DALTONSKÝ PLÁN ŽELEZO Jak nádherné je pocítit jednotu celého komplexu jevů, které se při bezprostředním chápání zdají být nesourodými. Albert Einstein Jméno, příjmení: Třída: Datum zadání: Datum odevzdání: Hodnocení: Daltonský plán, který máte před sebou vám pomůže rozšířit vaše vědomosti týkající se prvku železa. Za správné vyplnění celého plánu můžete získat 88 bodů. První čtyři otázky jsou povinné, ty musíte mít, ostatní jsou volitelné. Nevyplňujte sami otázky označené jako referát. Ty si vyplníte během prezentace vašich spolužáků. Za každou otázkou máte v závorce uvedený počet bodů, které za ni můžete získat. Na vyplnění úkolů máte osm vyučovacích hodin. Nezapomeňte vyplnit úkolový list. Literaturu, kterou můžete použít: 8, 13, 17, 22, 29, 42, 44, 45, 46 35
1) Známý kov Tento prvek patří k nejrozšířenějším v přírodě (4. místo). Člověk se ho naučil vyrábět a zpracovávat už v nejstarších historických dobách. Patří k neušlechtilým kovům a má feromagnetické vlastnosti. Uvedený kov byl nejdříve získán z meteoritů, ve kterých se vyskytuje v ryzí podobě. Znám byl sibiřský meteorit, jež byl nalezen roku 1749 a vážil 635 kg. Poprvé byl tento kov vyroben v době, která následovala po době bronzové. V přírodě se však vyskytuje v rudách, např. v magnetitu (1), hematitu (2), sideritu (3), pyritu (4), limonitu (5). Z těchto rud (kromě pyritu, ten totiž obsahuje velké množství těžko oddělitelné síry) se vyráběl čistý kov zahříváním v měkkých jámách s dostatečným nadbytkem dřevěného uhlí. Oheň se udržoval nejprve jen přírodním větrem, později jednoduchými měchy. Úkoly: Napište latinský a český název prvku a jeho chemickou značku. (3 body) Uveďte chemické názvy a vzorce rud označených (1) (5). (5 bodů) 2) Vlastnosti železa Čisté železo je poměrně měkký a kujný kov stříbrné barvy, který taje při teplotě 1535 C. Vyskytuje se ve třech alotropických modifikacích, které se liší krystalovou strukturou. Existence jednotlivých modifikací je závislá na teplotě. Doplňte teploty..α Fe..γ Fe..δ Fe Při které teplotě je železo po vložení do magnetického pole silně magnetické a jak se tato vlastnost nazývá? (5 bodů) 36
3) Spirála Projdi spirálou a vyznač vlastnosti, které nemá železo. (6 bodů) 4) Výroba železa referát Popište výrobu železa, ukažte nákres pece, objasněte pojmy: krychtový plyn, vsázka, nepřímá a přímá redukce, struska. (10 bodů) 5) Pyrit Proč není pyrit vhodný pro výrobu železa? (1 bod) 37
6) Chemické reakce Navrhněte chemické reakce, kterými je možno připravit uvedené sloučeniny podle následujícího schématu. Pod schéma se vzorci napište možné postupy chemickými reakcemi. (8 bodů) FeI 2 FeCl 2 FeSO 4 Fe FeCl 3 Fe 2 O 3 7) Zpracování železa - referát Objasněte úpravy a další zpracování železa, objasněte pojmy: litina, ocel, zkujňování a dezoxidace. (5 bodů) 8) Chemická šifra Řešením chemické šifry pomocí očíslované abecedy získáte název děje, kterému podléhá železo působením vzdušného kyslíku a vlhkosti. Charakterizujte děj chemickou rovnicí. Dále napište, jak je možné se tomuto ději bránit. (4 body) A B C D E F G H CH I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 3 1 1 1 3 2 Nápověda: písmeno G se vyjádří číslem 1 (pořadové číslo ve trojici) a orámováním G = 1 38
příslušným trojici, tedy: 9) Těžba rud Vyškrtněte státy, které netěží železnou rudu. (5 bodů) Alžírsko, Argentina, Austrálie, Brazílie, Čína, Finsko, Indie, Indonésie, Írán, JAR, Kanada, Nigérie, Rusko, Švédsko, Turecko, Ukrajina, USA 10) Železo a živý organismus Železo je jako biogenní prvek vázáno v rostlinných a živočišných organismech zejména v červeném krevním barvivu, jehož název je řešením směrovky. (1 bod) H E G M L B O O I N 11) Hydráty solí železa Řešením mezerovky získáte triviální název heptahydrátu síranu železnatého: z el en ásk al i ce Úkoly: Napište chemický vzorec této látky. (1 bod) Uveďte alespoň dva další příklady hydrátů solí (síranů). (2 body) 12) Komplexní sloučeniny železa Nakreslete strukturu [Fe(CO) 5 ]. Pojmenujte sloučeninu. Nazvěte typ strukturního uspořádání. (3 body) 39
Spojte pojmy, které k sobě patří. (9 bodů) 13) Spojení pojmů FeCl 3 K 3 [Fe(CN) 6 ] K 4 [ Fe(CN) 6 ]. 3H 2 O komplexní sloučenina trihydrát hexakyanoželeznatanu draselného červená krevní sůl žlutá krevní sůl chlorid železitý sublimace leptá měď hexakyanoželezitan draselný leptá kovy v elektrotechnice 14) Vysvětlení pojmů Vysvětlete pojmy: (2 body) Berlínská modř Thurnbullova modř 15) Zdroje železa v potravě Kvalitní rostlinné zdroje železa jsou sušené ovoce, celá obilná zrna, ořechy, zelená listová zelenina, semínka a luštěniny. Bohatá na železo je také sojová mouka, petrželová nať, potočnice, melasa a jedlé mořské řasy, ale tyto potraviny se obvykle konzumují jen v malém množství. Nejvíce železa ze živočišných potrav obsahují vepřová játra. K potravinám (100 g) uveďte obsah železa (mg). (8 bodů) Pistácie, mandle, čočka, rýže, vepřové maso, ořechy, meruňky, špenát. 40
16) Vstřebávání železa Správně přiřaďte, které železo z kterých potravin se v jakém množství vstřebává: (2 body) Fe maso 1 8 % Fe vejce, rostliny 22 % 17) Železo a nemoci s ním spojené Definujte, co je to anémie. Napište v kterých oblastech se s ní můžeme setkat a popište vnější příznaky této choroby. Napište, které orgány jsou postiženy při propuknutí nemoci. (4 body) 18) Doporučená denní dávka železa Napište doporučenou denní dávku železa. (4 body) Kojenci do 3 měsíců Děti Dospívající Ženy v období menstruace nebo těhotenství 41
Klíč správných odpovědí 1) Ferrum, železo, Fe (1) magnetit oxid železnato-železitý, FeO. Fe 2 O 3 (Fe 3 O 4 ) (2) hematit oxid železitý, Fe 2 O 3 (3) siderit uhličitan železnatý, FeCO 3 (4) pyrit disulfid železnatý, FeS 2 (5) limonit trihydrát oxidu železitého, 2 Fe 2 O 3. 3 H 2 O 2) 968 C, 1401 C nižší než 768 C, železo je feromagnetické 3) 3 modifikace α, β, γ neslučuje se s O 2, Cl 2 polokov nekov vyskytuje se pouze volné ušlechtilý kov 4) Výrobu železa lidstvo zdokonaluje již několik tisíciletí. Přesto nejsou některé děje spojené s touto výrobou dodnes detailně objasněny. Železo se vyrábí ve vysokých pecích. Vysoká pec je technologické zařízení válcového tvaru o průměru kolem 7 m. Její výška se pohybuje v rozmezí 25 až 30 m. Horní částí pece, tzv. krychtou, se do reakčního systému naváží vsázka a je odtud odváděn krychtový plyn, který obsahuje oxid uhelnatý (25 30 %) a uhličitý (8 12 %), vodík (1,5 4 %), methan (0,2 0,4 %) a dusík (58 60 %). Vsázka, která je složená z železné rudy (nejčastěji hematitu), koksu a vápence, se v horní části pece při teplotách 100 až 500 C vysouší. Při tom, jak postupně klesá do nitra pece, je vystavena stále vyšší teplotě. V zóně 42
s tepelným rozpětím od 400 do 1000 C dochází k termickému rozkladu vápence, v jehož průběhu vzniká oxid vápenatý a uhličitý: CaCO 3 CaO + CO 2 Při teplotách od 900 C probíhá i tzv. nepřímá redukce oxidů železa, která je zprostředkována oxidem uhelnatým. V jejím průběhu vznikají nižší oxidy železa, případně elementární kov v tuhém, houbovitém stavu: 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 FeO + CO Fe(s) + CO 2 Zároveň při uvedených teplotách dochází k tzv. nauhličování železa. Jedná se o proces, v jehož průběhu uhlík difunduje do tuhého houbovitého železa a tvoří s ním karbid triželeza Fe 3 C, který je v železe rozpustný jak v kapalné, tak v tuhé fázi. Na zvyšování obsahu uhlíku v soustavě se podílí jak oxidy uhlíku (CO, CO 2 ), tak přímý styk železa s koksem. Tento proces je velmi významný, protože s rostoucím obsahem uhlíku v železe klesá jeho bod tání. Nejnižšího bodu tání (1130 C) dosáhne soustava, která obsahuje 4,3 % uhlíku. Pokud se koncentrace uhlíku v soustavě dále zvyšuje, její bod tání opět roste. V nižší části pece dochází za vyšších teplot k přímé redukci oxidů železa uhlíkem: FeO + C Fe + CO Vznikající železo je již kapalné, opět tu dochází k jeho nauhličování. Roztavené, nauhličené surové železo se shromažďuje ve spodní části pece, v tzv. nístěji, odkud se vždy po několika hodinách vypouští odpichem. Železo je před oxidací chráněno vrstvou strusky, která má menší hustotu a vzniká z přítomného oxidu křemičitého a oxidu vápenatého. Její chemické složení v podstatě vyjadřuje vzorec CaSiO 3. Roztavená struska se z vysoké pece vypouští obdobným způsobem jako železo. Prudkým ochlazením se granuluje nebo se profukuje parou a převádí na tzv. struskovou vlnu. Struska se používá ve stavebnictví a k výrobě cementu. Nad místy, kde se vypouští struska, jsou otvory výfučny, kterými je do vysoké pece vháněn předehřátý vzduch. Spaluje se zde koks a vzniká tak oxid uhličitý: C + O 2 CO 2 V oblasti výfučen je v důsledku této silně exotermní reakce teplota kolem 2000 C. Vzniklý oxid uhličitý se okamžitě redukuje rozžhaveným koksem na oxid uhelnatý: CO 2 + C 2 CO Vznikající oxid uhelnatý stoupá pecí proti vsázce a redukuje v ní přítomné oxidy železa (nepřímá redukce). Současně s těmito ději dochází ve vyšší části pece, při teplotě kolem 400 C, ke katalyzovanému rozkladu oxidu uhelnatého: 2 CO CO 2 + C 43
Katalyzátorem reakce jsou oxidy železa. Vznikající uhlík vniká do pórovitého povrchu rud a podílí se na jejich redukci. Největší část vyrobeného železa vzniká přímou redukcí. 5) Pyrit není vhodný pro výrobu železa. Příčinou je velké množství síry obsažené v tomto minerálu. Železo se od síry těžko odděluje a ta, pokud zůstane vázána ve vyrobeném železe, má velmi nepříznivý vliv na jeho kvalitu. 6) Fe + H 2 SO 4 (zřeď.) FeSO 4 + H 2 Fe + I 2 FeI 2 Fe + 2 HCl FeCl 2 + H 2 2 Fe + 3 Cl 2 2 FeCl 3 (při vyšší teplotě) 4 Fe + 3 O 2 2 Fe 2 O 3 7) Surové železo, které bývá též označováno jako litina obsahuje větší množství příměsí, hlavně uhlík (více než 3 %), křemík, mangan a fosfor. Nejdůležitější příměsí je uhlík, 44
který je v surovém železe obsažen ve formě grafitu nebo jako karbid triželeza. Jeho přítomnost je příčinou velké křehkosti surového železa, které se proto z velké části dále zpracovává na ocel. Při výrobě oceli dochází k regulaci obsahu uhlíku a odstranění fosforu a síry ze surového železa. Existuje několik různých způsobů výroby oceli, ale dvě základní operace mají vždy společné. Jednou z nich je zkujňování, druhou dezoxidace. Podstatou zkujňování je oxidace příměsí obsažených v surovém železe. Provádí se buď působením vzdušného kyslíku nebo s využitím kyslíku obsaženého v oxidech železa. Vlastní zkujňování probíhá buď v konvertorech, nebo v nístějových plamenných či elektrických indukčních pecích. Při zkujňování dojde k částečné oxidaci železa na oxid železnatý, který se rozpouští v tavenině a oxiduje ostatní prvky, které jsou v tavenině rozpuštěné. Uhlík opouští taveninu ve formě oxidu uhelnatého. Mangan a křemík přecházejí na oxid manganatý a křemičitý. Oba oxidy společně s oxidem železnatým a vápenatým tvoří strusku, která má menší hustotu než roztavený kov. Fosfor se ze surového železa odstraňuje až po výrazném snížení obsahu uhlíku, který by v opačném případě redukoval vznikající oxid fosforečný. Pokud tavenina obsahuje zbytky uhlíku, je nutné do reakční směsi dodat nadbytek oxidu vápenatého, který převádí vznikající oxid fosforečný na bazický fosforečnan vápenatý. V tavenině obsažená síra se při vysoké teplotě a nadbytku oxidu vápenatého váže v sulfidu vápenatém, který je součástí strusky. FeS + Mn MnS + Fe MnS + CaO MnO + CaS Oxid železnatý rozpuštěný v tavenině způsobuje křehkost vznikající oceli. Proto musí být odstraněn přídavkem manganu nebo křemíku ve formě ferromanganu či ferrosilicia. Tato druhá fáze výroby oceli se označuje jako dezoxidace. Její průběh lze v případě manganu vyjádřit následující chemickou rovnicí: FeO + Mn MnO + Fe Vznikající oxid manganatý je v roztavené oceli málo rozpustný, a hromadí se proto na povrchu taveniny. 8) 9) Koroze je elektrochemický děj, který probíhá dlouhou dobu téměř konstantní rychlostí 4 Fe + 3 O 2 + 2x H 2 O 2 Fe 2 O 3. x H 2 O (rez) Ochrana: nátěry (suříková barva), galvanické pokovení (Cr, Ni, Zn aj.), fosfatace (vznik stálé nerozpustné sloučeniny Fe 3 (PO 4 ) 2 ) Brazílie, Čína, Austrálie, Ukrajina, Rusko 45
10) Hemoglobin 11) Zelená skalice - Fe(SO 4 ). 7 H 2 O Bílá skalice - Zn(SO 4 ). 7 H 2 O, Modrá skalice - Cu(SO 4 ). 5 H 2 O 12) Pentakarbonyl železa Trigonální bipyramida 13) FeCl 3 chlorid železitý, leptá měď, sublimace, leptání kovů v elektrotechnice K 3 [Fe(CN) 6 ] komplexní sloučenina, červená krevní sůl, hexakyanoželezitan draselný K 4 [Fe(CN) 6 ]. 3 H 2 O trihydrát hexakyanoželeznatanu draselného, žlutá krevní sůl 14) Berlínská modř - [Fe(CN) 6 ] 4- + Fe 3+ Thurnbullova modř - [Fe(CN) 6 ] 3- + Fe 2+ 46
15) Pistácie 7,3 mg Rýže 0,8 mg Mandle 4,1 mg Ořechy 2,1 mg Vepřové maso 3,5 mg Čočka 7-9 mg Meruňky 0,6 mg Špenát 3,0 mg Jako doplňkový materiál jsem použila články na internetových adresách 8, 46. Články jsou zkráceny a jsou zde přiloženy jako podklady pro vypracování daltonského plánu, kdyby došlo k jejich smazání na internetu. ŽELEZO Ačkoli organismus dospělého člověka obsahuje pouze 3 až 4 gramy železa, toto nepatrné množství plní životně důležité funkce. Nejvíce železa se nachází v krvi, kde tvoří součást hemoglobinu. Hemoglobin dává červeným krvinkám (je jejich součástí) typicky červenou barvu a umožňuje transport kyslíku z plic ke všem buňkám organismu. Železo denní potřeba Protože se převážná část železa v našem organismu neustále obnovuje, je ztráta tohoto minerálu za normálních podmínek velmi malá. Železo se ztrácí pouze s odlupujícími se buňkami pokožky a sliznice, která pokrývá vnitřek trávícího ústrojí a močových cest. To u dospělého člověka předpokládá 0,91 mg denně. Potřeba železa se v určitých životních situacích zvyšuje : U žen v období menstruace. Žena ztrácí s menstruační krví 2 miligramy železa denně ; v podstatě ho v tomto období ztrácí třikrát více než normálně. Během těhotenství a kojení. Zvýšená potřeba železa v tomto období je kompenzována tím, že v tomto období nedochází k menstruačním cyklům. Potřeba železa je jak u menstruující, tak těhotné a kojící ženy stejně vysoká. V období dospívání. Potřeba železa je intenzivnější v důsledku růstu a začátku menstruace u děvčat. 47
Při jakémkoli abnormálním krvácení dochází k vážné ztrátě železa, která může snadno vyvolat chudokrevnost. Zatímco v rostlinách se železo nachází ve formě železitých solí, v potravinách živočišného původu (tzv. hemoželezo) ve formě železnatých solí. Protože v trávicím ústrojí se oba druhy železa vstřebávají velmi těžko, je naše tělo schopno absorbovat pouze 10 až 20 % rostlinného železa a 30 % železa, obsaženého v mase a živočišných potravinách. Při určování denní příjmu potravou bychom tedy pro jistou měli počítat se desetkrát větší dávkou, než jakou skutečně potřebujeme. Železo denní potřeba : Kojenci: 2 3 mg Děti : 10 12 mg Dospívající : 20 25 mg Ženy v období menstruace nebo těhotenství : 20 25 mg Železo ve vegetariánské stravě Protože železo se v hojné míře vyskytuje ve všech potravinách živočišného i rostlinného původu, zajišťuje nám ho rozmanitá strava pro každý den v dostatečném množství (to se týká i žen v období menstruace nebo těhotenství). Menší vstřebávání železa z rostlin (oproti železu z živočišných produktů) je bohatě kompenzováno následujícími fakty : Koncentrace železa ve většině potravin rostlinného původu je vyšší než v mase (výjimkou jsou pouze játra), mléko téměř žádné železo neobsahuje. Obsah železa v miligramech ve 100 g potravin : Řasy 53,0 Sójová mouka 12,0 Sezamová semínka 10,0 Bílé fazole 7,6 Pistácie 7,3 Čočka 7,0 Slunečnicová semínka 7,0 Pšenice 4,3 48
Mandle 4,1 Špenát 3,0 Pórek 2,8 Ořechy 2,1 Zelený hrášek 1,9 Zelené fazolky 1,3 Chřest 1,1 Houby (žampiony) 0,9 Mrkev 0,8 Brambory 0,7 Fíky 0,7 Avokádo 0,6 Meruňky 0,6 Broskve 0,6 Hroznové víno 0,5 ŽELEZO Železo se samo o sobě špatně vstřebává a má taky dost svých nepřátel, kteří mu tuto úlohu ještě ztěžují. Absorbce železa je snižována fosfoproteiny, obsaženými ve vejcích, rovněž na vstřebávání mají vliv zácpa a záněty tlustého střeva. Kdo pije kávu nebo čaj potřebuje stravu obzvláště bohatou na železo, z léků např. snižuje vstřebávání železa obyčejný aspirin. Dávkování Denní doporučené dávkování je od 10 do 18 mg/den. Ženy v těhotenství a kojící matky by měli přijímat železa více, ale po dohodě se svým lékařem. Je lepší požívat železo ve formě chelátů jako rozpustných komplexů s bílkovinami. Vstřebání železa podporuje vitamin B12, B6 kyselina listová a vitamin C. Proto by se železe mělo brát jako doplněk spolu s těmito vitaminy. Naopak neberte železo s vitaminem E., ti dva se nemají rádi a ničí jeden druhého. 49
Obsah železa v některých potravinách: Potravina (100 g) železo (mg) 16) Čočka 9,0 Pažitka 0,8 Fazole 6,9 Pšenice 5,9 Hrách 4,7 Petrželová nať 4,7 Ovesné vločky 3,8 Žito 3,7 Lískové oříšky 3,4 Špenát 3,0 Jablka 2,2 Brambory 1,0 Rýže 0,8 Hovězí maso 3,3 Vepřové maso 3,5 Kravské mléko 0,1 Tavený sýr 0,6 Železo z masa 22 % Železo z rostlin 1 8 % 50
17) Porucha červené krevní řady je charakterizována snížením množství hemoglobinu nebo erytrocytů nebo obou. Jedná se o snížení vazebné kapacity krve pro kyslík s následnou poruchou tkáňového dýchání, z převážné většiny se nejedná o vlastní onemocnění ale o syndrom, který doprovází jiné chorobné stavy (např. maligní onemocnění, choroby zažívacího traktu, krvácení apod.). Některé typy se mohou vyskytovat v určitých zeměpisných polohách (např. talasemie ve středomoří), nejčastější sideropenická anemie v oblastech hladovění nebo v rozvojových zemích, kde se může vyskytovat až u 50 % obyvatelstva. Vnější příznaky: bledost, únava, nervozita, časté mdloby, lámavost nehtů a vypadávání vlasů Projevy nemoci: zažívací obtíže, kožní a slizniční defekty, nechutenství, pálení jazyka, polykací obtíže, zrychlená srdeční činnost, zvětšení sleziny, jater 18) Kojenci 2-3 mg/den Děti 10-12 mg/den Dospívající 20-25 mg/den Ženy v období menstruace nebo těhotenství 20-25 mg/den 51
Jméno : Příjmení : Datum zadání : Datum odevzdání : ÚKOLOVÝ LIST Úkol č. Datum předpokládaného splnění Datum splnění 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hodnocení žáků: Hodnocení učitele: 52
Jméno : Příjmení : Datum zadání : Datum odevzdání : ÚKOLOVÝ LIST Úkol č. Datum předpokládaného splnění Datum splnění 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hodnocení žáků: Hodnocení učitele: 53
54