Sắt- đặc điểm và ứng dụng pdf

Sắt
Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số
hiệu nguyên tử bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB chu kỳ 4. Sắt và Niken (Ni) được biết
là 2 nguyên tố cuối cùng có thể tạo thành qua tổng hợp ở nhân sao (hình thành qua
phản ứng hạt nhân ở tâm các vì sao) mà không cần phải qua một vụ nổ siêu tân tinh
hay các biến động lớn khác. Do đó sắt và Niken khá dồi dào trong các thiên thạch kim
loại và các hành tinh lõi đá (như Trái Đất, Sao Hoả)
Thuộc tính
Một nguyên tử sắt điển hình có khối lượng gấp 56 lần khối lượng một nguyên
tử hiđrô điển hình. Sắt là kim loại phổ biến nhất, và người ta cho rằng nó là nguyên
tố phổ biến thứ 10 trong vũ trụ. Sắt cũng là nguyên tố phổ biến nhất (theo khối lượng,
34.6%) tạo ra Trái Đất; sự tập trung của sắt trong các lớp khác nhau của Trái Đất dao
động từ rất cao ở lõi bên trong tới khoảng 5% ở lớp vỏ bên ngoài; có thể phần lõi của
Trái Đất chứa các tinh thể sắt mặc dù nhiều khả năng là hỗn hợp của sắt và niken; một
khối lượng lớn của sắt trong Trái Đất được coi là tạo ra từ trường của nó. Ký hiệu của
sắt Felà từ viết tắt của ferrum, từ Latinh của sắt.
Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất khó tìm thấy nó ở dạng tự do.
Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng phương pháp khử hóa học.
Sắt được sử dụng trong sản xuất gang và thép, đây là các hợp kim, là sự hòa tan của
các kim loại khác (và một số á kim hay phi kim, đặc biệt là cacbon).
Hạt nhân của sắt có năng lượng liên kết cao nhất, vì thế nó là nguyên tố nặng nhất
được sản xuất trong các phản ứng nhiệt hạch và là nhẹ nhất trong phản ứng phân rã
hạt nhân. Các ngôi sao có khối lượng lớn khi gần cháy hết nhiên liệu hiđrô, sẽ bắt đầu
các chuỗi phản ứng hạt nhân tạo ra các chất có khối lượng nguyên tử tăng dần, bao
gồm cả sắt, trước khi bùng nổ thành các siêu tân tinh.
Các mô hình vũ trụ trong vũ trụ mở dự đoán rằng có một giai đoạn ở đó do kết quả của
các phản ứng nhiệt hạch và phân hạch chậm lại, mọi thứ sẽ trở thành sắt.
Lịch sử
Những dấu hiệu đầu tiên về việc sử dụng sắt là ở những người Sumeria và người Ai
Cập vào khoảng 4000 năm TCN, các đồ vật nỏ như mũi giáo và đồ trang trí, đã được
làm từ sắt lấy từ các thiên thạch. Vì các thiên thạch rơi từ trên trời xuống nên một số

nhà ngôn ngữ học phỏng đoán rằng từ tiếng Anh iron, là từ có cùng nguồn gốc với
nhiều ngôn ngữ ở phía bắc và tây châu Âu, có xuất xứ từ tiếng Etruria aisar có nghĩa là
"trời".
Vào khoảng những năm 3000 đến 2000 Trước Công Nguyên (TCN), đã xuất hiện hàng
loạt các đồ vật làm từ sắt nóng chảy (phân biệt rõ với sắt từ thiên thạch do thiếu niken
trong sản phẩm) ở Lưỡng Hà, Anatolia và Ai Cập. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng có lẽ
là thuộc về hình thức trong tế lễ, và sắt đã là kim loại rất đắt, hơn cả vàng. Trong Illiad,
các vũ khí chủ yếu làm từ đồng thau, nhưng các thỏi sắt đã được sử dụng trong buôn
bán. Một số nguồn (xem phần tham khảo Cái gì tạo ra thời đại đồ sắt? dưới đây) cho
rằng sắt được tạo ra khi đó như sản phẩm đi kèm của việc tinh chế đồng, như là những
bọt sắt, và không được tái sản xuất bởi ngành luyện kim khi đó. Vào khoảng năm 1600
đến 1200 TCN, sắt đã được sử dụng nhiều hơn ở Trung Cận Đông, nhưng vẫn chưa
thay thế được sự thống trị của đồng thau.
Trong thời kỳ từ thế kỷ 12 đến thế kỷ 10 TCN, đã có sự chuyển đổi nhanh chóng từ
công cụ, vũ khí đồng thau sang sắt ở Trung Cận Đông. Yếu tố quyết định của chuyển
đổi này không phải là sự xuất hiện của các công nghệ luyện sắt cao cấp hơn mà là sự
cạn kiệt của các nguồn cung cấp thiếc. Thời kỳ chuyển đổi này diễn ra không đồng thời
trên thế giới, là dấu hiệu cho thời kỳ văn minh mới được gọi là Thời đại đồ sắt.
Cùng với việc chuyển đổi từ đồng thau sang sắt là việc phát hiện ra quy trình cacbua
hóa, là quy trình bổ sung thêm cacbon vào sắt. Sắt được thu lại như bọt sắt, là hỗn hợp
của sắt với xỉ với một ít cacbon và/hoặc cacbua, sau đó nó được rèn và tán phẳng để
giải phóng sắt khỏi xỉ cũng như ôxi hóa bớt cacbon, để tạo ra sắt non. Sắt non chứa rất
ít cacbon và không dễ làm cứng bằng cách làm nguội nhanh. Người Trung Đông đã
phát hiện ra là một số sản phẩm cứng hơn có thể được tạo ra bằng cách đốt nóng lâu
sắt non với than củi trong lò, sau đó làm nguội nhanh bằng cách nhúng vào nước hay
dầu. Sản phẩm tạo thành có bề mặt của thép, là cứng hơn và ít gãy hơn đồng thau, là
thứ đang bị thay thế dần.
Ở Trung Quốc, những đồ vật bằng sắt đầu tiên được sử dụng cũng là sắt lấy từ thiên
thạch, các chứng cứ khảo cổ học về các đồ vật làm từ sắt non xuất hiện ở miền tây
bắc, gần Xinjiang trong thế kỷ 8 TCN. Các đồ vật làm từ sắt non có cùng quy trình như

sắt được làm ở Trung Đông và châu Âu, và vì thế người ta cho rằng chúg được nhập
khẩu bởi những người không phải là người Trung Quốc.
Trong những năm muộn hơn của nhà Chu (khoảng năm 550 TCN), khả năng sản xuất
sắt mới đã bắt đầu vì phát triển cao của công nghệ lò nung. Sản xuất theo phương
pháp lò nung không khí nóng có thể tạo ra nhiệt độ trên 1300 K, người Trung Quốc bắt
đầu sản xuất gang thô và gang đúc.
Nếu quặng sắt được nung với cacbon tới 1420–1470 K, một chất lỏng nóng chảy được
tạo ra, là hợp kim của khoảng 96,5% sắt và 3,5% cacbon. Sản phẩm này cứng, có thể
đúc thành các đồ phức tạp, nhưng dễ gãy, trừ khi nó được phi-cacbua hóa để loại bớt
cacbon. Phần chủ yếu của sản xuất sắt từ thời nhà Chu trở đi là gang đúc. Sắt, tuy vậy
vẫn là sản phẩm thông thường, được sử dụng bởi những người nông dân trong hàng
trăm năm, và không có ảnh hưởng đáng kể đến diện mạo của Trung Quốc cho đến tận
thời kỳ nhà Tần (khoảng năm 221 TCN).
Việc sản xuất gang đúc ở châu Âu bị chậm trễ do các lò nung chỉ có thể tạo ra nhiệt độ
khoảng 1000 K. Trong thời Trung cổ, ở Tây Âu sắt bắt đầu được làm từ bọt sắt để trở
thành sắt non. Gang đúc sớm nhất ở châu Âu tìm thấy ở Thụy Điển, trong hai khu vực
là Lapphyttan và Vinarhyttan, khoảng từ năm 1150 đến 1350. Có giả thuyết cho rằng
việc sản xuất gang đúc là do người Mông Cổ thông qua nước Nga truyền đến các khu
vực này, nhưng không có chứng cứ vững chắc cho giả thuyết này. Trong bất kỳ trường
hợp nào, vào cuối thế kỷ14 thì thị trường cho gang đúc bắt đầu được hình thành do nhu
cầu cao về gang đúc cho các súng thần công.
Việc nung chảy sắt thời kỳ đầu tiên bằng than củi như là nguồn nhiệt và chất khử.
Trong thế kỷ 18, ở Anh việc cung cấp gỗ bị giảm xuống và than cốc, một nhiên liệu hóa
thạch, đã được sử dụng để thay thế. Cải tiến của Abraham Darby đã cung cấp năng
lượng cho cuộc cách mạng công nghiệp.
Ứng dụng
Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại
sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu
lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế được, đặc biệt trong các
ứng dụng như sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây

dựng. Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại
khác của sắt như:

Gang thô (gang lợn) chứa 4% – 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác như lưu
huỳnh, silic, phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng
sắt sang thép cũng như các loại gang đúc (gang trắng và gang xám).

Gang đúc chứa 2% – 3.5% cacbon và một lượng nhỏ mangan. Các chất có trong
gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, như lưu huỳnh và phốt
pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được. Nó có điểm nóng chảy trong
khoảng 1420–1470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó, làm cho nó
là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau.
Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ. Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng,
nó có xu hướng phá vỡ hình dạng của vật.

Thép carbon chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu
huỳnh, phốt pho và silic.

Sắt non chứa ít hơn 0,5% cacbon. Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy
như gang thô. Nó có rất ít cacbon. Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất
này rất nhanh.

Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại
khác, như crôm, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v.

Ôxít sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính. Chúng
thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp
này.
Sản xuất
Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất, chiếm khoảng 5% khối

lượng vỏ Trái Đất. Phần lớn sắt được tìm thấy trong các dạng ôxít sắt khác nhau,
chẳng hạn như khoáng chất hematit, magnetit, taconit. Khoảng 5% các thiên
thạch chứa hỗn hợp sắt-niken. Mặc dù hiếm, chúng là các dạng chính của sắt kim loại
tự nhiên trên bề mặt Trái Đất.
Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng của nó, chủ yếu là từ hêmatit
(Fe
2
O
3
) và magnêtit (Fe
3
O
4
) bằng cách khử với cacbon trong lò luyện kim sử dụng
luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng 2000 °C. Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon
trong dạng than cốc, và các chất tẩy tạp chất như đá vôi được xếp ở phía trên của lò,
luồng không khí nóng được đưa vào lò từ phía dưới.
Than cốc phản ứng với ôxy trong luồng không khí tạo ra mônôxít cacbon:
2 C + O
2
→ 2 CO
Cacbon mônôxít khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây là hêmatit) thành sắt
nóng chảy, và nó trở thành điôxít cacbon:
3 CO + Fe
2
O
3
→ 2 Fe + 3 CO
2

Chất khử tạp chất được thêm vào để khử các tạp chất có trong quặng (chủ
yếu là điôxít silic cát và các silicat khác). Các chất khử tạp chất chính là đá vôi
(cacbonat canxi) và đôlômit (cacbonat magiê). Các chất khử tạp chất khác có
thể cho vào tùy theo các tạp chất có trong quặng. Trong sức nóng của lò luyện
đá vôi bị chuyển thành vôi sống (CaO):
CaCO
3
→ CaO + CO
2

Sau đó ôxít canxi kết hợp với điôxít silic tạo ra xỉ.
CaO + SiO
2
→ CaSiO
3

Xỉ nóng chảy trong lò luyện (điôxít silic thì không). Ở phần dưới của lò luyện, xỉ
nóng chảy do nhẹ hơn nên nổi lên phía trên sắt nóng chảy. Các cửa lò có thể
được mở để tháo xỉ hay sắt nóng chảy. Sắt khi nguội đi, tạo ra gang thô, còn xỉ
có thể được sử dụng để làm đường hay để cải thiện các loại đất nông
nghiệp nghèo khoáng chất.
Khoảng 1,1 tỷ tấn quặng sắt được sản xuất trên thế giới vào năm 2000, với tổng
trị giá trên thị trường vào khoảng 25 tỷ đôla Mỹ. Việc khai thác quặng sắt diễn ra
trên 48 quốc gia, nhưng 5 nhà sản xuất lớn nhất là Trung
Quốc, Brasil, Úc, Nga và Ấn Độ, chiếm tới 70% lượng quặng khai thác trên thế
giới. 1,1 tỷ tấn quặng sắt này được sử dụng để sản xuất ra khoảng 572 triệu tấn
sắt thô.
Vai trò sinh học
Sắt có vai trò rất cần thiết đối với mọi cơ thể sống, ngoại trừ một số vi khuẩn. Nó
chủ yếu liên kết ổn định bên trong các prôtêin kim loại, vì trong dạng tự do nó

sinh ra các gốc tự do nói chung là độc với các tế bào. Nói rằng sắt tự do không
có nghĩa là nó tự do di chuyển trong các chất lỏng trong cơ thể. Sắt liên kết chặt
chẽ với mọi phân tử sinh học vì thế nó sẽ gắn với các màng tế bào, axít
nucleic, prôtêin v.v.
Trong cơ thể động vật sắt liên kết trong các tổ hợp heme (là thành phần thiết yếu
của cytochromes), là những prôtêin tham gia vào các phản ứng ôxi hóa-khử (bao
gồm nhưng không giới hạn chỉ là quá trình hô hấp) và của các prôtêin chuyên
chở ôxy như hêmôglôbin và myôglôbin.
Sắt vô cơ tham gia trong các phản ứng ôxi hóa-khử cũng được tìm thấy trong
các cụm sắt-lưu huỳnh của nhiều enzym, chẳng hạn như các
enzym nitrogenase (tham gia vào quá trình tổng hợpamôniắc từ nitơ và hiđrô)
và hydrogenase. Tập hợp các prôtêin sắt phi-heme có trách nhiệm cho một dãy
các chức năng trong một số loại hình cơ thể sống, chẳng hạn như các
enzym mêtan mônôôxygenase (ôxi hóa mêtan thành mêtanol), ribonucleotide
reductase (khử ribose thành deoxyribose; tổng hợp sinh
học DNA), hemerythrins (vận chuyển ôxy và ngưng kết trong các động vật không
xương sống ở biển) và axít phosphatase tía (thủy phân các este phốt phát). Khi
cơ thể chống lại sự nhiễm khuẩn, nó để riêng sắt trong prôtêin vận
chuyển transferrin vì thế vi khuẩn không thể sử dụng được sắt.
Sự phân phối sắt trong cơ thể được điều chỉnh trong cơ thể động vật có vú. Sắt
được hấp thụ từ duodenum liên kết với transferrin, và vận chuyển bởi máu đến
các tế bào khác nhau. Vẫn chưa rõ cơ chế liên kết của sắt với các prôtêin. [1]
Các nguồn thức ăn giàu sắt bao gồm: thịt, cá, thịt gia cầm, đậu lăng, các
loại đậu, rau bina, tào phớ, đậu Thổ Nhĩ Kỳ, dâu tây và mầm ngũ cốc.
Sắt được bổ sung cho những người cần tăng cường chất này trong
dạng fumarat sắt (II). Tiêu chuẩn của RDA về sắt dao động dựa trên tuổi tác, giới
tính, và nguồn sắt ăn kiêng (sắt trên cơ sở heme có khả năng sinh học cao
hơn) [2].
Cần lưu ý tới phần cảnh báo dưới đây.
[sửa]Tính chất hóa học

1.Tác dụng với phi kim: Sắt tác dụng với hầu hết tất cả các phi kim khi đun nóng.
Với các phi kim có tính oxi hóa mạnh như Oxi và Clo thì sẽ tạo thành những hợp
chất trong đó sắt có số oxi hóa là +3.
Ví dụ : 2Fe +3Cl2 (k) > 2FeCl3(r) (to) 3Fe® + 2O2 ◊ Fe3O4 ®¬ Phản ứng phát
nhiệt mạnh
Fe3O4 là một hợp chất ion, tinh thể được tạo nên bởi các ion O2- , ion Fe3+ và
ion Fe2+. Trong quá trình phản ứng , một phần sắt bị oxi hóa thành Fe2+ , một
phần bị oxi hóa thành Fe3+ .Trong chất rắn , trung bình cứ có 1 ion Fe2+ thì có 2
ion Fe3+ và 4 ion O2
Trong không khí ẩm sắt dễ bị rỉ theo phản ứng: 4Fe + O2 +nH2O ◊
2Fe2O3.nH2O Đối với các phi kim yếu hơn như lưu hùynh, tạo thành hợp chất
trong đó sắt có số oxi hóa +2 Fe + S ◊ FeS (to)2.Tác dụng với các hợp chất: Thế
điện cực chuẩn của sắt là : Fe2+(aq) +2e > Fe Eo=-0.44V Qua đó ta thấy sắt có
tính khử trung bình. Sắt dễ tan trong dung dịch acid HCl và H2SO4 loãng Fe +
2HCl ◊ FeCl2 + H2 Fe + H2SO4 ◊ FeSO4 + H2 Hay Fe® + 2H+(aq) ◊ Fe+(aq)
+H2 Đối với các acid có tính oxi hóa mạnh như HNO3 hay H2SO4 đặc nóng thì
sản phẩm phản ứng sẽ là muối sắt với sắt có số oxi hóa +3 và các sản phẩm
khử của N :N2O , NO , NO2 hoặc của S : SO2 . Ở nhiệt độ thường , trong acid
nitric đặc và acid sulfuaric đặc , sắt tạo ra lớp oxid bảo vệ kim lọai trờ nên “thụ
động” , không bị hòa tan. Sắt đẩy các kim lọai yếu hơn ra khỏi dung dịch muối
của chúng. Fe® + Cu(NO3)2 (aq) ◊ Fe(NO3)2 (aq) + Cu®
[sửa]Hợp chất
Các trạng thái ôxi hóa chung của sắt bao gồm:

Trạng thái sắt(II), Fe
2+
, ferrous rất phổ biến.

Trạng thái sắt(III), Fe
3+

, ferric, cũng rất phổ biến, ví dụ trong gỉ sắt.

Trạng thái sắt(IV), Fe
4+
, ferryl, ổn định trong các enzym (ví dụ perôxidas).

Sắt(VI) cũng được biết tới, nó hiếm hơn, có trong ferrat kali.

cacbua sắt Fe
3
C được biết đến như là cementit.
Xem thêm: Ôxít sắt
[sửa]Đồng vị
Sắt có bốn đồng vị tự nhiên ổn định là Fe
54
, Fe
56
, Fe
57
và Fe
58
. Sự phổ biến
tương đối của các đồng vị sắt trong tự nhiên là: Fe
54
(5,8%), Fe
56
(91,7%),
Fe
57
(2,2%) và Fe

58
(0,3%).
Fe
60
là đồng vị phóng xạ đã biến mất, nó có chu kỳ bán rã dài (1,5 triệu năm).
Phần lớn các công việc trong quá khứ để đo thành phần đồng vị của sắt tập
trung vào việc xác định các biến thể của Fe
60
vì các quá trình kèm theo sự tổng
hợp hạt nhân (ví dụ nghiên cứu thiên thạch) và sự hình thành khoáng sản. Đồng
vị Fe
56
cũng gây ra sự đặc biệt chú ý của các nhà khoa học vì nó có thể là hạt
nhân ổn định nhất. Không thể thực hiện các phản ứng phân hạch hay nhiệt hạch
trên Fe
56
mà có thể giải phóng năng lượng. Điều này thì lại không đúng với các
nguyên tố khác.
Trong số các đồng vị ổn định, chỉ có Fe
57
có spin −1/2. Vì lý do này, Fe
57
có ứng
dụng như là đồng vị spin trong hóa học và hóa sinh học.
Trong các pha của các thiên thạch Semarkona và Chervony Kut mối tương quan
giữa mật độ của Ni
60
(sản phẩm sinh ra của Fe
60
) và sự phổ biến của các đồng

vị ổn định của sắt có thể được tìm thấy, nó chứng tỏ sự tồn tại của Fe
60
trong
thời gian hình thành của hệ Mặt Trời. Có khả năng là năng lượng giải phóng bởi
sự phân rã của Fe
60
góp phần cùng với năng lượng giải phóng bởi sự phân rã
của hạt nhân phóng xạ Al
26
, để nung chảy lại và làm phân biệt các tiểu hành
tinh sau sự hình thành của chúng trước đây 4,6 tỷ năm. Sự phổ biến của
Ni
60
hiện diện trong các vật chất ngoài Trái Đất có thể cung cấp thông tin để nhìn
sâu hơn nữa vào nguồn gốc của hệ Mặt Trời cũng như lịch sử sơ kỳ của nó.
[sửa]Cảnh báo
Việc hấp thụ quá nhiều sắt gây ngộ độc, vì các sắt II dư thừa sẽ phản ứng với
các perôxít trong cơ thể để sản xuất ra các gốc tự do. Khi sắt trong số lượng
bình thường thì cơ thể có một cơ chếchống ôxi hóa để có thể kiểm soát quá trình
này. Khi dư thừa sắt thì những lượng dư thừa không thể kiểm soát của các gốc
tự do được sinh ra.
Một lượng gây chết người của sắt đối với trẻ 2 tuổi là ba gam sắt. Một gam có
thể sinh ra sự ngộ độc nguy hiểm. Danh mục của DRI về mức chấp nhận cao
nhất về sắt đối với người lớn là 45 mg/ngày. Đối với trẻ em dưới 14 tuổi mức
cao nhất là 40 mg/ngày.
Nếu sắt quá nhiều trong cơ thể (chưa đến mức gây chết người) thì một loạt các
hội chứng rối loạn quá tải sắt có thể phát sinh, chẳng hạn như hemochromatosis.
Vì lý do này, mọi người không nên sử dụng các loại hình sắt bổ sung trừ
trường hợp thiếu sắt và phải có chỉ định của bác sĩ chuyên khoa.
Việc hiến máu là đặc biệt nguy hiểm do có thể sinh ra chứng thiếu sắt và thông

thường được chỉ định bổ sung thêm các biệt dược chứa sắt.