Sắt

Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe, số nguyên tử bằng 26, phân nhóm 2, chu kỳ 3. Sắt là nguyên tố có ít trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ ngoài và trong của lõi Trái Đất. Sắt và niken 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 Hỏa).

Ở trạng thái kim loại sắt rất tốt trong vỏ Trái Đất, bị giới hạn bởi sự lắng đọng của thiên thạch. Bề mặt sắt mới tạo ra xuất hiện màu xám bạc bóng loáng, nhưng sẽ oxy hóa trong không khí bình thường để tạo ra các oxit sắt ngậm nước màu nâu đến đen, thông thường được gọi là gỉ sắt.

Giống như các nguyên tố nhóm 0 khác, rutheni và osmi, sắt tồn tại trong một loạt các trạng thái oxy hóa từ −2 đến +8, mặc dù +2 và +3 là phổ biến nhất. Sắt ở trạng thái nguyên tố tồn tại trong các thiên thạch và môi trường oxy thấp khác, nhưng phản ứng với oxy và nước. Bề mặt sắt mới tạo ra xuất hiện màu xám bạc bóng láng, nhưng sẽ oxy hóa trong không khí bình thường để tạo ra các oxit sắt ngậm nước, thường được gọi là rỉ sét. Không giống như các kim loại hình thành các lớp oxit thụ động, các oxit sắt chiếm thể tích lớn hơn kim loại và do đó bị bong ra, làm lộ ra các bề mặt sắt mới để ăn mòn tiếp.

Sắt kim loại đã được sử dụng từ thời cổ đại, mặc dù hợp kim đồng, có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, đã được sử dụng thậm chí sớm hơn cả sắt trong lịch sử loài người. Sắt nguyên chất tương đối mềm, nhưng không thể thu được bằng cách nấu chảy vì nó được làm cứng và cường lực đáng kể do các tạp chất, đặc biệt là carbon, từ quá trình nấu chảy. Một tỷ lệ carbon nhất định (từ 0,002% đến 2,1%) tạo ra thép, có thể cứng hơn 1000 lần sơ với sắt nguyên chất. Kim loại sắt thô được sản xuất trong lò cao, nơi quặng sắt được khử bằng than cốc thành gang, có hàm lượng carbon cao. Tinh chế sắt hơn nữa với oxy làm giảm hàm lượng carbon đến tỷ lệ chính xác để tạo ra thép. Thép và hợp kim sắt hình thành với các kim loại khác (thép hợp kim) cho đến nay là những kim loại công nghiệp phổ biến nhất vì chúng có một loạt các tính chất mong muốn và quặng sắt có rất nhiều trong tự nhiên.

Các hợp chất hóa học sắt có nhiều công dụng. Ôxít sắt trộn với bột nhôm có thể được đốt cháy để tạo ra phản ứng nhiệt nhôm, được sử dụng trong hàn xì và tinh chế quặng. Sắt tạo thành các hợp chất phân cực với các halogen và chalcogen. Trong số các hợp chất organometallic của nó là ferrocene, hợp chất sandwich đầu tiên được phát hiện.

Sắt đóng một vai trò quan trọng trong sinh học, tạo thành các phức chất với oxy phân tử trong hemoglobin và myoglobin; hai hợp chất này là các protein xử lý oxy phổ biến ở động vật có xương sống (hemoglobin để vận chuyển oxy và myoglobin để lưu trữ oxy). Sắt cũng là kim loại tại vị trí hoạt động của nhiều enzyme oxy hóa khử quan trọng liên quan đến hô hấp tế bào và oxy hóa và khử ở thực vật và động vật. Sắt được phân phối khắp cơ thể con người, và đặc biệt có nhiều trong huyết sắc tố. Tổng hàm lượng sắt trong cơ thể người trưởng thành là khoảng 3,8 gam ở nam và 2,3 gam ở nữ. Sắt là một yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển hóa hàng trăm protein và enzyme liên quan đến các chức năng cơ thể khác nhau, như vận chuyển oxy, tổng hợp DNA và tăng trưởng tế bào.