Efectos de bajo nivel de hierro en el cuerpo

Efectos de bajo nivel de hierro en el cuerpo

El metal de Marte nos da el magnetismo y la vida

Contenido

Introducción

El hierro es el metal más freqently encuentran en la vida diaria, siempre bajo la forma de los objetos manufacturados, y por lo general cubre con una capa protectora o enterrado profundamente dentro del objeto. Las estructuras de hormigón contienen hierro de refuerzo esencial; máquinas eléctricas, incluyendo transformadores, dependen de hierro. Los automóviles son principalmente de hierro; "estaño" latas son de hierro recubiertos por varias capas delgadas de estaño o laca; elementos de fijación, tales como los clavos y los tornillos utilizados en la construcción de madera, son por lo general de hierro. Esta lista se puede ampliar fácilmente con un poco de pensamiento.

El hierro es un material excelente y versátil de construcción – fuerte, resistente, fácil formado y trabajado, y, muy importante, es barato en comparación con las alternativas. Los plásticos que dan la competencia, especialmente en los productos que deben ser fabricados con el menor coste, donde la resistencia y durabilidad no son las preocupaciones primarias, tales como modernos automóviles americanos. El aluminio es un fuerte competidor donde el peso es una preocupación, ya que en los aviones. Sin embargo, la versatilidad de aleaciones de hierro-carbono no puede ser igualada en cualquier otro material. Las aleaciones con otros metales, como el níquel, el cromo y el manganeso, dan ventajas adicionales. Estas aceros puede ser adaptado a casi todos los de la demanda, y no son desafiados de manera significativa como materiales de construcción.

Además de estos temas, las propiedades físicas y químicas de hierro serán revisados, y sus curiosidades examinaron, como de costumbre. Para algunas cuentas y explicaciones, se hará referencia a otros artículos en los que aparecen, y no se duplica aquí. Esto es especialmente cierto de la aplicación de hierro como un material de ingeniería, un tema muy extensa.

nuestra palabra hierro es afín a la alemana Eisen. el cual en diversas formas se encuentra en todas las lenguas del norte de Europa, aunque no en otra parte. ¿Por qué nuestra pronunciación de la palabra es de metátesis, "iorn" en lugar de "hierro," No he escuchado. En gótica, fue eisarn. y en el antiguo alto alemán, es un. En griego, el hierro es síderos y el acero es chalybicónorte. tallos que se encuentra con frecuencia en hablar de hierro, como en "siderurgia" y "resorte ferruginoso." "tiempo sideral" no es tiempo de hierro, sin embargo, pero el "sider-" procede del latín similares sidera. "estrellas." El hierro era muy valiosa cuando se trataba de los griegos en edad de bronce de sus inventores de todo el Ponto Euxino, y se utiliza en joyería y premios. Ha sido el dinero en otros lugares y tiempos. El América de hierro es de ferrum. a partir del cual la palabra en la mayoría de los idiomas europeos se ha derivado, y que aparece con más frecuencia que cualquier otra madre en palabras que se ocupan de hierro, especialmente en la nomenclatura química.

Propiedades de Hierro

El hierro tiene número atómico 26, peso atómico 55.85, y los isótopos estables 54 (5,9%), 56 (91,6%), 57 (2,2%) y 58 (0,33%). Su configuración electrónica es Ar3d 6 4s 2. y su primera y segunda potenciales de ionización son 7.87V y 16.18V. Con sus vecinos de cobalto (Z = 27) y níquel (Z = 28), es una de las "tríada de hierro" metales de similares. Es en el centro de la tabla periódica, en la región de "metales de transición" donde se está llenando una capa d de electrones. Los electrones 4s son en realidad más estables que los electrones 3D, por lo que los D-electrones son en realidad en la parte exterior del átomo. La capa d puede llevar 10 electrones, y a medida que se llena casi, cae por debajo de los electrones 4s en energía. Todos estos átomos de llenado d-cáscaras hacen metales que son muy parecidos; Si los electrones d-eran más en el interior, estos metales serían aún más parecidos de lo que son. Se hablará más en relación con el magnetismo, en la que estos electrones desempeñan papeles principales.

El hierro se produce como los cationes Fe ++. hierro ferroso, y Fe +++. el hierro férrico. El níquel y el cobalto se producen principalmente como los iones dipositivos contienen níquel y cobaltoso, sino también en otros estados de oxidación, por lo general en compuestos inestables. Un gran número de sales importantes se forman con diversos aniones. Fe ++ con mucho gusto donar un electrón en una solución de ácido o en presencia de oxígeno, por lo que es un agente reductor, la oxidación de sí mismo a Fe +++. En solución alcalina, este ion con mucho gusto aceptará un electrón, por lo que es un agente oxidante, reduciéndose al estado ferroso. En solución ácida, Fe reducirá H+ a H2. ya que su potencial de electrodo es -0.44V, muy por encima de hidrógeno. El hierro es, de hecho, un elemento activo.

Los óxidos son óxido ferroso, FeO y óxido férrico, Fe2 O3. óxido ferroso no es estable frente a la oxidación parcial a Fe (II) (Fe (III)2 O4 ), Por lo general por escrito Fe3 O4 o FeO·Fe2 O3. Esta sustancia es negro duro magnetita. un importante mineral de hierro y una sustancia muy interesante por derecho propio, que será considerado adicionalmente en relación con el magnetismo, donde se explicará su estructura.

cloruro férrico anhidro es un compuesto covalente FeCl3 que se disuelve en disolventes orgánicos así como en agua. Forma cristales de color amarillo brillante como el hexahidrato. sulfato férrico anhidro es incoloro, pero los cristales de Fe2 (ASI QUE4 )3 ·9 horas2 O son de color amarillo. alumbre de amonio férrico, FeNH4 (ASI QUE4 )2 ·12H2 O es de color violeta pálido, el color típico férrico en solución. Esto es un "alumbre" sin aluminio, el hierro de pie que por ello. Es un mordiente debido al hidróxido férrico gelatinoso formado cuando una solución es hacer alcalina. También hay alumbre férrico de potasio, también incolora o violeta, y el sulfato ferroso amónico, que forma cristales azules y verdes de la hexahidratado.

Mineralogía y la historia natural de Hierro

La pirita cristaliza en el sistema cúbico, y sus cristales son típicamente cubos y pyritohedrons. Un piritoedro tiene 12 caras pentagonales, pero los pentágonos no son regulares, por lo que el sólido no es un dodecaedro. Los cristales no tienen ejes de 5 veces. Las caras del cubo se suelen estriado, cada cara en ángulo recto con las caras vecinas. Dureza, 6-6,5, y la densidad de 4.8 a 5.1 g / cc. Cuando se calienta, el azufre se expulsa y el hierro oxidado a magnetita. Marcasita es ortorrómbica en lugar de cúbica, pero la misma sustancia. Marcasita es un color más blanco de oro. Pirrotita, un tercio de sulfuro, está más cerca de FeS. Es bronce metálico o de color marrón, más suave (H = 3.5 a 4.5) y un poco más ligero (4,40 a 4,65 g / cc) de pirita. En particular, es magnético, probablemente ferrimagnético. Sus cristales son hexagonales. Pirrotita menudo contiene níquel (como en Sudbury, Ontario) y es uno de los minerales más importantes de ese metal.

La magnetita puede ser el mineral más importante de hierro. Se encuentra en Kiruna, Suecia, y en otras regiones de rocas antiguas y metamórficas. Es (raramente) forma bellos cristales octaédricos de color negro brillante, así como rhombododecahedrons. Es difícil, 5,5-6 / 5 y bastante pesado, d = 5,18 g / cc. Se disuelve en ácido clorhídrico, y, por supuesto, es fuertemente magnético. Magnetita es un bulto magnetizado de magnetita que atrae el hierro. Magnetita se encuentra en Magnet Cove, Arkansas, entre otros lugares.

Hematita y limonita son el óxido férrico, Fe2 O3. En forma masiva, hematita es negro, pero cuando finamente dividido, rojo. Hay una variedad de hematita terrosa que es de ladrillo rojo y un buen pigmento de la pintura. Fue llamado almagre y se utiliza para pintar las marcas distintivas de ovejas. reniforme hematita se parece a los riñones de ternera, con brillo metálico. Por lo general, es el producto de la oxidación de otros minerales de hierro, a menudo con enriquecimiento secundario. Los minerales de hematita ricos agotado de los rangos de hierro de Minnesota, Wisconsin y Michigan se formaron a partir de silicatos de hierro y los carbonatos y de origen sedimentario temprano. La cama de hierro Clinton de Alabama es también hematita secundaria, como son los minerales brasileños.

Limonita es óxido férrico hidratado coloidal, de color amarillo a marrón. Es ligero, densidad de 3,6 a 4,0 g / cc. Se utiliza como pintura, limonita es conocido como ocre (vea abajo). Se encuentra ampliamente distribuida, como en los minerales del Jurásico de este de Inglaterra (que ya no explotada). Es una concentración de supergenes de hierro a partir de rocas sedimentarias. materiales coloidales fueron llamados a largo amorfa, pero en realidad son microcristalina. Goetita es óxido férrico hidratado cristalino, FeO (OH), al igual que la limonita, pero cristalina (ortorrómbica). Es de color marrón-negro, amarillento o rojizo. Se encontró en Cornualles, Alsacia-Lorena (la "Minette" minerales), Altenberg, en Sajonia, Lago Onega en Rusia, y la mina de hierro Jackson, Michigan. Goetita fue nombrado en honor al poeta y científico J. W. von Göla (1749-1832).

El óxido férrico es la base de muchos pigmentos de colores terrosos, en general, a través de las formas de la hematita y limonita minerales, pero también a través de la erosión de las areniscas que contienen un cemento de hierro o de esquistos ferruginosos. El color es más familiar ocre. también conocido como siena natural o amarillo de óxido. Para mí, se trata de una, no un color amarillo brillante bronceado como amarillo de cadmio. siena tostado es más oscuro y más rojo, tal vez un rojo toscano. sombra natural es definitivamente marrón, sombra tostada y un marrón oscuro que se llama Van Dyck marrón. Los nombres de los colores se han extraído de las tierras ferruginosas de Siena y Umbría. Ingredientes distintos de óxido férrico, como el manganeso en la tierra de siena, pueden dar matices característicos de color. Los colores son muy difíciles de nombre y describen, por lo que un buen libro de color es una gran ayuda.

Los meteoritos de hierro son los metales del grupo del hierro casi puros: 90,7 Fe, 8,5 Ni, 0,6 Co es una composición media. El 0,2% restante es insignificante. Se recogió la mayoría de las veces hacia arriba, ya que tienen un aspecto distintivo, a diferencia de los Stonies, que se parecen a las piedras. Cuando en rodajas, pulido y grabado que muestran la Widmanstätten patrón que muestra que enfrían lentamente. En el estudio de ellos, Widmanstätten originó microscopía metalúrgico. Los meteoritos son basura no cometas; astrónomos dicen que se parecen a los fragmentos de planetoides como los asteroides. La composición de meteoritos sugiere la composición de la tierra: un manto de olivino que cubre una bola de metales del grupo del hierro. La relación de volumen del manto: la base es 82:17, no demasiado lejos de la proporción de pétrea: hierro cae de 92: 6.

Hierro y Magnetismo

El magnetismo del grupo del hierro de los metales es una característica rara y notable. No es debido a cualquier propensiones magnéticas inherentes de los átomos, sino a la estructura del metal. Otras sustancias que tienen estructuras similares también tienen propiedades magnéticas similares. Las propiedades que explicaremos se denominan ferromagnetismo. antiferromagnetismo y ferrimagnetismo. Los tres son básicamente similares, pero tienen diferentes expresiones externas.

Un electrón se mueve como en un átomo de Bohr alrededor de un núcleo representa una corriente tal, que produce un campo magnético. Si q es la carga, y v es la velocidad orbital, a continuación, la corriente media en una órbita de radio r es QV / 2 pi; rc. El producto de la corriente y el área de su órbita se denomina momento magnético mu; de la corriente. Por lo tanto, mu; = QVR / 2c = q (MVR) / 2MC = (q / 2MC) (MVR) = (q / 2MC) j, donde j es el momento angular de la masa m. Este es un resultado bastante general, y la cantidad en paréntesis se denomina relación giromagnética. los movimiento orbital del electrón hace que un momento magnético mu; = – (E / 2MC)j antiparalelo al impulso angular.

La longitud de onda DeBroglie asociado con un impulso p es λ = P / h, donde las dimensiones de la constante de Planck h funcionan a erg-seg. La circunferencia de una órbita de radio r es 2pi; r, por lo que si un número entero de longitudes de onda es para encajar en él, 2pi; r /λ = N, un número entero. Esto exige que el momento angular sea un múltiplo entero de h / 2&pi: j = n (h / 2 pi;). Esto significa que el momento magnético se cuantifica en múltiplos de EH / 4pi; mc, que se llama el magneton Bohr, mu;segundo. aproximadamente 0,927 x 10 -20 emú.

Si hay un montón de momentos magnéticos, a continuación, cuando se crea una magnetización en una dirección determinada, hay un campo en cualquier punto de la red debido a todos los momentos magnéticos en otros puntos de la red. Si el cristal es cúbica, o si los momentos son en puntos aleatorios, como en un gas, entonces este campo adicional es (4pi; / 3)METRO. Puesto que es en la dirección de METRO. actúa para reforzar la magnetización. Debe ser lo suficientemente fuerte, que hará que todos los momentos para romper encima en una sola dirección de forma espontánea, sin la aplicación de ningún campo externo. Por desgracia, nunca es lo suficientemente fuerte como para hacer esto en cualquier sustancia paramagnética.

En metal de hierro, hay una interacción similar que es lo suficientemente fuerte como para causar todos los momentos para encajen en una sola dirección. Lo mismo ocurre en el cobalto y el níquel. Esto no puede ser el campo de polarización que acabamos de mencionar, ya que no es lo suficientemente fuerte. Lo que sucede es que los mismos electrones que producen los momentos magnéticos están implicados en la unión metálica, y la orientación de los espines de los electrones afectan a la energía de enlace del metal. Esta es una interacción mucho más fuerte que la interacción magnética de los momentos, lo que puede llevar a cabo el resultado deseado. El fenómeno de la magnetostricción es evidencia de esto; cuando el hierro se magnetiza, su forma y tamaño pueden cambiar ligeramente debido al acoplamiento de los espines de los electrones y la unión.

En el helio, la energía de interacción electrostática entre los electrones es e 2 / r12. donde r12 es la distancia entre los electrones. Si los electrones son más lejos unos de otros, entonces la energía es más baja. Molienda a través de la teoría de la perturbación, las energías resultantes dependen de las integrales como J = ∫ f (1) g (2) (e 2 / r12 ) F * (1) * g (2) dv1 dv2 y K = ∫ f (1) g (2) (e 2 / r12 ) F * (2) g * (1) dv1 dv2. No hay truco aquí; estos son sólo los habituales "elementos de matriz" utilizado en la teoría de perturbaciones. J se denomina integral de coulomb y K se denomina integral de intercambio. Debe quedar claro que no hay intercambio físico, ya sea pasando o implícita; es sólo la forma en que funciona con los estados antisimétricas hechas de productos de estados de un electrón. Esta asignación de electrones a los resultados de orbitales en dos estados, uno de los cuales tiene el electrón hace girar J opuesto y energía + K, el otro de los cuales ha electrón hace girar la misma y la energía J – K. La energía es menor en el segundo caso, porque los electrones están más separados en el medio que en el primer caso. Esto hace que los estados triplete más bajos en el helio, estados de espín paralelo más baja en hierro.

Los estados de espín paralelas son más bajos en energía debido al efecto de la energía electrostática, no de cualquiera de las interacciones magnéticas de los giros. Este es un resultado muy común, y mantiene porque la interacción electrostática es mucho más fuerte que el magnético. Antes de esto se explica sobre la base de la mecánica cuántica, Weiss postula un campo magnético ficticio que llegó a ser conocido como el campo Weiss que haría que los momentos magnéticos que encajen en su paralelismo. No hay tal campo, por supuesto, y que acabamos de explicar por qué parecía que había alguno.

La ferrita más interesante es magnetita, Fe3 O4. La mitad de la de hierro férrico es en los intersticios tetraédricos de la estructura de espinela, la otra mitad de la hierro férrico y todo el hierro ferroso en los intersticios octaédricos. Los momentos de la hierro férrico, 5 mu;segundo. cancelar, dejando el 4 mu;segundo de los iones ferrosos. Aquí podemos contar los electrones y los estados, ya que no hay orbitales de cristal. Cada celda unidad contiene iones ferrosos 8, por lo que el momento por celda unidad será de 8 x 4 magnetrones Bohr. El resultado experimental es de 8 x 4,07, por lo que el acuerdo es excelente.

Las primeras experiencias con el magnetismo del imán involucrados, que era magnetita, llamado así por su capacidad de atraer trozos de hierro. Por lo tanto, el magnetismo comenzó con ferritas!

materiales magnéticos permanentes están diseñados para ofrecer la mayor cantidad de sitios de colocación de clavos para las paredes de dominio como sea posible. Una vez magnetizado, las paredes de dominio no pueden moverse y la magnetización persiste. Alnico V, 8 Al, 14 Ni, Co 24, 3 Cu, con el resto hierro, es un material de imán permanente tradicional. Tiene una densidad de flujo de saturación de 12.500 gauss y una fuerza coercitiva de 550 oersted. Neodimio-hierro-boro y samario cobalto son materiales sinterizados modernas con excelentes propiedades, excepto que no pueden soportar altas temperaturas. imanes sinterizados se pueden hacer fácilmente en formas extrañas.

"Suave" materiales magnéticos, donde las paredes de dominio se pueden mover fácilmente, idealmente hacen que la magnetización de un solo valor en función del campo de magnetización, por lo que no hay pérdida de histéresis cuando el campo se invierte varias veces. Se requiere que estos materiales para transformadores y máquinas rotativas. Los cristales de hierro puro tienen pocos sitios de colocación de clavos, por lo que el hierro puro es magnéticamente "suave." El hierro puro tiene una densidad de flujo de saturación de 21.500 gauss y una fuerza coercitiva de 0,05 Oersted. Su permeabilidad máxima es de 180.000. Otras aleaciones están diseñados para tener tan grande una permeabilidad como sea posible, de modo que sólo un pequeño campo de magnetización se saturará ellos. "Mu-metal," 18 Fe, 75 Ni, Cr 2, 5 Cu, tiene una densidad de saturación de flujo de 6500 gauss, una fuerza coercitiva de 0,05 oersted, y una permeabilidad máxima de 100.000. Se utiliza para el blindaje magnético. "Supermalloy," 15,7 Fe, 79 Ni, 5 Mo, 0,3 Mn, tiene una densidad de saturación de flujo de 8000 gauss, una fuerza coercitiva de 0.002 oersted, y una permeabilidad máxima de 800.000.

Hierro y sangre

Los organismos más complejos, como nosotros mismos, consisten en una gran asamblea de las células que deben respiran, aunque fuera del agua y envasados ​​herméticamente una contra la otra. Para el suministro de oxígeno y eliminar dióxido de carbono, una sistema circulatorio se requiere que un fluido transporta las sustancias entre las células de trabajo y los órganos que se comunican con la atmósfera, de los pulmones. En la atmósfera, la presión parcial de dióxido de carbono es muy baja (0,3 torr), y la presión parcial de oxígeno es alta, 152 torr. Si se hace circular el agua, el dióxido de carbono soluble sería transferido muy bien, ya que se disolvería fácilmente cerca de la célula, y se evaporaría fácilmente cuando una capa delgada se expone al aire. El oxígeno, sin embargo, es una historia diferente. Debido a su baja solubilidad, una cantidad insuficiente se disolvería en toda la zona del pulmón limita a suministrar todas las células, que requerirían de un área de absorción equivalente a su superficie total. Algunos vehículo es necesario que absorber el oxígeno en la cantidad requerida en los pulmones, y luego cuando se lleva a las células, que lo liberan para su uso. Esto no es un asunto sencillo. Algo que absorbe el oxígeno en los pulmones sería aferrarse a ella en el otro extremo también. Es necesario hacer que el vehículo hambre de oxígeno en los pulmones, y disgustado con él en los tejidos, para el transporte de oxígeno suficiente para los anfitriones de células en el cuerpo.

El propósito de la alosterismo es hacer que la unión de un átomo de oxígeno en uno de los cuatro grupos hemo ayuda la unión de oxígeno adicional en los otros grupos hemo. bonos de oxígeno para la hemoglobina cooperativamente. Este mecanismo funciona a la inversa cuando se libera el oxígeno. La hemoglobina con el oxígeno unido a sus cuatro grupos hemo es oxihemoglobina. y sin oxígeno, es desoxihemoglobina. La hemoglobina no sólo transporta el oxígeno, sino también el dióxido de carbono y de iones de hidrógeno, H +. por lo que responde al pH de su entorno y el CO2 concentración, así como a la presión parcial de oxígeno.

La estructura de heme se muestra a la derecha. El ion ferroso está en el centro, y es el ingrediente activo. Sólo ferrohemoglobin puede unirse al oxígeno; ferrihemoglobin no puede. Los dobles enlaces dan rigidez, ya que no hay libre rotación sobre ellos. La parte central, formado de cuatro anillos de pirrol con los nitrógenos que sujetan el hierro libremente, es un disco rígido. Cada una de las cadenas laterales puede girar alrededor de un enlace sencillo, y tienen rígido "manos" que puede encerrarlos en la globina que contiene el grupo hemo. Oxihemoglobina es transparente a la luz de longitud de onda superior a 580 nm, por lo que aparece de color rojo brillante, mientras que la desoxihemoglobina absorbe un poco en esta banda, apareciendo un rojo más oscuro. Tanto absorben fuertemente todo de menos de 580 nanómetros de longitud de onda.

Cuando los vientos de globina de todo el heme, coloca una histidina al lado de la plancha en un lado que se adhiere a ella. El aminoácido histidina se muestra a la derecha. Un H se suelta del grupo carboxilo COOH típica de un ácido orgánico y el propio unido al extremo N, como suele ocurrir en solución. Este extremo es parte de la cadena de globina. En el otro lado hay una segunda histidina, pero no se une al hierro. Cuando la plancha se mueve dentro y fuera ligeramente de su posición, el movimiento se transmite a la histidina unida a ella, que se mueve una sección de la proteína que interactúa con las otras proteínas de la hemoglobina para hacer la unión de oxígeno de manera más o menos favorable. Este es el mecanismo del efecto alostérico. El ión de hierro es un poco en el lado histidina cota del disco hemo en dexoyhemoglobin. Cuando se une a una junta2 molécula, que se mueve en el plano, produciendo el efecto alostérico. El eje de la molécula de oxígeno está en un ángulo (que se une a uno de los electrones par solitario del oxígeno). Esto se muestra en el diagrama de la derecha.

Un grupo heme está también presente en citocromos. proteínas que transfieren electrones a O2 en el metabolismo, la conversión a H2 O como uno de los productos finales de la oxidación de los alimentos. Este heme es ligeramente diferente que la de la hemoglobina. citocromo oxidasa. la enzima que cataliza esta reacción, también contiene un grupo hemo, llamada hemo A.

El hierro también aparece en el proteínas hierro-azufre que son esenciales para la vida aeróbica. La enzima aconitasa se produce en el ciclo del ácido cítrico que oxida de carbono a CO2 en las mitocondrias, la reordenación de la citrato a isocitrato en el comienzo del ciclo para que pueda ser procesada. El grupo prostético en aconitasa es el grupo de hierro y azufre se muestra en el diagrama de la izquierda, compuesto por interpenetración de hierro y azufre tetraedros. Se ve obligada a tetraédricamente cuatro residuos de cisteína en la enzima. proteínas hierro-azufre también juegan un papel en la fijación de nitrógeno.

referencias

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