Järn

admin 0 Comments Articles

Järn

Förekomst, användning och egenskaper

Järn utgör 5 procent av jordskorpan och är näst vanligast bland metallerna efter aluminium och fjärde vanligast bland grundämnena efter syre, kisel och aluminium. Järn, som är huvudbeståndsdelen i jordens kärna, är det vanligaste grundämnet i jorden som helhet (cirka 35 procent) och är relativt rikligt förekommande i solen och andra stjärnor. I jordskorpan är den fria metallen sällsynt och förekommer som jordiskt järn (legerat med 2-3 procent nickel) i basaltiska bergarter på Grönland och kolhaltiga sediment i USA (Missouri) och som ett nickelfattigt meteoriskt järn (5-7 procent nickel), kamakit. Nickeljärn, en inhemsk legering, förekommer i terrestriska avlagringar (21-64 procent järn, 77-34 procent nickel) och i meteoriter som taenit (62-75 procent järn, 37-24 procent nickel). (För mineralogiska egenskaper hos naturligt järn och nickel-järn, se naturliga grundämnen .) Meteoriter klassificeras som järn, järnsten eller steniga enligt den relativa andelen av deras innehåll av järn- och silikatmineraler. Järn finns också kombinerat med andra grundämnen i hundratals mineraler; av största betydelse som järnmalm är hematit (järnoxid, Fe2O3), magnetit (trijärntetroxid, Fe3O4), limonit (hydratiserad järnoxidhydroxid, FeO(OH)∙nH2O) och siderit (järnkarbonat, FeCO3). Igneösa bergarter har en genomsnittlig järnhalt på cirka 5 procent. Metallen utvinns genom smältning med kol (koks) och kalksten. (För specifik information om brytning och produktion av järn, se järnförädling.)

Den genomsnittliga järnmängden i människokroppen är cirka 4,5 gram (cirka 0.004 procent), varav cirka 65 procent finns i form av hemoglobin, som transporterar molekylärt syre från lungorna genom hela kroppen, 1 procent i de olika enzymerna som kontrollerar intracellulär oxidation och det mesta av resten lagras i kroppen (lever, mjälte, benmärg) för framtida omvandling till hemoglobin. Rött kött, äggula, morötter, frukt, fullkorn och gröna grönsaker bidrar med merparten av de 10-20 milligram järn som en genomsnittlig vuxen person behöver varje dag. För behandling av hypokroma anemier (orsakade av järnbrist) används någon av ett stort antal organiska eller oorganiska järnföreningar (vanligen järnhaltiga).

Järn, så som det är allmänt tillgängligt, innehåller nästan alltid små mängder kol, som plockas upp från koks under smältningen. Dessa ändrar dess egenskaper, från hårda och spröda gjutjärn som innehåller upp till 4 procent kol till mer formbara stål med lågt kolinnehåll som innehåller mindre än 0,1 procent kol.

Tre sanna allotroper av järn i ren form förekommer. Deltajärn, som kännetecknas av en kroppscentrerad kubisk kristallstruktur, är stabilt över en temperatur på 1 390 °C (2 534 °F). Under denna temperatur sker en övergång till gammajärn, som har en ytcentrerad kubisk (eller kubisk nära packad) struktur och är paramagnetiskt (kan endast vara svagt magnetiserat och endast så länge som det magnetiserande fältet är närvarande); dess förmåga att bilda fasta lösningar med kol är viktig vid ståltillverkning. Vid 910 °C (1 670 °F) sker en övergång till paramagnetiskt alfajärn, som också har en kroppscentrerad kubisk struktur. Under 773 °C (1 423 °F) blir alfajärn ferromagnetiskt (dvs. kan permanent magnetiseras), vilket tyder på en förändring av den elektroniska strukturen men ingen förändring av kristallstrukturen. Över 773 °C (Curiepunkten) förlorar det sin ferromagnetism helt och hållet. Alfajärn är en mjuk, formbar, glänsande, gråvit metall med hög draghållfasthet.

Rent järn är ganska reaktivt. I mycket finfördelat tillstånd är metalliskt järn pyroforiskt (dvs. det antänds spontant). Det kombineras kraftigt med klor vid mild uppvärmning och även med en mängd andra icke-metaller, inklusive alla halogener, svavel, fosfor, bor, kol och kisel (karbid- och silicidfaserna spelar viktiga roller i den tekniska metallurgin av järn). Metalliskt järn löser sig lätt i utspädda mineralsyror. Med icke oxiderande syror och i frånvaro av luft erhålls järn i oxidationstillstånd +2. I närvaro av luft eller när varm utspädd salpetersyra används går en del av järnet i lösning som Fe3+-jonen. Mycket starkt oxiderande medier – till exempel koncentrerad salpetersyra eller syror som innehåller dikromat – passiviserar dock järn (dvs. får det att förlora sin normala kemiska aktivitet) på samma sätt som krom. Luftfritt vatten och utspädda luftfria hydroxider har liten effekt på metallen, men den angrips av varm koncentrerad natriumhydroxid.

Naturligt järn är en blandning av fyra stabila isotoper: järn-56 (91,66 procent), järn-54 (5,82 procent), järn-57 (2.19 procent) och järn-58 (0,33 procent).

Järnföreningar kan studeras genom att utnyttja ett fenomen som kallas Mössbauer-effekten (fenomenet att en gammastråle absorberas och återstrålas av en kärna utan rekyl). Även om Mössbauer-effekten har observerats för ungefär en tredjedel av grundämnena är det särskilt för järn (och i mindre utsträckning tenn) som effekten har varit ett viktigt forskningsverktyg för kemister. När det gäller järn beror effekten på det faktum att järn-57-kärnan kan exciteras till ett högt energitillstånd genom absorption av gammastrålning med en mycket skarpt definierad frekvens som påverkas av järnatomens oxidationstillstånd, elektronkonfiguration och kemiska miljö och som därför kan användas som en sond för att mäta dess kemiska beteende. Den tydliga Mössbauer-effekten hos järn-57 har använts för att studera magnetism och hemoglobinderivat och för att göra en mycket exakt kärnklocka.