodig heeft. Voor de behandeling van hypochrome anemie (veroorzaakt door ijzertekort) wordt een groot aantal organische of anorganische ijzerverbindingen (gewoonlijk ijzerhoudende) gebruikt.

IJzer, zoals algemeen verkrijgbaar, bevat bijna altijd kleine hoeveelheden koolstof, die tijdens het smelten aan de cokes worden onttrokken. Deze veranderen de eigenschappen, van harde en brosse gietijzers die tot 4 procent koolstof bevatten tot meer kneedbaar staal met een laag koolstofgehalte dat minder dan 0,1 procent koolstof bevat.

Drie echte allotropen van ijzer in zijn pure vorm komen voor. Delta-ijzer, gekenmerkt door een kubische kristalstructuur met een centrum van het lichaam, is stabiel boven een temperatuur van 1.390 °C. Onder deze temperatuur vindt een overgang plaats naar gamma-ijzer, dat een face-centred cubic (of cubic close-packed) structuur heeft en paramagnetisch is (in staat om slechts zwak gemagnetiseerd te zijn en alleen zolang het magnetiseerveld aanwezig is); zijn vermogen om vaste oplossingen te vormen met koolstof is belangrijk bij de staalfabricage. Bij 910 °C is er een overgang naar paramagnetisch alfa-ijzer, dat ook kubisch van structuur is. Onder 773 °C wordt alfa-ijzer ferromagnetisch (d.w.z. permanent magnetiseerbaar), wat wijst op een verandering in de elektronische structuur maar niet in de kristalstructuur. Boven 773 °C (het Curie-punt) verliest het zijn ferromagnetisme volledig. Alfa ijzer is een zacht, buigzaam, glanzend, grijswit metaal met hoge treksterkte.

Puur ijzer is vrij reactief. In zeer fijn verdeelde toestand is metallisch ijzer pyrofoor (d.w.z. het ontbrandt spontaan). Het verbindt zich sterk met chloor bij lichte verhitting en ook met een verscheidenheid van andere niet-metalen, met inbegrip van alle halogenen, zwavel, fosfor, boor, koolstof en silicium (de carbide en silicide fasen spelen een belangrijke rol in de technische metallurgie van ijzer). Metallisch ijzer lost gemakkelijk op in verdunde minerale zuren. Met niet-oxiderende zuren en in afwezigheid van lucht wordt ijzer in de oxidatietoestand +2 verkregen. Bij aanwezigheid van lucht of bij gebruik van warm verdund salpeterzuur komt een deel van het ijzer in oplossing als het Fe3+-ion. Zeer sterk oxiderende media – bijvoorbeeld geconcentreerd salpeterzuur of zuren die dichromaat bevatten – passiveren ijzer echter (d.w.z. dat het zijn normale chemische activiteit verliest), net zoals chroom. Luchtvrij water en verdunde luchtvrije hydroxiden hebben weinig effect op het metaal, maar het wordt aangevallen door heet geconcentreerd natriumhydroxide.

Natuurlijk ijzer is een mengsel van vier stabiele isotopen: ijzer-56 (91,66 procent), ijzer-54 (5,82 procent), ijzer-57 (2.19 procent), en ijzer-58 (0,33 procent).

Ironverbindingen kunnen worden bestudeerd door gebruik te maken van een verschijnsel dat bekend staat als het Mössbauer-effect (het verschijnsel waarbij een gammastraal door een kern wordt geabsorbeerd en teruggestraald zonder terugslag). Hoewel het Mössbauer effect bij ongeveer een derde van de elementen is waargenomen, is het vooral bij ijzer (en in mindere mate tin) dat dit effect een belangrijk onderzoekinstrument voor de chemicus is geweest. In het geval van ijzer berust het effect op het feit dat de kern van ijzer-57 kan worden geëxciteerd tot een hoge energietoestand door de absorptie van gammastraling met een zeer scherp bepaalde frequentie die wordt beïnvloed door de oxidatietoestand, de elektronenconfiguratie en de chemische omgeving van het ijzeratoom en dus kan worden gebruikt als een sonde van het chemische gedrag ervan. Het uitgesproken Mössbauer-effect van ijzer-57 is gebruikt voor het bestuderen van magnetisme en hemoglobinederivaten en voor het maken van een zeer nauwkeurige nucleaire klok.