Demir, kimyasal bir elementtir; Fe sembolüne (Latince ferrum 'demir'den) ve 26 atom numarasına sahiptir. Periyodik tablonun ilk geçiş serisine ve 8. grubuna ait bir metaldir. Kütle olarak Dünya'daki en yaygın elementtir ve Dünya'nın dış ve iç çekirdeğinin çoğunu oluşturur. Dünya kabuğunda dördüncü en bol bulunan elementtir ve çoğunlukla metalik haldeki meteorlar tarafından biriktirilir.

Demir cevherlerinden kullanılabilir metal çıkarmak, bakır eritmek için gerekenden yaklaşık 500 °C (932 °F) daha yüksek olan 1.500 °C'ye (2.730 °F) ulaşabilen fırınlar veya ocaklar gerektirir. İnsanlar bu işlemi MÖ 2. binyılda Avrasya'da öğrenmeye başladılar ve demir aletler ve silahların kullanımı bakır alaşımlarının yerini almaya başladı - bazı bölgelerde sadece MÖ 1200 civarında. Bu olay Bronz Çağı'ndan Demir Çağı'na geçiş olarak kabul edilir. Modern dünyada çelik, paslanmaz çelik, dökme demir ve özel çelikler gibi demir alaşımları, mekanik özellikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle açık ara en yaygın endüstriyel metallerdir. Bu nedenle demir ve çelik endüstrisi ekonomik olarak çok önemlidir ve demir, kilogram veya pound başına birkaç dolarlık bir fiyatla en ucuz metaldir.

Saf ve pürüzsüz saf demir yüzeyler ayna gibi gümüş grisidir. Demir, oksijen ve suyla kolayca reaksiyona girerek pas olarak bilinen kahverengi ila siyah hidratlı demir oksitler üretir. Pasifleştirici katmanlar oluşturan diğer bazı metallerin oksitlerinin aksine, pas metalden daha fazla hacim kaplar ve böylece soyularak daha fazla taze yüzeyin korozyona maruz kalmasına neden olur. Kimyasal olarak, demirin en yaygın oksidasyon durumları demir(II) ve demir(III)'tür. Demir, diğer grup 8 elementleri, rutenyum ve osmiyum dahil olmak üzere diğer geçiş metallerinin birçok özelliğini paylaşır. Demir, -4 ila 7 arasında çok çeşitli oksidasyon durumlarında bileşikler oluşturur. Demir ayrıca birçok koordinasyon kompleksi oluşturur; bunlardan bazıları, ferrosen, ferrioksalat ve Prusya mavisi gibi, önemli endüstriyel, tıbbi veya araştırma uygulamalarına sahiptir.

Yetişkin bir insanın vücudu yaklaşık 4 gram (%0,005 vücut ağırlığı) demir içerir, çoğunlukla hemoglobin ve miyoglobinde bulunur. Bu iki protein kan yoluyla oksijen taşınmasında ve kaslarda oksijen depolanmasında önemli roller oynar. Gerekli seviyeleri korumak için, insan demir metabolizması diyette minimum demir gerektirir. Demir ayrıca bitkilerde ve hayvanlarda hücresel solunum ve oksidasyon ve redüksiyonla ilgilenen birçok önemli redoks enziminin aktif bölgesindeki metaldir.[10]

Allotroplar

En azından demirin dört allotropu (katıdaki farklı atom düzenlemeleri) bilinmektedir ve bunlar geleneksel olarak α, γ, δ ve ε olarak gösterilir.

İlk üç form sıradan basınçlarda gözlemlenir. Erimiş demir 1538 °C'lik donma noktasının ötesine soğudukça, gövde merkezli kübik (bcc) kristal yapısına sahip δ allotropuna kristalleşir. 1394 °C'ye daha fazla soğudukça, yüz merkezli kübik (fcc) kristal yapısı olan γ-demir allotropuna veya ostenite dönüşür. 912 °C ve altında, kristal yapı tekrar bcc α-demir allotropu haline gelir.[11]

Demirin çok yüksek basınç ve sıcaklıklardaki fiziksel özellikleri de, Dünya ve diğer gezegenlerin çekirdekleri hakkındaki teorilerle alakalı olması nedeniyle kapsamlı bir şekilde incelenmiştir[12][13]. Yaklaşık 10 GPa'nın üzerinde ve birkaç yüz kelvin veya daha düşük sıcaklıklarda, α-demir, ε-demir olarak da bilinen başka bir altıgen sıkı paketlenmiş (hcp) yapıya dönüşür. Daha yüksek sıcaklıktaki γ-fazı da ε-demire dönüşür[13], ancak bunu daha yüksek basınçta yapar.

50 GPa'nın üzerindeki basınçlarda ve en az 1500 K'lık sıcaklıklarda kararlı bir β fazı için bazı tartışmalı deneysel kanıtlar mevcuttur. Ortorombik veya çift hcp yapısına sahip olduğu varsayılmaktadır.[14] (Kafa karıştırıcı bir şekilde, "β-demir" terimi bazen, kristal yapısı değişmemiş olmasına rağmen, ferromanyetikten paramanyetik hale geldiğinde Curie noktasının üzerindeki α-demiri ifade etmek için de kullanılır.[11])

Dünya'nın iç çekirdeğinin genellikle ε (veya β) yapısına sahip bir demir-nikel alaşımından oluştuğu varsayılmaktadır.[15]

Erime ve kaynama noktaları

Demirin erime ve kaynama noktaları, atomizasyon entalpisiyle birlikte, skandiyumdan kroma kadar olan önceki 3d elementlerden daha düşüktür ve bu, çekirdek tarafından inert çekirdeğe daha fazla çekildikçe 3d elektronların metalik bağa daha az katkıda bulunduğunu gösterir;[16] ancak, bu elementin yarı dolu bir 3d alt kabuğu olduğundan ve dolayısıyla d-elektronlarının kolayca delokalize olmamasından dolayı önceki element manganez için değerlerden daha yüksektir. Aynı eğilim rutenyum için de görülür ancak osmiyum için görülmez.[17]

Demirin erime noktası, 50 GPa'dan düşük basınçlar için deneysel olarak iyi tanımlanmıştır. Daha yüksek basınçlar için, yayınlanmış veriler (2007 itibariyle) hala onlarca gigapaskal ve bin kelvinin üzerinde değişmektedir.[18]

Manyetik özellikler

770 °C'lik (1.420 °F; 1.040 K) Curie noktasının altında, alfa-demir paramagnetikten ferromanyetik hale dönüşür: her atomdaki iki eşleşmemiş elektronun spinleri genellikle komşularının spinleriyle hizalanır ve genel bir manyetik alan yaratır.[20] Bunun nedeni, bu iki elektronun (dz2 ve dx2 - y2) orbitallerinin kafesteki komşu atomlara doğru işaret etmemesi ve bu nedenle metalik bağ oluşumuna dahil olmamasıdır.[11]

Harici bir manyetik alan kaynağının yokluğunda, atomlar kendiliğinden yaklaşık 10 mikron genişliğinde manyetik alanlara bölünürler[21], böylece her alandaki atomlar paralel spinlere sahip olur, ancak bazı alanlar başka yönelimlere sahiptir. Bu nedenle, makroskobik bir demir parçası neredeyse sıfır genel manyetik alana sahip olacaktır.

Harici bir manyetik alanın uygulanması, aynı genel yönde mıknatıslanmış alanların, diğer yönlere işaret eden bitişik alanlar pahasına büyümesine neden olarak harici alanı güçlendirir. Bu etki, elektrik transformatörleri, manyetik kayıt kafaları ve elektrik motorları gibi tasarım işlevini yerine getirmek için manyetik alanları kanalize etmesi gereken cihazlarda kullanılır. Kirlilikler, kafes kusurları veya tanecik ve parçacık sınırları, alanları yeni konumlara "sabitleyebilir", böylece etki harici alan kaldırıldıktan sonra bile devam eder - böylece demir nesneyi (kalıcı) bir mıknatısa dönüştürür.[20]

Benzer davranış, mineral manyetit, karışık demir(II,III) oksit Fe3O4'ün kristal bir formu olan ferritler gibi bazı demir bileşikleri tarafından sergilenir (atomik ölçekli mekanizma, ferrimanyetizma, biraz farklı olsa da). Doğal kalıcı manyetizasyona sahip manyetit parçaları (manyetik taşlar), navigasyon için en eski pusulaları sağlamıştır. Manyetit parçacıkları, kobalt bazlı malzemelerle değiştirilene kadar çekirdek bellekler, manyetik bantlar, disketler ve disketler gibi manyetik kayıt ortamlarında yaygın olarak kullanılmıştır.

İzotoplar

Demirin dört kararlı izotopu vardır: 54Fe (%5,845 doğal demir), 56Fe (%91,754), 57Fe (%2,119) ve 58Fe (%0,282). Yirmi dört yapay izotop da yaratılmıştır. Bu kararlı izotoplardan sadece 57Fe'nin nükleer spini (-1⁄2) vardır. 54Fe nükleidi teorik olarak 54Cr'ye çift elektron yakalama geçirebilir, ancak süreç hiçbir zaman gözlemlenmemiştir ve sadece 4,4×1020 yıllık yarı ömür için bir alt sınır belirlenmiştir.[22]

60Fe, uzun yarı ömre (2,6 milyon yıl) sahip soyu tükenmiş bir radyonükliddir.[23] Dünya'da bulunmaz, ancak nihai bozunma ürünü torunu, kararlı nükleit 60Ni'dir.[9] Demirin izotopik bileşimi üzerine yapılan geçmiş çalışmaların çoğu, meteorlar ve cevher oluşumu çalışmaları yoluyla 60Fe'nin nükleosentezine odaklanmıştır. Son on yılda, kütle spektrometrisindeki gelişmeler, demirin kararlı izotoplarının oranlarında doğal olarak oluşan küçük değişikliklerin tespit edilmesine ve kantifikasyonuna olanak sağlamıştır. Bu çalışmaların çoğu Dünya ve gezegen bilimi toplulukları tarafından yönlendirilmektedir, ancak biyolojik ve endüstriyel sistemlere uygulamalar ortaya çıkmaktadır.[24]

Semarkona ve Chervony Kut meteorlarının evrelerinde, 60Fe'nin torunu olan 60Ni konsantrasyonu ile kararlı demir izotoplarının bolluğu arasındaki korelasyon, Güneş Sistemi'nin oluşumu sırasında 60Fe'nin varlığına dair kanıt sağladı. Muhtemelen 60Fe'nin bozunmasıyla açığa çıkan enerji, 26Al tarafından açığa çıkan enerjiyle birlikte, 4,6 milyar yıl önce oluştuktan sonra asteroitlerin yeniden erimesine ve farklılaşmasına katkıda bulundu. Dünya dışı materyalde bulunan 60Ni'nin bolluğu, Güneş Sistemi'nin kökeni ve erken tarihi hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir.[25]

En bol bulunan demir izotopu 56Fe, nükleer bilim insanları için özellikle ilgi çekicidir çünkü nükleosentezin en yaygın son noktasını temsil eder.[26] 56Ni (14 alfa parçacığı) süpernovalardaki nükleer reaksiyonlarda alfa sürecinde daha hafif çekirdeklerden kolayca üretilebildiğinden (silisyum yakma sürecine bakınız), son derece büyük kütleli yıldızların içindeki füzyon zincirlerinin son noktasıdır.

Daha fazla alfa parçacığı eklemek mümkün olsa da, yine de dizi etkili bir şekilde 56Ni'de son bulur çünkü yıldız içlerindeki koşullar fotoparçalanma ve alfa süreci arasındaki rekabeti 56Ni civarında fotoparçalanmayı destekler hale getirir.[27][28] Yaklaşık 6 günlük bir yarı ömre sahip olan bu 56Ni, bu yıldızlarda bol miktarda üretilir, ancak kısa süre sonra süpernova kalıntısı gaz bulutundaki süpernova bozunma ürünleri içindeki iki ardışık pozitron emisyonuyla önce radyoaktif 56Co'ya ve sonra kararlı 56Fe'ye bozunur. Bu nedenle demir, kırmızı devlerin çekirdeğindeki en bol bulunan elementtir ve demir meteoritlerde ve Dünya gibi gezegenlerin yoğun metal çekirdeklerinde en bol bulunan metaldir.[29] Ayrıca, yaklaşık olarak aynı atom ağırlığına sahip diğer kararlı metallere kıyasla evrende çok yaygındır.[29][30] Demir, evrendeki altıncı en bol bulunan elementtir ve en yaygın refrakter elementtir.[31]

56Fe'den biraz daha yüksek bir bağlanma enerjisine sahip olan 62Ni'yi sentezleyerek daha küçük bir enerji kazanımı elde edilebilse de, yıldızlardaki koşullar bu işlem için uygun değildir. Süpernovalardaki element üretimi nikele göre demiri büyük ölçüde destekler ve her durumda, 56Fe daha hafif protonların daha yüksek kesri nedeniyle 62Ni'den daha düşük bir nükleon başına kütleye sahiptir.[32] Bu nedenle, demirden daha ağır elementler, 56Fe çekirdeklerinin başlatılmasıyla hızlı bir nötron yakalamayı içeren oluşumları için bir süpernova gerektirir.[29]

Evrenin uzak geleceğinde, proton bozunmasının gerçekleşmediğini varsayarsak, kuantum tünelleme yoluyla gerçekleşen soğuk füzyon, sıradan maddedeki hafif çekirdeklerin 56Fe çekirdeklerine dönüşmesine neden olurdu. Fisyon ve alfa parçacığı emisyonu daha sonra ağır çekirdeklerin demire bozunmasına neden olur ve tüm yıldız kütlesindeki nesneleri saf demirden oluşan soğuk kürelere dönüştürürdü.[33]

Daha fazla Demir için / https://en.wikipedia.org/wiki/Iron

-------------

Referanslar

1. "Standart Atom Ağırlıkları: Demir". CIAAW. 1993.
2. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (4 Mayıs 2022). "Elementlerin standart atom ağırlıkları 2021 (IUPAC Teknik Raporu)". Saf ve Uygulamalı Kimya. doi:10.1515/pac-2019-0603. ISSN 1365-3075.
3. ^ Yukarı atla:
4. a b c Arblaster, John W. (2018). Elementlerin Kristalografik Özelliklerinin Seçilmiş Değerleri. Materials Park, Ohio: ASM International. ISBN 978-1-62708-155-9.
5. ^ Yukarı atla:
6. a b c d e Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Elementlerin Kimyası (2. basım). Butterworth-Heinemann. s. 28. ISBN 978-0-08-037941-8.
7. ^ Ram, RS; Bernath, PF (2003). "FeCl'nin g4Δ–a4Δ sisteminin Fourier dönüşüm emisyon spektroskopisi". Moleküler Spektroskopi Dergisi. 221 (2): 261. Bibcode:2003JMoSp.221..261R. doi:10.1016/S0022-2852(03)00225-X.
8. ^ Demazeau, G.; Buffett, B.; Pouchard, M.; Hagenmüller, P. (1982). "Geçiş elementlerinin yüksek oksidasyon durumları alanında son gelişmeler, altı-koordineli Demir(V)'in oksit stabilizasyonu". İnorganik ve Genel Kimya Dergisi. 491: 60–66. doi:10.1002/zaac.19824910109.
9. ^ Lu, J.; Jian, J.; Huang, W.; Lin, H.; Li, J; Zhou, M. (2016). "FeO4−'de Fe(VII) oksidasyon durumunun deneysel ve teorik olarak tanımlanması". Fiziksel Kimya Kimyasal Fizik. 18 (45): 31125–31131. Bibkodu:2016PCCP...1831125L. doi:10.1039/C6CP06753K. PMID 27812577.
10. ^ Cardarelli, François (2008). Malzeme El Kitabı: Özlü Bir Masaüstü Referansı. Londra: Springer. s. 65. ISBN 1-84628-668-9.
11. ^ Yukarı atla:
12. a b Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Nükleer özelliklerin NUBASE2020 değerlendirmesi" (PDF). Çin Fiziği C. 45 (3): 030001. doi:10.1088/1674-1137/abddae.
13. ^ Yukarı atla:
14. a b c d e f g h i j k l m n o p q "Demir". Mikronutrient Bilgi Merkezi, Linus Pauling Enstitüsü, Oregon Eyalet Üniversitesi, Corvallis, Oregon. Nisan 2016. Erişim tarihi: 6 Mart 2018.
15. ^ Yukarı atla:
16. a b c d e f g h Greenwood & Earnshaw 1997, s. 1075–79.
17. ^ Tateno S, Hirose K (2010). "Dünya'nın İç Çekirdeğindeki Demirin Yapısı". Bilim. 330 (6002). Amerikan Bilim İlerlemesi Derneği: 359–361. Bibkodu:2010Sci...330..359T. doi:10.1126/science.1194662. PMID 20947762. S2CID 206528628.
18. ^ Yukarı atla:
19. a b Chamati, Gaminchev (2014). "Yüksek basınç altında Fe'nin dinamik kararlılığı". Fizik Dergisi. 558 (1). IOP Yayıncılık: 012013. Bibkodu:2014JPhCS.558a2013G. doi:10.1088/1742-6596/558/1/012013.
20. ^ Boehler, Reinhard (2000). "Yüksek basınç deneyleri ve alt manto ve çekirdek malzemelerinin faz diyagramı". Jeofizik İncelemeleri. 38 (2). Amerikan Jeofizik Birliği: 221–45. Bibkodu:2000RvGeo..38..221B. doi:10.1029/1998RG000053. S2CID 33458168.