UNIVERZITET U TRAVNIKU FAKULTET ZA TEHNIČKE STUDIJE GRAFIČKO INŽINJERSTVO I DIZAJN
ŽELJEZO Seminarski rad iz hemije
Student: Emin Brkić 627/15
Mentor: prof. dr. Salim Ibrahimefendić Ass. Merima Fišić
Travnik, Novembar 2015.
Sadržaj 1.Uvod ..................................................................................................................................................... 1 2.Rude željeza.......................................................................................................................................... 2 2.1 Hematit (slika 1) ............................................................................................................................ 2 2.2 Magnetit (slika 2) .......................................................................................................................... 3 2.3 Getit (slika 3) ................................................................................................................................. 4 3.Osobine željeza..................................................................................................................................... 5 3.1Dobivanje željeza ............................................................................................................................ 6 3.2 Spojevi željeza ............................................................................................................................... 8 3.3Upotreba željeza............................................................................................................................. 8 4.Povijest željeza ..................................................................................................................................... 9 5.Zaključak ............................................................................................................................................. 10 6.Literatura ............................................................................................................................................ 11
1.Uvod Željezo je hemijski element koji u periodnom sistemu elemenata nosi simbol Fe, atomski (redni) broj mu je 26, a atomska masa mu iznosi 55,845(2) . Simbol Fe dolazi od ferrum, latinskog naziva za željezo. Ferat je naziv za željezo u anionskom kompleksu. Telursko željezo je naziv za elementarno željezo, koje je nastalo u Zemljinoj kori Željezo, kad je potpuno čisto, srebrnkastog je sjaja i mekano. Poznato je od pradavnih vremena, a danas sigurno najvažniji tehnički metal koji se upotrebljava na mnogo načina. Najvažnije je od svih metala i uglavnom se koristi kao čelik, u kojem ima ugljika (do 2,06%). Željezo hrđa na vlažnom zraku i otapa se u razrijeđenim kiselinama. Željezo je prijelazni metal 8. skupine periodnog sustava elemenata. Željezo u prirodi najčešće dolazi kao mineral magnetit. Kristalizira u obliku crnih kubičnih kristala. U Zemljinoj kori najrasprostranjeniji metalni element i po masenom udjelu odmah je iza aluminija. U Zemljinoj kori udio je željeza oko 5%, a u cijeloj Zemlji se računa da je 37%. Najdublja unutrašnjost Zemlje se pretežno od njega i sastoji. Koncentracija željeza u morima je vrlo mala (oko 4x10-3 ppm). Elementarno željezo se u prirodi nalazi samo kao meteorno, dospjelo na zemlju iz Svemira i telurno prisutno u Zemljinoj kori od iskonskih vremena. Prisutnost željeza utvrđena je i u sastavu Sunca, Mjesečevim stijenama i drugim nebeskim tijelima gdje ga ima oko 14,3%, kako svjedoče meteoriti pali na Zemlju od kojih se polovina sastoji pretežno od željeza. Na površini Zemlje prirodno željezo je samo izuzetno u elementarnom stanju (telurno željezo na otoku Disko, zapadno od Grenlanda).
1
2.Rude željeza 2.1 Hematit (slika 1)
Hematit je željezov oksidni mineral čija je kemijska formula α-FeO 3, najstabilniji je i najrasprostranjeniji od svih željezovih oksida. Struktura hematita temelji se na heksagonskoj gustoj slagalini kisikovih aniona (O 2-) sa dvije trećine oktaedarskih šupljina popunjenim željezovim kationima (Fe3+). Boja mu ovisi o kristalnosti, a kreće se od crvene za fini prah do sive i crne za uzorke većih kristala. Tvrdoća Hematita je od 5 do 5,5 na Mohsovoj skali, a specifična težina varira od 4,9 do 5,3g, ovisno o uzorku. Hematit je slabo feromagnetičan materijal na sobnoj temperaturi. Tali se pri temperaturi od 1565 °C. Mineral hematit najvažniji je sastojak željezovih ruda koje se koriste kao sirovina za proizvodnju željeza, čelika i drugih legura. Prirodni i sintetički hematiti koriste se kao crveni pigmenti (premazi zametalne konstrukcije, bojila
za beton, kozmetiku, hranu, itd.). Prednost hematita nad drugim
pigmentima je njegova ne toksičnost, kemijska stabilnost, otpornost na toplinu i UV-zračenje, te dobar omjer cijene i svojstava. Hematit se koristi kao polazni materijal za sintezu raznih ferita (koriste se kao magneti). Također se koristi za izradu nakita, kao abraziv za poliranje nakita i leća, te kao katalizator u nekim industrijskim sintezama
Slika 1.Željezna ruda Hematit https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hematit_1.jpg
2
2.2 Magnetit (slika 2)
Hemijska formula magnetita je Fe3O4.Magnetit je crni ferimagnetički željezov oksid u kojem željezovi atomi imaju dva oksidacijska stanja, +2 i +3. Magnetit je široko rasprostranjen u prirodi i javlja se kao popratni mineral u magmatskim i metamorfnim stijenama. Važna je željezna ruda, a najveća su ležišta u sjevernoj Švedskoj. Tvrdoća magnetita kreće se od 5,5 do 6,5 na Mohsovoj skali, a specifična težina iznosi 5,18g. Magnetit obično tvori oktaedarske kristale. Magnetit ima strukturu inverznog spinela u kojoj seu šupljinama unutar kubične guste slagaline kisikovih aniona nalaze željezovi kationi oksidacijskog stanja +2 i +3. U jednoj četvrtini raspoloživih tetraedarskih šupljina smješteni su kationi Fe3+, dok su u polovini oktaedarskih šupljina smješteni kationi Fe2+ i Fe3+ .
Slika 2. Željezna ruda Magnetit https://sl.wikipedia.org/wiki/Magnetit
3
2.3 Getit (slika 3)
Getit je željezov oksihidroksidni mineral čija je hemijska formula α-FeOOH. Stabilan je pri umjerenim temperaturama i zbog toga vrlo rasprostranjen u prirodi. Najstabilniji je i najrasprostranjeniji željezov oksihidroksid. Getit obično nastaje starenjem drugih željezom bogatih minerala i zbog toga je uobičajen sastavni dio tla. Također može nastati taloženjem u podzemnim vodama ili u drugim sedimentarnim uvjetima, a može nastati i kao primarni mineral u hidrotermalnim nanosima. Tvrdoća getita kreće se od 5 do 5,5 na Mohsovoj skali, a specifična težina varira od 3,3 do 4,3g ovisno o uzorku. Getit obično tvori prizmatske igličaste kristale koji su obično grupirani u masivne agregate. Struktura getita temelji se na heksagonskoj gustoj slagalini kisikovih aniona (O2-) između kojih su, u oktaedrijske šupljine, smješteni kationi željeza (Fe3+). Ovisna je o veličini kristalnih zrna. U masivnim kristalnim agregatima, getit je tamno smeđ ili crn, dok je u praškastom obliku svijetlo smeđ ili žut. Zbog velike moći bojenja, hemijske stabilnosti i neotrovnosti vrlo je velika uporaba getita kao pigmenta.
Slika 3. Željezna ruda Getit https://www.google.ba/search?q=getit&client=opera&hs=kjK&source=lnms&tbm=isch&sa
4
3.Osobine željeza Željezo (Fe, latinski ferrum) je metal VIIIB grupe u periodnom sistemu elemenata. Željezo je sivo-bijeli metal koji se može lako kovati, variti u vrućem stanju i ispolirati do visokog sjaja. Čisto željezo može se magnetizirati, ali ne može zadržati magnetizam. Hemijski je vrlo reaktivno, te se otapa u neoksidirajućim kiselinama. Također je sklono hrđanju odnosno oksidaciji. U oksidirajućim kiselinama površina željeza se ne otapa, nego pasivizira stvaranjem zaštitnog sloja. Postoje tri alotropske modifikacije Željeza: alfaželjezo (α-Fe) ili ferit, stabilno ispod 906 °C s volumno centriranom kubičnom kristalnom strukturom, magnetično je, a u čvrstom stanju može otopiti vrlo malo ugljika; gama-željezo (γ-Fe) ili austenit, stabilno između 906 i 1403 °C s nemagnetičnom plošno centriranom kubičnom kristalnom strukturom; nemagnetično je i u čvrstom stanju može otopiti mnogo ugljika; delta-željezo (δ-Fe), stabilno iznad 1403 °C s volumno centriranom kubičnom kristalnom strukturom. U Zemljinoj kori udio željeza je oko 5%, a računajući u cijeloj Zemlji iznosi 37%. Stijene koje sadržavaju 20 i više posto željeza mogu služiti kao željezne rude.
Slika 4. Željezo u zemlji kao planetu http://scienceblogs.com/startswithabang/2011/09/why_does_the_earth_have_a_liqu.php Željezo je važno za život biljaka i životin ja: ono je sasto jina hemoglobina i k lor oplasta pa ga mora sadr žavati hrana
toplokrvnih životin ja kao i zemlja u kojoj r astu biljke. U organizmu odraslog čovjeka
ima oko 5,85 g željeza; od toga je 55% vezano za hemoglobin, 10% nalazi se u mioglobinu i 17%
u staničnim heminima; oko 17% željeza nalazi sei u drugim organima (kao feritin i hemosiderin). 5
3.1Dobivanje željeza
Za dobivanje željeza danas se isključivo upotrebljavaju oksidne i karbonatne rude. Iz oksidnih ruda željezo se dobiva redukcijom ruda koksom, odnosno ugljik(II)-oksidom u visokim pećima. Dobivanje željeza redukcijom oksidnih ruda u visokim pećima odvija se na slijedeći način: Kroz gornji otvor, grotlo, peć se naizmjenično puni slojevima koksa i rude s talioničkim dodacima. Ovisno o rudi, talionički dodatak je vapnenac ili dolomit (ako su rude kisele jer jalovine sadrže silikate i aluminijev oksid) ili kvarcni pijesak (ako su rude alkalne jer jalovine sadrže kalcijev oksid). Najdonji sloj koksa se zapali, te mu se dovodi vruć zrak (do 800°C) obogaćen kisikom. Pri tom koks izgara dajući najprije CO2, a zatim prolaskom kroz sljedeći sloj koksa prelazi u CO: C(s) + O2(g) -> CO2(g) CO2(g) + C(S) -> 2 CO(g) Nastali ugljikov(II)-oksid glavno je redukcijsko sredstvo koje postupno, ovisno o temperaturi pojedinih zona peći, sve više reducira okside željeza dok konačno ne nastane tzv. spužvasto željezo, a sve reakcije se sumarno mogu svesti na: Fe2O3(s) + 3 CO(g) -> 2 Fe(s) + 3 CO2(g). Reakcijama oslobođeni CO2 (koji nastaje raspadom karbonata) reagira s ugrijanim koksom dajući ponovo CO koji se u manje vrućim dijelovima peći raspada na CO2 i fino dispergirani ugljik koji se otapa u spužvastom željezu. Ugljik tako snizuje talište reduciranog željeza na 1100-1200°C. Rastaljeno željezo, zbog veće gustoće, slijeva se polagano u donji dio peći i skuplja se na dnu odakle se ispušta u kalupe ili vagonete kojima seodvozi na daljnju preradu. Tekuća i lakša troska pliva na rastaljenomželjezu i ispušta se kroz nešto više smješten ispust. Proizvodi koji nastaju u visokoj peći su: a) Sirovo željezo. Polaganim hlađenjem dobiva se sivo sirovo željezo iz kojeg se izlučio grafit. Naglim hlađenjem dobiva se bijelo sirovo željezo iz kojeg se grafit nije stigao izlučiti. Međutim, sirovo željezo obično se ne hladi nego odmah prerađuje u čelike.
6
b) Troska, koja je uglavnom kalcijev alumosilikat, upotrebljava se za proizvodnju cementa te služi i kao izolacijski materijal. c) Grotleni plin nastaje kao proizvod navedenih procesa gorenja, a sastoji se od dušika, ugljičnog dioksida, ugljičnog monoksida, vodika i metana. Koristi se za zagrijavanje zraka koji se upuhuje u peć.
Skila 5. Visoka peć https://bs.wikipedia.org/wiki/Visoka_peć
7
3.2 Spojevi željeza
Željezo najčešće dvovalentno ili trovalentno (fero- i feri- s po jevi). Željezo pravi spojeve u kojima ima oksidacijski broj +2, +3 i +6, a u najvažnijima i najvećem broju spojeva ima oksidacijski broj +2 (fero) i +3 (feri). Stan je +2 je na jsta bilni je.
• Željezovi spojevi s k isik om • Željezovi spojevi s dušik om • Željezovi spojevi s ugljikom • Željezovi spojevi s halogenim elementima • Željezovi spojevi sa sum por om • Organski željezovi s po jevi
3.3Upotreba željeza
Sirovo je željezo, zbog većeg sadržaja nečistoća i ugljika, jako krhko i nepodesno za obradu ili primjenu. Može se koristiti samo za lijevanje najgrubljih masivnih predmeta (npr. postolja) koji nisu mehanički ili termički opterećeni. Da bi se dobilo kvalitetnije željezo ili čelik, sirovo se željezo prerađuje, što uključuje smanjenje sadržaja svih primjesa i podešavanje željenog sadržaja ugljika, koji bitno određuje kvalitetu čelika. Primjena željeza je prvenstveno u obliku čelika, a manje kao sirovog ili lijevanog željeza. Čelik je legura željeza s 0,05 - 1,7% ugljika. To je najvažniji tehnološki i konstrukcijski materijal, a do danas je poznato više od hiljadu vrsta čelika. Odlikuju se velikom izotropnom čvrstoćom, tvrdoćom, žilavošću, mogućnošću lijevanja i mehaničke obrade te velikom elastičnošću.
8
4.Povijest željeza Najstariji počeci ljudskog korištenja željeza sežu u daleku prošlost u vrijeme drevnih civilizacija Sumera i Egipta, negdje oko 4000 godina prijen novr ere . U ovim najranijim počecima korištenja radilo se o željezu meteoritskog porijekla i ovo je se željezo koristilo kao dekorativni element na vrhovima koplja. Ovo željezo ljudi tada nisu dobivali lijevanjem ili taljenjem željeznih ruda nego su ga obrađivali kao što su obrađivali kamen. Negdje između 3000 i 2000 godine prije nove ere pronalaze se ostaci obrađenog željeza (ovakvi rani počeci obrađenog željeza razlikuju se od željeza meteoritskog porijekla jer ne sadrže nikal u svom sastavu) u području Mezopotamije, Anatolije i Egipta. Čini se da su ljudi tada ovo željezo koristili isključivo u ceremonijalne svrhe, a željezo je tada bilo vrjednije od zlata i vjerojatno je nastalo kao nus-proizvod proizvodnje bronce. između 1600 i 1200 godine prije nove ere željezo se počinje snažnije koristiti; doduše i u to vrijeme bronca je se još uvijek snažno koristila. No od 1200 godine prije nove ere počinje prijelaz brončanog doma u željezno doba. Smatra se da ovaj prijelaz ljudskog društva nije potaknula premoć i kvaliteta jednog materijala nad drugim nego nedostatak kositra (koji je naime neophodan za dobivanje bronce). Ovi prvi koraci obrade željeza na počecima željeznog doba uključivali su i korištenje drvenog ugljena tijekom obrade, a rezultat ovakve obrade željeza bio je prvi proizvedeni čelik (površinski sloj željeza). Hlađenjem ovako obrađenog željeza (u pravilu pomoću neke tekućine) dobiveni materijal dobivao je elastičnost i čvrstoću koja je bila nadmoćna osobinama kakvu je imala bronca.
9
5.Zaključak Tehničko željezo redovito predstavlja leguru željeza s većim ili manjim količinama ugljika, silicija, mangana, sumpora i fosfora pa mu svojstva uvelike ovise o količini tih elemenata, odnosno primjesa. Dodacima drugih metala, kao što su krom, titan, molibden, nikal, tantal, vanadij, kobalt, niobij, volfram i dr, svojstva željeza se mogu i dalje modificirati u širim granicama nego bilo kojeg drugog tehničkog metala. Stoga danas ima na tisuće vrsta tehničkih željeza za najrazličitije namjene. Tehničko željezo, osim vrsta koje su posebnim dodacima (napose nikla i kroma) učinjene kemijski otpornima (nehrđajući čelici), kemijski je manje otporno nego čisto. Ono na vlažnom zraku hrđa, tj. prevlači se slojem hidroksida koji ne štiti metal od daljeg nagrizanja. Željezo grijano na višu temperaturu pokriva se crvenom prevlakom oksida Fe3O4. Željezo kao element,osim toga što je potreban za život živih bića,također je olakšao čovjekov život,opstanak na zemlji pa bilo ono u obliku tehničkog željeza,sirovog željeza ili željezovih oksida.
10
6.Literatura
Mehmedalija L. (2002), Hemija za prvi razred srednjih škola, izdavačka kuća Ljiljan Sarajevo Mehmedalija L. (2005), Hemija za prvi razred srednjih škola, izdavačka kuća Tuga Sarajevo Mehmedalija L. (2003), Hemija za drugi razred gimnazije, izdavačka kuća Ljiljan Sarajevo Milan S. (2005), Hemija za drugi razred srednjih škola, izdavačka kuća Sarajevo Publishing
11
