Fier

admin 0 Comments Articles

Fier

Ocurență, utilizări și proprietăți

Fierul reprezintă 5% din scoarța terestră și este al doilea ca abundență în rândul metalelor, după aluminiu, și al patrulea ca abundență în rândul elementelor, după oxigen, siliciu și aluminiu. Fierul, care este constituentul principal al miezului Pământului, este cel mai abundent element din întregul Pământ (aproximativ 35 la sută) și este relativ abundent în Soare și în alte stele. În crustă, metalul liber este rar, apărând sub formă de fier terestru (aliat cu 2-3 procente de nichel) în rocile bazaltice din Groenlanda și în sedimentele carbonatice din Statele Unite (Missouri) și sub formă de fier meteoric cu conținut scăzut de nichel (5-7 procente de nichel), kamacita. Nichel-fier, un aliaj nativ, se găsește în depozite terestre (21-64% fier, 77-34% nichel) și în meteoriți sub formă de taenit (62-75% fier, 37-24% nichel). (Pentru proprietățile mineralogice ale fierului nativ și ale nichel-fierului, vezi elemente native). Meteoriții sunt clasificați ca fiind de fier, de fier-pietre sau de piatră în funcție de proporția relativă a conținutului lor de fier și de minerale de silicați. De asemenea, fierul se găsește combinat cu alte elemente în sute de minerale; de cea mai mare importanță ca minereu de fier sunt hematita (oxid de fier, Fe2O3), magnetita (tetroxid de trifer, Fe3O4), limonita (hidroxid de oxid de fier hidratat, FeO(OH)∙nH2O) și siderita (carbonat feros, FeCO3). Rocile igoase au un conținut mediu de fier de aproximativ 5 %. Metalul se extrage prin topire cu carbon (cocs) și calcar. (Pentru informații specifice despre extracția și producția de fier, a se vedea prelucrarea fierului.)

Cantitatea medie de fier din corpul uman este de aproximativ 4,5 grame (aproximativ 0.004 la sută), din care aproximativ 65 la sută se află sub formă de hemoglobină, care transportă oxigenul molecular din plămâni în tot corpul; 1 la sută în diversele enzime care controlează oxidarea intracelulară; iar cea mai mare parte a restului este stocată în organism (ficat, splină, măduvă osoasă) pentru o conversie viitoare în hemoglobină. Carnea roșie, gălbenușul de ou, morcovii, fructele, grâul integral și legumele verzi contribuie în cea mai mare parte la cele 10-20 de miligrame de fier necesare în fiecare zi unui adult mediu. Pentru tratamentul anemiilor hipocromice (cauzate de deficitul de fier), se utilizează oricare dintre un număr mare de compuși organici sau anorganici de fier (de obicei feros).

Fierul, așa cum este disponibil în mod obișnuit, conține aproape întotdeauna cantități mici de carbon, care sunt preluate din cocs în timpul topiturii. Acestea îi modifică proprietățile, de la fontele dure și fragile care conțin până la 4 procente de carbon la oțelurile mai maleabile cu conținut scăzut de carbon care conțin mai puțin de 0,1 procente de carbon.

Se întâlnesc trei adevărați alotropi ai fierului în forma sa pură. Fierul Delta, caracterizat de o structură cristalină cubică centrată pe corp, este stabil peste o temperatură de 1.390 °C (2.534 °F). Sub această temperatură are loc o tranziție la fierul gamma, care are o structură cubică centrată pe față (sau cubică cu pachete apropiate) și este paramagnetic (capabil să fie doar slab magnetizat și doar atâta timp cât este prezent câmpul magnetizant); capacitatea sa de a forma soluții solide cu carbonul este importantă în fabricarea oțelului. La 910 °C (1.670 °F) se produce o tranziție la fier alfa paramagnetic, care are, de asemenea, o structură cubică centrată pe corp. La o temperatură mai mică de 773 °C (1.423 °F), fierul alfa devine feromagnetic (adică capabil să fie magnetizat permanent), ceea ce indică o modificare a structurii electronice, dar nu și a structurii cristaline. Peste 773 °C (punctul său Curie), își pierde cu totul feromagnetismul. Fierul alfa este un metal moale, ductil, lucios, alb-cenușiu, cu rezistență mare la tracțiune.

Fierul pur este destul de reactiv. În stare foarte fin divizată, fierul metalic este piroforic (adică se aprinde spontan). Se combină viguros cu clorul la încălzire ușoară și, de asemenea, cu o varietate de alte nemetale, inclusiv cu toți halogenii, sulful, fosforul, borul, carbonul și siliciul (fazele de carbură și siliciu joacă roluri importante în metalurgia tehnică a fierului). Fierul metalic se dizolvă ușor în acizi minerali diluați. Cu acizi neoxidanți și în absența aerului, se obține fier în starea de oxidare +2. În prezența aerului sau atunci când se utilizează acid azotic diluat cald, o parte din fier intră în soluție sub formă de ion Fe3+. Mediile foarte puternic oxidante – de exemplu, acidul azotic concentrat sau acizii care conțin dicromat – pasivizează totuși fierul (adică îi fac să își piardă activitatea chimică normală), la fel ca și cromul. Apa fără aer și hidroxizii diluați fără aer au un efect redus asupra metalului, dar acesta este atacat de hidroxidul de sodiu concentrat la cald.

Fierul natural este un amestec de patru izotopi stabili: fier-56 (91,66%), fier-54 (5,82%), fier-57 (2.19 la sută) și fier-58 (0,33 la sută).

Compușii de fier pot fi studiați profitând de un fenomen cunoscut sub numele de efect Mössbauer (fenomenul în care o rază gamma este absorbită și iradiată de un nucleu fără recul). Cu toate că efectul Mössbauer a fost observat pentru aproximativ o treime din elemente, în special pentru fier (și, într-o măsură mai mică, pentru staniu), efectul a reprezentat un instrument de cercetare important pentru chimist. În cazul fierului, efectul depinde de faptul că nucleul de fier-57 poate fi excitat la o stare de mare energie prin absorbția de radiații gamma cu o frecvență foarte bine definită, care este influențată de starea de oxidare, de configurația electronică și de mediul chimic al atomului de fier și care poate fi astfel utilizată ca o sondă a comportamentului chimic al acestuia. Efectul Mössbauer pronunțat al fierului-57 a fost folosit pentru studierea magnetismului și a derivaților hemoglobinei și pentru realizarea unui ceas nuclear foarte precis.

.