철 (원소) : 특성, 화학 구조, 용도 - 화학 - 2026

철 화학 기호에 의해 표시되는 전이 8 족 또는 VIIIB 주기율표에 속하는 금속 및 철이다. 사람에게 유용한 다양한 애플리케이션에 사용되는 금속 회색, 연성, 전성 및 고강도가요 그리고 사회.

지각의 5 %를 차지하며 알루미늄 다음으로 두 번째로 풍부한 금속입니다. 또한 산소와 실리콘이 풍부합니다. 그러나 지구의 핵과 관련하여 35 %는 금속과 액체 철로 구성되어 있습니다.

Alchemist-hp (토론) (www.pse-mendelejew.de)

지구 핵 밖에서는 습한 공기에 노출되면 빠르게 산화되기 때문에 철은 금속 형태로 발견되지 않습니다. 현무암, 석탄기 퇴적물 및 운석에 위치합니다. 일반적으로 광물 kamacite에서와 같이 니켈과 합금됩니다.

마이닝에 사용되는 주요 철 광물은 다음과 같다 : 산화철 (산화철), 철 (Fe ₂ O ₃ ), 마그네타이트 (ferrosomeric 산화물), 철 (Fe ₃ O ₄ ) 갈철광 (수화 산화철 수산화물) 및 사이드 라이트 (탄산 철, FeCO ₃ ).

평균적으로 사람의 철분 함량은 4.5g이며,이 중 65 %는 헤모글로빈 형태입니다. 이 단백질은 미오글로빈과 뉴로 글로빈에 의한 후속 흡수를 위해 혈액 속의 산소 수송과 다른 조직으로의 분포에 관여합니다.

인간에게 철의 많은 이점에도 불구하고 과도한 금속은 특히 간, 심혈 관계 및 췌장에 매우 심각한 독성 작용을 일으킬 수 있습니다. 유전병 혈색소증의 경우입니다.

철은 건설, 힘, 전쟁의 대명사입니다. 다른 한편으로, 그것의 풍부함 때문에, 그것은 항상 새로운 물질, 촉매, 약물 또는 폴리머의 개발에 관해서 고려할 대안입니다. 녹의 붉은 색에도 불구하고 환경 친화적 인 금속입니다.

역사

유물

철은 수천년 동안 가공되었습니다. 그러나 부식에 취약하여 파괴를 일으키는 고대의 철 물체를 찾기가 어렵습니다. 가장 오래된 것으로 알려진 철 물체는 운석에서 발견 된 것으로 만들어졌습니다.

기원전 3500 년에 이집트의 게르 자에서 발견 된 구슬과 투탕카멘의 무덤에서 발견 된 단검의 경우입니다. 철 운석은 니켈 함량이 높기 때문에 이러한 물체에서 출처를 확인할 수 있습니다.

주철의 증거는 기원전 3000 년부터 2700 년까지 시리아의 Asmar, Mesopotamia 및 Tail Chagar Bazaar에서도 발견되었습니다. 철 주조는 청동기 시대에 시작되었지만 청동을 대체하는 데 수세기가 걸렸습니다.

또한 주철 유물은 기원전 1800 년에서 1200 년 사이 인도와 기원전 1500 년경 레반트에서 발견되었습니다. 철기 시대는 기원전 1000 년에 생산 비용이 감소하면서 시작된 것으로 생각됩니다.

기원전 700 년에서 500 년 사이에 중국에서 나타나며 아마도 중앙 아시아를 통해 운송되었을 것입니다. 최초의 철 물체는 중국의 Luhe Jiangsu에서 발견되었습니다.

유럽

단철은 이른바 갈라 단조를 사용하여 유럽에서 생산되었습니다. 이 과정에서는 석탄을 연료로 사용해야했습니다.

중세 용광로는 3.0m 높이였으며 내화 벽돌로 만들어졌으며 공기는 수동 벨로우즈로 공급되었습니다. 1709 년 Abraham Darby는 숯을 대체하여 용철을 생산하기 위해 코크스 고로를 설립했습니다.

값싼 철의 가용성은 산업 혁명을 이끈 요인 중 하나였습니다. 이 기간에 선철을 단철로 정제하여 교량, 선박, 창고 등을 건설하는 데 사용되었습니다.

강철

강철은 연철보다 더 높은 탄소 농도를 사용합니다. 강철은 기원전 1000 년에 페르시아의 루리 스탄에서 생산되었습니다. 탄소없이 철근을 생산하는 새로운 방법이 산업 혁명에서 고안되었으며 나중에 강철을 생산하는 데 사용되었습니다.

1850 년대 후반에 Henry Bessemer는 연강을 생산하기 위해 용융 된 선철에 공기를 불어 넣어 철강 생산을보다 경제적으로 만들었습니다. 이로 인해 연철 생산량이 감소했습니다.

속성

외관

칙칙한 색조의 메탈릭 광택.

원자량

55,845 u.

원자 번호 (Z)

26

녹는 점

1,533ºC

비점

2,862ºC

밀도

-주위 온도 : 7.874g / mL.

-융점 (액체) : 6.980g / mL.

융합 열

13.81 kJ / 몰

기화열

340 kJ / 몰

몰 칼로리 용량

25.10 J / (몰 K)

이온화 에너지

-첫 번째 이온화 수준 : 762.5 kJ / mol (Fe ⁺ 기체)

-2 차 이온화 레벨 : 1,561.9 kJ / mol (Fe ²⁺ 기체)

-세 번째 이온화 수준 : 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ 기체)

전기 음성도

1.83 폴링 척도

원자 라디오

경험적 오후 126

열 전도성

80.4W / (mK)

전기 저항

96.1 Ω · m (20ºC에서)

퀴리 포인트

약 770 ° C. 이 온도에서 철은 더 이상 강자성이 아닙니다.

동위 원소

안정 동위 원소 : ⁵⁴ Fe, 5.85 % 풍부; ⁵⁶ Fe, 91.75 %의 풍부함; ⁵⁷ Fe, 2.12 %의 풍부함; 및 ⁵⁷ Fe, 0.28 %의 풍부함. 마찬가지로 ⁵⁶ 의 Fe가 가장 안정적인 동위 원소 풍부하고, 철의 원자량이 매우 가까운 56 U 것이 놀랍지 않다.

방사성 동위 원소는 ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe 및 ⁶⁰ Fe입니다.

구조 및 전자 구성

-Allropes

실온에서 철은 α-Fe 또는 페라이트 (야금 전문 용어 내)로도 알려진 체심 입방 구조 (bcc)에서 결정화됩니다. 온도와 압력의 함수로 다른 결정 구조를 채택 할 수 있기 때문에 철은 동 소성 금속이라고합니다.

동소체 bcc는 일반 철 (강자성)으로 사람들이 잘 알고 자석에 끌리는 철입니다. 771ºC 이상으로 가열되면 상자성이되고 결정이 팽창 할 뿐이지 만이 "새로운 상"은 이전에 β-Fe로 간주되었습니다. 철의 다른 동소체도 상자성입니다.

910ºC에서 1394ºC 사이에서 철은 오스테 나이트 또는 γ-Fe 동소체로 발견되며 구조는면 중심 입방체 fcc입니다. 오스테 나이트와 페라이트의 전환은 제강에 큰 영향을 미칩니다. 탄소 원자는 페라이트보다 오스테 나이트에 더 잘 용해되기 때문입니다.

그리고 녹는 점 (1538 ℃)까지 1394 ℃ 이상에서 철은 다시 bcc 구조 인 δ-Fe를 채택합니다. 그러나 페라이트와 달리이 동소체는 상자성입니다.

엡실론 철

섭씨 수백도의 온도에서 압력을 10GPa로 증가시킴으로써 α 또는 페라이트 동소체는 ε 동소체, 엡실론으로 진화하며, 이는 조밀 한 육각형 구조로 결정화되는 특징이 있습니다. 즉, 가장 조밀 한 Fe 원자를 사용합니다. 이것은 철의 네 번째 동소체 형태입니다.

일부 연구는 그러한 압력 하에서 그러나 더 높은 온도에서 다른 철 동소체의 존재 가능성에 대해 이론화합니다.

-금속 링크

철 동소체와 Fe 원자를 "흔드는"온도, 또는 이들을 압축시키는 압력에 관계없이, 그들은 동일한 원자가 전자로 서로 상호 작용합니다. 다음은 전자 구성에 표시된 것입니다.

3d ⁶ 4s ²

따라서 동 소성 전이 중에 약화되거나 강화 되든 금속 결합에 참여하는 8 개의 전자가 있습니다. 마찬가지로 열전도도 또는 전기 전도도와 같은 철의 특성을 정의하는 것은이 8 개의 전자입니다.

-산화 번호

철의 가장 중요한 (그리고 일반적인) 산화수는 +2 (Fe ²⁺ )와 +3 (Fe ³⁺ )입니다. 사실, 기존의 명명법에서는이 두 숫자 또는 상태 만 고려합니다. 그러나 철이 다른 수의 전자를 얻거나 잃을 수있는 화합물이 있습니다. 즉, 다른 양이온의 존재를 가정합니다.

예를 들어 철은 +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) 및 +7 (Fe ^{7 +} ). 음이온 철산 염 종인 FeO ₄ ^2- 는 4 개의 산소 원자가 그 정도까지 산화 시켰기 때문에 산화수가 +6 인 철을 가지고 있습니다.

마찬가지로 철은 음의 산화수를 가질 수 있습니다. 예컨대 : 27 FE ( ^4- ) -2 FE ( ² ) -1 (철 ^- ). 그러나 이러한 전자 이득을 가진 철 중심을 가진 화합물은 매우 드뭅니다. 그렇기 때문에 망간을 능가하지만 후자는 산화 상태 범위에서 훨씬 더 안정적인 화합물을 형성합니다.

그 결과 실제 목적을 위해 Fe ²⁺ 또는 Fe ³⁺ 를 고려하는 것으로 충분합니다 . 다른 양이온은 특정 이온 또는 화합물을 위해 예약되어 있습니다.

어떻게 얻습니까?

철의 가장 중요한 합금 인 강철 장식품. 출처 : Pxhere.

원료 수집

우리는 철광석 채굴에 가장 적합한 광물의 위치로 이동해야합니다. 이를 얻기 위해 가장 많이 사용되는 미네랄은 적철광 (Fe ₂ O ₃ ), 마그네타이트 (Fe ₃ O ₄ ), 갈철광 (FeO · OH · nH ₂ O) 및 사이드 라이트 (FeCO ₃ )입니다.

그런 다음 추출의 첫 번째 단계는 철광석으로 암석을 수집하는 것입니다. 이 암석은 분쇄되어 작은 조각으로 나뉩니다. 그 후, 철광석으로 암석 조각을 선택하는 단계가 있습니다.

선택에는 두 가지 전략이 따른다 : 자기장 사용과 수중 침전. 암석 조각은 자기장에 노출되고 광물 조각은 그 안에 배향되어 분리 될 수 있습니다.

두 번째 방법에서는 암석 조각을 물에 버리고 철이 포함 된 조각은 더 무겁기 때문에 물의 바닥에 가라 앉아 물이 가볍기 때문에 맥석이 물의 윗부분에 남게됩니다.

고로

강철이 생산되는 용광로. 출처 : Pixabay.

철광석은 용광로로 이송되어 연료 및 탄소 공급자 역할을하는 점결탄과 함께 버려집니다. 또한 석회암 또는 석회암이 추가되어 플럭스 기능을 수행합니다.

이전 혼합물과 함께 용광로는 1,000ºC의 뜨거운 공기를 주입합니다. 철은 석탄의 연소에 의해 녹아 온도가 1,800ºC로 올라갑니다. 일단 액체가되면 선철이라고 불리며 오븐 바닥에 축적됩니다.

선철을 용광로에서 꺼내 용기에 부어 새로운 주물로 운반합니다. 선철 표면에있는 불순물 인 슬래그는 버립니다.

선철은 래들을 사용하여 전로로에 부어지고 석회석을 플럭스로 사용하고 산소는 고온에서 도입됩니다. 따라서 탄소 함량이 감소하여 선철을 정제하여 강철로 만듭니다.

그 후, 강철은 특수강 생산을 위해 전기로를 통과합니다.

응용

-금속 철

영국의 철교는 철 또는 그 합금으로 만들어진 많은 건축물 중 하나입니다. 출처 : 기계 판독 가능 작성자가 제공되지 않았습니다. Jasonjsmith가 가정했습니다 (저작권 주장에 따라).

부식에 강한 저비용, 가단성, 연성 금속이기 때문에 다양한 형태의 단조, 주물, 강철 등 인간에게 가장 유용한 금속이되었습니다.

철은 다음의 구성에 사용됩니다.

-다리

-건물 기초

-문과 창문

-보트 선체

-다른 도구

-식수 배관

-폐수 수집 용 튜브

-정원용 가구

-가정 보안 용 그릴

또한 냄비, 프라이팬, 나이프, 포크와 같은 가정 용품 생산에도 사용됩니다. 또한 냉장고, 스토브, 세탁기, 식기 세척기, 블렌더, 오븐, 토스터 제조에 사용됩니다.

요컨대, 철은 사람을 둘러싼 모든 물체에 존재합니다.

나노 입자

금속 철은 또한 반응성이 높고 거시적 고체의 자기 특성을 유지하는 나노 입자로 제조됩니다.

이러한 Fe 구체 (및 여러 추가 형태)는 유기 염소 화합물의 물을 정화하는 데 사용되며 자기장의 적용을 통해 신체의 특정 영역에 전달되는 약물 운반체로 사용됩니다.

또한 탄소 결합 CC가 끊어지는 반응에서 촉매 지지체 역할을 할 수 있습니다.

-철 화합물

산화물

철 산화물, FeO는 결정의 안료로 사용됩니다. 산화철 인 Fe ₂ O ₃ 는 베네치아 적색으로 알려진 황색에서 적색에 이르는 일련의 안료의 기본입니다. 루즈라고 불리는 빨간색 모양은 귀금속과 다이아몬드를 연마하는 데 사용됩니다.

Ferro-ferric oxide, Fe ₃ O ₄ 는 특정 컴퓨터 메모리 및 자기 테이프 코팅에 사용할 수있는 높은 자기 접근성 및 전기 저항성을 가진 물질 인 페라이트에 사용됩니다. 또한 안료 및 연마제로도 사용되었습니다.

황산염

황산 제 1 철 7 수화물 인 FeSO ₄ · 7H ₂ O는 가장 일반적인 형태의 황산 제 1 철이며, 그린 비 트리 올 또는 구리 라로 알려져 있습니다. 환원제로 사용되며 잉크, 비료 및 살충제 제조에 사용됩니다. 또한 철의 전기 도금에도 사용됩니다.

황산 철은 철 ₂ (SO ₄ ) ₃ , 철 명반 등의 철 화합물을 얻기 위해 사용된다. 폐수 정화에 응고제 역할을하고 직물 염색에 매염제 역할을합니다.

염화물

염화철 FeCl ₂ 는 매염제 및 환원제로 사용됩니다. 한편, 염화 제이철, 50ml을 ₃ 금속 (은, 구리)과 일부 유기 화합물의 염소 화제로서 사용된다.

Fe ³⁺ 를 hexocyanoferrate 이온 ^{-4로 처리} 하면 페인트와 래커에 사용되는 Prussian blue라고 불리는 파란색 침전물이 생성됩니다.

철분 식품

조개는 철분이 풍부한 식품입니다. 출처 : Pxhere.

일반적으로 철분 섭취량은 18mg / 일이 권장됩니다. 매일 식단에서 제공하는 음식은 다음과 같습니다.

조개류는 헴 형태의 철분을 제공하므로 장내 흡수를 억제하지 않습니다. 조개는 100g 당 최대 28mg의 철분을 제공합니다. 그러므로이 양의 조개는 매일의 철분을 공급하기에 충분할 것입니다.

시금치는 100g 당 3.6mg의 철분을 함유하고 있습니다. 송아지 간과 같은 쇠고기 내장에는 100g 당 6.5mg의 철분이 포함되어 있습니다. 혈액 소시지의 기여도는 다소 높을 수 있습니다. 혈액 소시지는 소장의 일부로 구성되며 소피로 채워진다.

렌즈 콩과 같은 콩류에는 198g 당 6.6mg의 철분이 포함되어 있습니다. 붉은 고기에는 100g 당 2.7mg의 철분이 포함되어 있습니다. 호박 씨앗에는 28g 당 4.2mg이 들어 있습니다. 퀴 노아는 185g 당 2.8mg의 철분을 함유하고 있습니다. 칠면조의 검은 고기에는 100g 당 2.3mg이 들어 있습니다. 브로콜리는 156mg 당 2.3mg을 함유하고 있습니다.

두부는 126g 당 3.6mg을 함유하고 있습니다. 한편 다크 초콜릿에는 28g 당 3.3mg이 들어 있습니다.

생물학적 역할

철이 수행하는 기능, 특히 척추 동물의 기능은 무수히 많습니다. 300 개 이상의 효소가 기능을 위해 철분을 필요로하는 것으로 추정됩니다. 그것을 사용하는 효소와 단백질 중 다음과 같이 명명됩니다.

-헴 그룹이 있고 효소 활성이없는 단백질 : 헤모글로빈, 미오글로빈 및 뉴로 글로빈.

-전자 수송에 관여하는 헴 그룹을 가진 효소 : 사이토 크롬 a, b, f, 사이토 크롬 산화 효소 및 / 또는 산화 효소 활성; sulfite oxidase, cytochrome P450 oxidase, myeloperoxidase, peroxidase, catalase 등

-에너지 생산에 관여하는 옥시 리덕 타제 활동과 관련된 철-황을 함유하는 단백질 : 석시 네이트 탈수소 효소, 이소 시트 레이트 탈수소 효소 및 아코 니타 제 또는 DNA 복제 및 복구와 관련된 효소 : DNA- 중합 효소 및 DNA- 나 선체.

-철을 촉매 활성의 보조 인자로 사용하는 비헴 효소 : 페닐알라닌 가수 분해 효소, 티로신 가수 분해 효소, 트립토판 가수 분해 효소 및 라이신 가수 분해 효소.

-철의 수송과 저장을 담당하는 비헴 단백질 : 페리틴, 트랜스페린, 합 토글 로빈 등

위험

독성

과도한 철분 노출로 인한 위험은 급성 또는 만성 일 수 있습니다. 급성 철 중독의 원인 중 하나는 글루코 네이트, 푸마 레이트 등의 형태로 철 정제를 과도하게 섭취하는 것입니다.

철분은 장 점막에 자극을 줄 수 있으며, 그 불편 함은 섭취 직후 나타나고 6 ~ 12 시간 후에 사라집니다. 흡수 된 철분은 다른 기관에 축적됩니다. 이러한 축적은 대사 장애를 일으킬 수 있습니다.

섭취 한 철분의 양이 독성이 있으면 복막염으로 장 천공을 유발할 수 있습니다.

심혈 관계에서는 위장관 출혈로 인해 발생할 수있는 혈액량 감소와 세로토닌 및 히스타민과 같은 혈관 활성 물질의 철분 방출로 인해 발생할 수 있습니다. 궁극적으로 간 대량 괴사와 간부전이 발생할 수 있습니다.

혈색소 침착증

혈색소 침착증은 신체의 철 조절 메커니즘의 변화를 나타내는 유전성 질환으로, 철의 혈중 농도가 증가하고 다른 기관에 축적되는 것으로 나타납니다. 간, 심장 및 췌장을 포함합니다.

질병의 초기 증상은 관절통, 복통, 피로 및 약점입니다. 당뇨병, 성욕 상실, 발기 부전, 심부전 및 간부전과 같은 증상 및 후속 증상이 있습니다.

혈종 증

Hemosiderosis는 이름에서 알 수 있듯이 조직에 hemosiderin이 축적되는 특징이 있습니다. 이것은 조직 손상을 일으키지 않지만 혈색소 침착증에서 볼 수있는 것과 유사한 손상으로 진화 할 수 있습니다.

Hemosiderosis는식이 요법에서 철분 흡수 증가, 적혈구에서 철분을 방출하는 용혈성 빈혈 및 과도한 수혈로 인해 발생할 수 있습니다.

Hemosiderosis 및 hemochromatosia는 신체 ​​철분 조절에 관여하는 간에서 분비되는 호르몬 인 hepcidin 호르몬의 부적절한 기능 때문일 수 있습니다.

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