Железе химия. Как сохранить железо в пище и его сочетание с другими веществами

ЖЕЛЕЗО (лат. Ferrum), Fe, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s 2 p 6 d 6 4s 2 . Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.

В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят, кроме железа, также кобальт (Co) и никель (Ni) . Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.

Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe 2+ — 0,080 нм, иона Fe 3+ — 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.

Железо высокой чистоты — это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механичской обработки.

Физические и химические свойства: при температурах от комнатной и до 917°C, а также в интервале температур 1394-1535°C существует -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394°C устойчиво -Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769°C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917°C, рассматривают как модификацию железа, а -Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535°C), называют по традиции -Fe (представления о существовании четырех модификаций железа возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535°C, температура кипения 2750°C, плотность 7,87 г/см 3 . Стандартный потенциал пары Fe 2+ /Fe 0 –0,447В, пары Fe 3+ /Fe 2+ +0,771В.

При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe 2 О 3 ·xН 2 О.

С кислородом (O) железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe 2 О 3 , при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe 3 О 4 . Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы (S) и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами . Так как FeF 3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора (F) до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl 3 . Если взаимодействие железа и брома (Br) протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr 3 . При нагревании FeСl 3 и, особенно, FeBr 3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода (I) образуется иодид Fe 3 I 8 .

При нагревании железо реагирует с азотом (N) , образуя нитрид железа Fe 3 N, с фосфором (P) , образуя фосфиды FeP, Fe 2 P и Fe 3 P, с углеродом (C) , образуя карбид Fe 3 C, с кремнием (Si) , образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO) 5 . Известны также карбонилы железа составов Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12 . Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава .

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН) 2 . Оксид железа (III) Fe 2 O 3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН) 2 , основание Fe(ОН) 3 , которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН) 3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН) 3 + КОН = К

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH) 3 .

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2

Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO 4) 2 — железокалиевые квасцы, (NH 4)Fe(SO 4) 2 — железоаммонийные квасцы и т.д.

При действии газообразного хлора (Cl) или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия (K) : K 2 FeO 4 . Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe 3+ с тиоцианат-ионами CNS – . При взаимодействии ионов Fe 3+ с анионами CNS – образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS) 3 . Другим реактивом на ионы Fe 3+ служит гексацианоферрат (II) калия (K) : K 4 (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe 3+ и 4– выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe 2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия (K) K 3 , ранее называвшегося красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe 3+ и 3– выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe 3+ и 4– .

Сплавы железа с углеродом: железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом (C) — различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно — на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0.8-1 %).

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию — нагреванию при температуре около 1000°C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей — шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород (O) или воздух, обогащенный кислородом (O)). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300°C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe 2 O 3 + 3CО = 2Fe + 3CO 2

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом (C) и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие — клетку — и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун — это твердый раствор углерода (C) в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Если содержание углерода (C) в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома (Cr) , никеля (Ni) , молибдена (Mo) , кобальта (Co) и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).

Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода (C) в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод (C) выгорает.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.

История получения железа: железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тысячелетии до нашей эры. Период с 9 – 7 века до нашей эры, когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку. Усовершенствование способов дутия (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи - домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс. В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства — домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

Нахождение в природе: в земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe 2 O 3 ; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe 3 О 4 ; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO 2 ·n H 2 O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО 3 ; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS 2 (другие названия — серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10 –5 — 1·10 –8 % железа.

Применение железа, его сплавов и соединений: чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.

Биологическая роль: железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент , то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа — участие в транспорте кислорода (O) и окислительных процессах. Эту функцию железа выполняет в составе сложных белков — гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

Железо – химический элемент

1. Положение железа в периодической таблице химических элементов и строение его атома

Железо - это d- элемент VIII группы; порядковый номер – 26; атомная масса Ar (Fe ) = 56; состав атома: 26-протонов; 30 – нейтронов; 26 – электронов.

Схема строения атома:

Электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2

Металл средней активности, восстановитель:

Fe 0 -2 e - → Fe +2 , окисляется восстановитель

Fe 0 -3 e - → Fe +3 , окисляется восстановитель

Основные степени окисления: +2, +3

2. Распространённость железа

Железо – один из самых распространенных элементов в природе . В земной коре его массовая доля составляет 5,1%, по этому показателю оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию . Много железа находится и в небесных телах, что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила автоматическая станция “Луна”, обнаружено железо в неокисленном состоянии.

Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.

Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.

Основными железными рудами являются :

магнетит (магнитный железняк) – Fe 3 O 4 содержит 72% железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии:

гематит (железный блеск, кровавик)– Fe 2 O 3 содержит до 65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе:

лимонит (бурый железняк) – Fe 2 O 3* nH 2 O содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму:

пирит (серный колчедан, железный колчедан, кошачье золото) – FeS 2 содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.

3. Роль железа в жизни человека и растений

Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого гемоглобином, железо обусловливает красную окраску этого вещества, от которого в свою очередь, зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO 2 .

Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Больше того, стоит белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, и вскоре смазанное место зеленеет.

Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.

4. Физические свойства железа.

Железо – это серебристо-белый металл с температурой плавления 1539 о С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02 -0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозиии хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих драгоценный свойств.

5. Получение железа

Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:

FeO + C = Fe + CO

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Опыт "Получение железа алюминотермией"

6. Химические свойства железа

Как элемент побочной подгруппы железо может проявлять несколько степеней окисления. Мы рассмотрим только соеди­нения, в которых железо проявляет степени окисления +2 и +3. Таким образом, можно говорить, что у железа имеется два ряда соединений, в которых оно двух- и трехвалентно.

1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3

2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II,III) - вещество чёрного цвета:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

C кислородом во влажном воздухе образуется Fe 2 O 3 * nH 2 O

Опыт "Взаимодействие железа с кислородом"

3) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H 2 O t˚C → Fe 3 O 4 + 4H 2 ­

4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

Fe + S t˚C → FeS

5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных условиях:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 ­

Fe + H 2 SO 4 (разб .) = FeSO 4 + H 2 ­

6) В концентрированных кислотах – окислителях железо растворяется только при нагревании

2Fe + 6H 2 SO 4 (конц .) t˚C → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 ­ + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (конц .) t˚C → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 ­ + 3H 2 O Железо (III)

7. Применение железа.

Основная часть получаемого в мире железа используется для получения чугуна и стали - сплавов железа с углеродом и другими металлами. Чугуны содержат около 4% углерода. Стали содержат углерода менее 1,4%.

Чугуны необходимы для производства различных отли­вок - станин тяжелых машин и т.п.

Изделия из чугуна

Стали используются для изготовления машин, различных строительных материалов, балок, листов, проката, рельсов, инструмента и множества других изделий. Для производства различных сортов сталей применяют так называемые легиру­ющие добавки, которыми служат различные металлы: М

Тренажёр №2 - Генетический ряд Fe 3+

Тренажёр №3 - Уравнения реакций железа с простыми и сложными веществами

Задания для закрепления

№1. Составьте уравнения реакций получения железа из его оксидов Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4 , используя в качестве восстановителя:
а) водород;
б) алюминий;
в) оксид углерода (II).
Для каждой реакции составьте электронный баланс.

№2. Осуществите превращения по схеме:
Fe 2 O 3 -> Fe - +H2O, t -> X - +CO, t -> Y - +HCl ->Z
Назовите продукты X, Y, Z?

ЖЕЛЕЗО, Fe (а. iron; н. Eisen; ф. fer; и. hierro), — химический элемент VIII группы периодической системы элементов , атомный номер 26, атомная масса 55,847. Природное состоит из 4 стабильных изотопов: 54 Fe (5,84%), 56 Fe (91,68%), 57 Fe (2,17%) и 58 Fe (0,31%). Получены радиоактивные изотопы 52 Fe, 53 Fe, 55 Fe, 59 Fe, 60 Fe. Железо известно с доисторических времён. Впервые человек, вероятно, познакомился с метеоритным железом, т.к. древнеегипетское название железа "бени-пет" означает небесное железо. В хеттских текстах встречается упоминание о железе как о металле, упавшем с неба.

Железо в природе

Железо — единственный породообразующий элемент с переменной валентностью. Отношение оксидного железа к закисному устойчиво растёт с увеличением кремнекислотности расплавов. Ещё больший рост происходит в щелочных системах, где минерал, содержащий трёхвалентное железо — , (Na,Fe)Si 2 О 6 , становится породообразующим. В метаморфическом процессе железо, по-видимому, мало подвижно. Содержание железа в современных океанических осадках близко к содержаниям в древних глинистых породах и глинистых . Основные генетические типы месторождений и схемы обогащения смотреть в статье .

Получение железа

Чистое железо получают восстановлением из оксидов (железо пирофорное), электролизом водных растворов его солей (железо электролитическое), разложением пентакарбонила железа Fe(CO) 5 при нагревании до t 250°С. Особо чистое железо (99,99%) получают с помощью зонной плавки. Технически чистое железо (около 0,16% примесей углерода, серы и др.) выплавляют, окисляя компоненты чугуна в мартеновских сталеплавильных и в кислородных конверторах. Сварочное или кирпичное железо получают, окисляя примеси малоуглеродистой стали железным или путём восстановления руд твёрдым углеродом. Основную массу железа выплавляют в виде сталей (до 2% углерода) или чугунов (свыше 2% углерода).

Применение железа

Железоуглеродистые сплавы — основа конструкции материалов, применяющихся во всех отраслях промышленности. Техническое железо — материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Железный порошок в больших количествах применяется при сварке. Оксиды железа — минеральные краски; ферромагнитные Fe 3 О 4 , g-Fe используются для производства магнитных материалов. Сульфат FeSO 4 .7Н 2 О применяется в текстильной промышленности, в производстве берлинской лазури, чернил; FeSO4 — коагулянт для . Железо используется также в полиграфии, медицине (как антианемическое средство); искусственные радиоактивные изотопы железа — индикаторы при исследовании химико-технологических и биологических процессов.

Польза железа для организма

Главной функцией железа в организме принято считать образование гемоглобина. Это не удивительно, ведь в его составе содержится три четвертых запасов железа. А вот в составе других белковых структур процент железа относительно невысок – около 5%.

Зачем нужен гемоглобин? Белок, содержащий большое количество железа, связывает молекулы кислорода, которые с кровью переносятся к рабочим тканям и органам. Вот почему снижение количества гемоглобина в крови немедленно сказывается на общем самочувствии и работоспособности. Так что даже незначительная потеря крови чревата для организма нарушениями. Для спортсменов нехватка железа чревата нарушением восстановления после интенсивной физической нагрузки.

В числе других функций железа, можно перечислить такие как:

• Энергетическая подпитка мышц. Самый «дешевый» источник топлива для мышц – это кислород. Благодаря его преобразованию в процессе ряда химических реакций мышца получает энергию для сокращения. Помимо кислорода используются и другие источники энергии. Это фосфаты, содержащиеся в клетках, – креатинфосфат и АТФ, а также гликоген мышц и печени. Однако их запасы слишком малы для поддержания работы длительностью более 1 минуты. Креатинфосфата хватает на работу длительностью до 10 секунд, АТФ – на 2-3 секунды. Чем выше концентрация гемоглобина в крови, тем больше кислорода он способен подать в рабочие ткани и органы. А вот дефицит железа может вызывать мышечные спазмы, усиливающиеся в период покоя (сна, сидения).
• Энергетическая подпитка мозга. Кислород необходим мозгу так же, как и мышцам. Более того, дефицит железа чреват развитием болезни Альцгеймера, деменции (приобретённое слабоумие) и других заболеваний, вызванных нарушениями мозговой деятельности.
• Регуляция температуры тела. Эта функция выполняется железом опосредованно. Стабильность концентрации железа в крови обусловливает адекватность протекания всех метаболических процессов.
• Укрепление иммунитета. Микроэлемент необходим для кроветворения. Белые (лимфоциты) и красные (эритроциты) кровяные клетки формируются в присутствии железа. Первые отвечают за иммунитет, а вторые снабжают кровь кислородом. Если в организме количество железа соответствует норме, он способен самостоятельно противостоять заболеваниям. Как только концентрация железа снижается, инфекционные заболевания дают о себе знать.
• Развитие плода. Во время беременности важно употреблять достаточное количество железа, так как часть расходуется при кроветворении у плода. А вот недостаток железа повышает риск преждевременных родов, провоцирует недостаточный вес у новорожденного и нарушение в развитии.

Как железо взаимодействует в организме

Сама по себе нормальная концентрация железа в организме еще не гарантирует хорошее самочувствие, высокий иммунитет, отсутствие заболеваний и работоспособность. Не менее важно взаимодействие этого микроэлемента с другими веществами, ведь функции одних могут отрицательно влиять на функции других.

Избегайте сочетания железа с:

• витамином Е и фосфатами: нарушается усваивание железа;
• Тетрациклином и фторхинолонами: тормозится процесс всасывание последних;
• Кальцием: нарушается процесс абсорбции железа;
• молоком, кофе и чаем – всасывание железа ухудшается;
• цинком и медью – нарушается процесс всасывания в кишечнике;
• соевым белком – усваивание подавляется;
• хромом: железо подавляет его всасывание.

А вот аскорбиновая кислота, сорбит, фруктоза и янтарная кислота улучшают всасывание железа организмом.

Эти нюансы обязательно учитываются во время приема железосодержащих препаратов, так как можно вместо улучшения самочувствия получить противоположный эффект.

Роль железа в возникновении и течении различных заболеваний

Существует множество заболеваний, при которых употребление продуктов богатых железом может усугубить ситуацию.

Люди с повышенным уровнем железа в организме больше подвержены риску инфекций, сердечных заболеваний и некоторых видов онкологии (особенно мужчины).

В виде свободных радикалов железо провоцирует развитие атеросклероза. То же самое касается ревматоидного артрита. Употребление железа при этом заболевании провоцирует воспаление суставов.

При индивидуальной непереносимости железа употребление некоторых продуктов вызывает изжогу, тошноту, запоры и диарею.

При беременности избыток железа повышает риск развития патологии плаценты (увеличивается свободно-радикальное окисление в результате чего гибнут митохондрии – кислородные «депо» клеток).

При патологических нарушениях усвоения железа повышен риск заболевания гемохроматоз – накопление железа во внутренних органах (печени, сердце, поджелудочной железе).

В каких продуктах содержится железо

Запасы железа пополняют за счет продуктов животного и растительного происхождения. Первые содержат «гемовое» железо, вторые – «негемовое».

Для усвоения гемового употребляют продукты животного происхождения – телятину, говядину, свинину, крольчатину и субпродукты (печень, почки). Для получения пользы от негемового нужно одновременно с железосодержащими продуктами употреблять витамин С .

Рекордсменами по содержанию железа считаются такие продукты растительного происхождения, мг Fe2+:

• арахис – в 200 г продукта содержится 120;
• соя – в 200 г продукта – 8,89;
• картофель – в 200 г продукта – 8,3;
• фасоль белая– в 200 г продукта – 6,93;
• бобы – в 200 г продукта – 6,61;
• чечевица – в 200 г продукта – 6,59;
• шпинат – в 200 г продукта – 6,43;
• свекла (ботва) – в 200 г продукта – 5,4;
• нут – в 100 г продукта – 4,74;
• брюссельская капуста– в 200 г продукта – 3,2;
• капуста белокочанная– в 200 г продукта – 2,2;
• зеленый горошек – в 200 г продукта – 2,12.

Из злаковых в рацион лучше включать овсяную и гречневую крупы, непросеянную муку, ростки пшеницы. Из трав тимьян, сезам (кунжут). Много железа содержится в сушеных белых грибах и лисичках, абрикосах, персиках, яблоках, сливе, айве. А также инжире, гранате и сухофруктах.

В числе продуктов животного происхождения запасы железа в говяжьих почках и печени, рыбе, яйцах (желток). В мясных продуктах – телятине, свинине, крольчатине, индейке. Морепродукты (моллюски, улитки, устрицы). Рыба (скумбрия, горбуша).

Усвояемость железа

Интересно, что при употреблении мясных продуктов железо усваивается на 40-50%, при употреблении рыбных продуктов – на 10%. Рекордсмен по усвоению железа– печень животных.

Из продуктов растительного происхождения процент железа, который усваивается, еще меньше. Из бобовых человек усваивает до 7%, из орехов – 6, из фруктов и яиц – 3, из приготовленных круп – 1.

Совет! Пользу для организма несет рацион, в котором сочетаются продукты растительного и животного происхождения. При добавлении 50 г мяса к овощам усвояемость железа возрастает в два раза. При добавлении 100 г рыбы – в три раза, при добавлении фруктов, содержащих витамин C – в пять раз

Как сохранить железо в пище и его сочетание с другими веществами

При приготовлении продукты теряют часть полезных веществ, и железо не исключение. Железо в продуктах животного происхождения более устойчиво к воздействию высокой температуры. С овощами и фруктами все сложнее – часть железа переходит в воду, в которой готовятся продукты. Единственный выход – минимизировать термическую обработку продуктов растительного происхождения.

Чтобы повысить усвоение железа, употребляйте железосодержащие продукты вместе с витамином С. Достаточно половинки грейпфрута или апельсина, чтобы организм усвоил его в три раза больше. Единственный нюанс – данное правило действует только с железосодержащими продуктами растительного происхождения.

В рационе обязателен витамин А , недостаток которого блокирует способности организма использовать запасы железа для формирования эритроцитов (красные кровяные тельца).

При недостатке меди железо теряет «мобильность», в результате чего нарушается процесс транспортировки полезных веществ из «хранилищ» в клетки и органы. Чтобы этого избежать, включайте в рацион больше бобовых.

Сочетание железа с витаминами группы В : «работоспособность» последних многократно усиливается.

А вот молочную пищу и зерна лучше употреблять отдельно от железосодержащих продуктов, так как они блокируют всасывание микроэлемента в кишечнике.

Суточная норма железа

• до 6 месяцев – 0,3;
• 7-11 месяцев – 11;
• до 3 лет – 7;
• до 13 лет – 8–10.

Подростки:

• от 14 до 18 лет (мальчики) – 11; девочки – 15.

Взрослые:

• мужчины – 8–10;
• женщины до 50 лет – 15–18; старше 50 лет – 8–10, беременные – 25–27.

Чем опасен недостаток железа в организме

Недостаток железа в организме опасен следующим состоянием:

• острой анемией, или малокровием – снижением концентрации гемоглобина в крови, при котором также уменьшается количество эритроцитов и изменяется их качественный состав. Результат малокровия – снижение дыхательной функции крови и развитие кислородного голодания тканей. Распознать острую анемию можно по бледности кожных покровов и повышенной утомляемости. Слабость, регулярная головная боль и головокружение – признаки нехватки железа. Тахикардия (учащенное сердцебиение) и одышка – предвестники проблем с сердцем и легкими;
• утомляемостью и слабостью в мышцах;
• чрезмерными менструальными кровотечениями у женщин.

Недостаток железа в организме приводит к ухудшению состояния кожных покровов, ломкости ногтей, выпадению волос. Ухудшение памяти, повышенная раздражительность – признаки дефицита железа. Снижение работоспособности и постоянная сонливость – предвестники кислородного голодания.

Недостаток железа может быть спровоцирован такими факторами:

• повышенной потерей крови. Первопричиной такого варианта развития событий может быть донорское переливание крови, обильное кровотечение у женщин и повреждения мягких тканей;
• интенсивные физические нагрузки аэробной и аэробно-силовой направленности (те, которые развивают выносливость). Во время таких упражнений эритроцитам приходится быстрее переносить кислород, в результате чего дневной расход гемоглобина может увеличиться почти в два раза;
• активная умственная деятельность. Во время творческой работы активно расходуются не только запасы железа, но и гликогена, запасенного в печени и мышцах;
• заболевания органов желудочно-кишечного тракта: гастрит с пониженной кислотностью, язва двенадцатиперстной кишки, цирроз печени, аутоиммунные заболевания кишечника провоцируют плохое всасывание железа.

Как быстро восполнить недостаток железа

Чтобы восполнить дефицит железа в организме, диетологи рекомендуют употреблять продукты растительного и животного происхождения. Первые являются источником так называемого «негемового» железа, то есть железа, которое не входит в состав гемоглобина. В таких продуктах железо обычно идет в сочетании с витамином С.

Лучше всего дефицит железа восполняют такие «негемовые» продукты как бобовые и зеленые листовые овощи, а также цельные зерна.

«Гемовые» продукты содержат железо, входящее в состав гемоглобина. Наибольшие запасы гемоглобина характерны для всей пищи животного происхождения, а также морепродуктов. В отличие от «негемовых», «гемовые» продукты быстрее восполняют запасы железа, так как организм легче их усваивает.

Совет! Несмотря на то, что «гемовые» продукты быстрее усваиваются организмом, не стоит чрезмерно ими увлекаться. Для восполнения запасов железа лучше всего сочетать продукты растительного и животного происхождения, например, зеленые листовые овощи и красные сорта мяса

Однако важно помнить о секретах приготовления пищи, ведь именно от способов приготовления зависит конечный процент железа в продуктах питания. Например, цельные зерна при переработке теряют около 75% запасов железа. Вот почему мука из цельных зерен практически не несет пользы для организма. Примерно то же самое происходит при приготовлении пищи растительного происхождения при помощи варки – часть железа остается в составе воды. Если варить шпинат в течение 3 мин., от запасов железа останется не более 10%.

Если хотите получить максимальную пользу от продуктов питания растительного происхождения, старайтесь избегать длительной термической обработки и минимизируйте количество воды. Идеальный способ приготовления – на пару.

С продуктами животного происхождения все намного проще – железо, входящее в состав гемоглобина, обладает высокой устойчивостью к термической обработке.

Что нужно знать об избытке железа в организме

Несправедливым было бы полагать, что опасность для здоровья представляет исключительно недостаток железа. Его избыток также чреват неприятными симптомами. Из-за чрезмерного накопления железа в организме нарушается работа многих функциональных систем.

Причины передозировки. Чаще всего причиной повышенной концентрации микроэлемента становится генетический сбой, в результате которого увеличивается всасываемость железа кишечником. Реже – переливание крови в большом количестве и неконтролируемое использование железосодержащих препаратов. Последнее случается при самостоятельном увеличении дозы железосодержащего препарата при пропуске очередного приема.

При избытке железа в организме обычно бывает такое:

• изменяется пигментации кожи (симптомы часто путают с гепатитом) – желтеют ладони, подмышки, темнеют старые шрамы. Склеры, нёбо ротовой полости и язык также приобретают желтоватый оттенок;
• нарушается сердечный ритм, увеличивается печень;
• снижается аппетит, повышается утомляемость, учащаются приступы головной боли;
• нарушается деятельность органов пищеварения – тошнота и рвота чередуются с диареей, в области желудка появляется ноющая боль;
• снижается иммунитет;
• повышается вероятность развития инфекционных и опухолевых патологий, например, рака печени и кишечника, а также развитие ревматоидного артрита.

Препараты, содержащие железо

К препаратам железа относят медикаменты, содержащие соли и комплексы соединений микроэлемента, а также его сочетания с другими минералами.

Во избежание патологических состояний и осложнений железосодержащие препараты следует принимать только по предписанию врача после ряда анализов. В противном случае избыток железа может привести к нарушению работы сердца, печени, желудка, кишечника и головного мозга.

• запиваются небольшим количеством воды;
• несочетаемы с препаратами кальция, Тетрациклином, Левомицетином, а также антацидами (Альмагель, Фосфалюгель и т. д.);
• принимаются в строгой дозировке. Если по каким-то причинам очередной прием препарат был пропущен, следующая доза остается неизменной. Передозировка железа (300 миллиграммов в сутки) может привести к летальному исходу;
• минимальный курс – два месяца. В течение первого месяца нормализуются показатели гемоглобина и эритроцитов. В дальнейшем приём препаратов направлен на восполнение запасов железа (наполнение «депо»). Дозировка в течение второго месяца снижается.

Следует помнить, что даже при соблюдении всех мер предосторожности прием железосодержащих препаратов может стать причиной таких побочных эффектов как гиперемия кожи, тошнота, снижение аппетита, сонливость, головная боль, нарушение деятельности органов пищеварения (запор, диарея, кишечная колика, изжога и отрыжка), металлический привкус во рту. В некоторых случаях могут потемнеть зубы (в полости рта содержится сероводород, который при взаимодействии с железом преобразуется в сульфид железа).

Совет! Чтобы избежать потемнения зубов (особенно актуально при кариесе), сразу же после приема железосодержащих препаратов ротовую полость нужно прополоскать. Если препарат выпускается в жидкой лекарственной форме, его лучше принимать через трубочку. При появлении любого из этих симптомов прием лекарств нужно немедленно прекратить

Обзор железосодержащих средств подан ниже.

В числе наиболее часто назначаемых препаратов железа Конферон, Феракрил, Феррум лек, Гемостимулин. Их преимущества – максимально точная дозировка и минимум побочных эффектов.

Дозировка препарата рассчитывается индивидуально – 2 мг на 1 кг массы тела пациента (но не более 250 мг в сутки). Для лучшего всасывания лекарства принимают во время пищи, запивая небольшим количеством жидкости.

Положительные изменения (увеличение количества ретикулоцитов) диагностируют уже через неделю после начала приема средств. Еще через две-три недели увеличивается концентрация гемоглобина.

Противопоказания к приему железосодержащих препаратов

Инъекции железа и их особенности описано ниже. Помимо железосодержащих капсул и таблеток, назначаются инъекции. Их прием необходим при:

• хронических патологиях органов пищеварения, сопровождаемых пониженной всасываемостью железа. Диагнозы: панкреатит (воспаление поджелудочной железы), синдром мальабсорбции, целиакия, энтерит;
• язвенном колите неспецифического характера;
• непереносимости солей железа или гиперчувствительности с аллергическими проявлениями;
• язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки в периоды обострения;
• постоперационный период после удаления части желудка или тонкого кишечника.

Преимуществом инъекций является быстрое и максимальное насыщение железом по сравнению с другими формами выпуска препаратов.

Важно! При приеме таблеток и капсул максимальная доза не должна превышать 20-50 мг (при приеме 300 мг железа возможен летальный исход). При инъекции максимальной дозой считается 100 мг препарата железа

Побочные эффекты при введении железа с помощью инъекции: уплотнения (инфильтраты) тканей в месте введения препарата, флебиты, абсцессы, аллергическая реакция (в худшем случае – сразу развивается анафилактический шок), ДВС-синдром, передозировка железа.

Разновидности препаратов поданы в таблице

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Железо - двадцать шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Fe от латинского «ferrum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 26.

Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.

К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ×3H 2 O и шпатовый железняк FeCO 3 .

Железо - серебристый (рис. 1) пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты - от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.

Рис. 1. Железо. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса железа

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.

Аллотропия и аллотропные модификации железа

Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая - кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 o С и от 1394 o С до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5 o С. Между 912 o С и от 1394 o С устойчиво γ-железо.

Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912 o С и выше 1394 o С энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 — 1394 o С - больше.

Изотопы железа

Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 57 Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа 54 Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является 60 Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.

Ионы железа

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Fe 0 -2e → Fe 2+ ;

Fe 0 -3e → Fe 3+ .

Молекула и атом железа

В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:

Сплавы железа

До XIX века из сплавов железа были известны в основном его сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1