5,9. Werkstuk door een scholier 1480 woorden 22 augustus keer beoordeeld. Scheikunde

Transcriptie

1 Werkstuk door een scholier 1480 woorden 22 augustus ,9 187 keer beoordeeld Vak Scheikunde 1. Inleiding Aan de bronnen zijn wij gekomen via Internet en uit de bibliotheek. Het werkstuk is als volgt opgebouwd: eerst het voorkomen op aarde; waar, in welke hoeveelheid, in welke vorm; Dan verscheidene metalen, die mengsels met ijzer kunnen vormen; Dan enkele gegevens over staal; Dan de etymologie, waar de naam vandaan komt; Dan over de atoombouw met de structuur en isotopen; Dan de overige technische gegevens die wij hebben kunnen begrijpen; Dan de toepassingen, waaronder de geneeskundige toepassingen; Dan de gevolgen voor het milieu wat dit element betreft; Dan de geschiedenis van dit element; Dan de (wellichte) toekomst hiervan; Dan het slot; Dan de bronnen ; En uiteindelijk de litteratuur. 2. Hoe het voorkomt op aarde (bron 8) Men onderscheidt 3 soorten ertsen: Magneetijzer, dat in de regel een hoog gehalte en een grote zuiverheid heeft, doordat het door kristallisatie in stollingsgesteenten of in metamorfe gesteenten afgezet is, dit wordt o.a. gedolven in Zweeds-Lapland. Erts in afzettingsgesteenten met meestal een lager gehalte en van geringere zuiverheid, zoals de bekende minette, bruinijzererts in de Doggerkalken van Lotharingen en Luxemburg. Ertsen in aangeslibde, alluviale gronden, opgebouwd uit afbraak van ijzerhoudende kristallijne of metamorfe gesteenten, dan wel in eluviale, uitgeloogde bodems. Nu zullen wij vertellen waar de voornaamste mijnen zijn; mijnen zijn pas echt voornaam als ze in de buurt van een dichtbevolkte bevolkingsconcentratie gelegen zijn. De vroegere USSR levert 30% van de wereldproductie en de VS levert 15%. In West-Europa is Frankrijk de belangrijkste producent met 50 miljoen ton, hoofdzakelijk uit Lotharingen (95%). Ook Zweden is een belangrijke leverancier (5% van de wereldproductie). In België en Nederland wordt geen ijzererts gedolven. De meest voorkomende ijzerertsen zijn: Hematietè72,4% ijzer, Fe2O3 }bron 3 Pagina 1 van 5

2 Magnetietè70,0% ijzer, Fe3O4 }" Limonietè59,9% ijzer, FeO(OH) }" Siderietè48,3% ijzer, FeCO3 }" Puur ijzer komt in de natuur (bijna) niet voor, doordat ijzer zeer snel oxydeert en het oxyde zeer poreus is, en het dus constant in aanraking komt met zuurstof (lucht) en waterdamp, dat nodig is bij de oxydatie van ijzer. IJzerroest is eigenlijk gehydrateerd ijzer(iii)oxyde: Fe2O3 x n H2O IJzer maakt 38% van de massa van de aarde uit. Het is het 2e meest voorkomende metaal op aarde en het 4e meest voorkomende element in de aardkorst. 3. mengsels (bron 11) IJzer is een van de meest vermengde metalen. Een bekend voorbeeld van een mengsel met ijzer is staal, hier komen wij later op terug. Maar ijzer wordt ook vaak gebruikt in alliages, met andere metalen dus. Nikkel wordt hierbij vaak gebruikt door de gunstige effecten, die het heeft op ijzer binnen een legering, omdat het redelijk sterk is. Vaak wordt nikkel in een alliage met ijzer ook met koolstof gemengd met ongeveer 3-5% nikkel en 0,15 procent koolstof. Ook wordt nikkel alleen in een alliage met ijzer gebruikt in - meestal - een verhouding met ongeveer 25-40% nikkel. Chroom wordt gebruikt omdat het zeer sterk en hard is; alliages met 0,5-2,5% chroom komen vaak voor en 12-20% chroom levert het bekende roestvrije metaal op. Samen met nikkel in een verhouding van ongeveer 18% chroom, 8% nikkel en 74% ijzer is de meest roestvrije vorm van ijzer. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt in bestek. Vanadium wordt ook gebruikt door zijn elasticiteit, sterkte en ruwheid. Mangaan is ook veel voorkomend in ijzeralliages. Silicium wordt gebruikt voor de goede elektrische eigenschappen. Kobalt wordt gebruikt vanwege zijn magnetische eigenschappen. Koper wordt gebruikt in staalmengsels met koolstof en ijzer om de corrosie tegen te gaan. Tin en Zink helpen ijzer eveneens aan beperkte roestvrijheid. 4. staal (bron 10) Staal bevat 0,5-1,7 % koolstof en vaak ook een ander metaal. Staal wordt gemaakt door middel van reductie in de hoogovens en zuivering in de converter. Een hoogoven is een meer dan 20 meter lange stalen toren, die van binnen is belegd met vuurvast steen. Het ijzererts wordt langs boven aangebracht in lagen, die afwisselen met cokeslagen. Van onderen uit wordt, onder druk, warme lucht ingeblazen, die de cokes doen gloeien en waardoor het ijzererts geroost en omgezet wordt in ijzeroxyde. Het roosten heeft ook tot gevolg, dat de vluchtige oxyden, zoals CO2, SO2, N2O5, As2O5, etc.... worden uitgedreven (langs de bovenzijde). Ook wordt er kalk toegevoegd, dat de vorming van silicaten stimuleert, wat een lager smeltpunt heeft dan ijzeroxyde en kunnen afvloeien. Dit zijn de slakken. De reductie gebeurt als volgt: Het CO2-gas, dat gevormd wordt door de verbranding van cokes in aanwezigheid van lucht, wordt op een temperatuur van 1600 C gebracht. Dit gas wordt bij zijn doorgang door een gloeiende cokeslaag gereduceerd tot koolstofmonoxide. Men krijgt dan de omkeerbare reactie: CO2 + C Á 2 CO Pagina 2 van 5

3 waarvan het evenwicht bij hoge temperaturen naar rechts ligt. Het koolstofmonoxide reduceert nu het ijzeroxyde tot ijzer: Fe2O2 + 3CO Õ 2 Fe + 3 CO2 Omdat het ijzer door de cokeslagen dringt, wordt het koolstofhoudend. Hierdoor verlaagt zijn smeltpunt. Het hoofdproduct van de hoogoven is dus het ruwe ijzer en het bijproduct de metaalslakken. De converter levert op zijn beurt van het ruwe ijzer uit de hoogovens als hoofdproduct staal en smeedijzer en als bijproduct zogenaamde thomasslakken, die als kunstmest kunnen worden gebruikt. N.B.: smeedijzer bevat in tegenstelling tot staal minder dan 0,5 % koolstof en is dan ook veel moeilijker smeltbaar. 5. etymologie (bron 7) IJzer gaat via het middelduits isen en het gotisch eisarn terug op het keltisch-illyrisch isarno. Ferrum komt letterlijk uit het latijn. 6. atoombouw è elektronenstructuur + atoombouw è isotopen (bron 9) IJzer = Ferrum; afkorting = Fe IJzer heeft atoomnummer 26 en 2 elektronen in de K-schil, 8 elektronen in de L-schil, 14 elektronen in de M-schil, en 2 elektronen in de N-schil. In een ion kan ijzer 2+ of 3+ zijn. IJzer heeft verscheidene isotopen; namelijk 6; met de atoomnummers 54, 55, 56, 57, 58,en 59 54; is 5,8% van de natuurlijke ijzervoorraad 55; bestaat niet in de natuur en heeft een halfwaardetijd van 2,9 jaar 56; maakt 91,75 van de natuurlijke ijzervoorraad uit 57; maakt 2,2% van de natuurlijke ijzervoorraad uit 58; maakt 0,33% van de natuurlijke ijzervoorraad uit 59; bestaat niet in de natuur, heeft een halfwaardetijd van 45 dagen en negatieve b-straling en / of g- straling. 7. Overige informatie over ijzer (bron 5) Gemiddeld atoommassa: 55,847 Gemiddeld atoomvolume: 7,1 cm³/mol Staat: solidus Smeltpunt:1808,2 K Kookpunt: 3023 K Groep in het periodiek systeem: 8 Dichtheid op 293 K: 7,86 g/cm³ Elektronegativiteit: 1,9 Kleur: zilverwit, grijs ( verschillende bronnen ) Kosten puur: 6,7 $/100 g 8. Toepassingen Er zijn zeer veel toepassingen die betrekking hebben op ijzer en vooral staal, dat vaak met ijzer geïdentificeerd wordt. Daarom begin ik met de geneeskundige toepassing van ijzer. Pagina 3 van 5

4 De meeste instrumenten zijn van een legering van ijzer gemaakt, maar ook de farmaceutische industrie gebruikt ijzer in hun medicijnen. IJzer komt voor in hemoglobine dat zuurstof vervoerd en ijzer is dus essentieel voor het lichaam, als dit ontbreekt in hoge mate zal er bloedarmoede ontstaan. Er zijn dus medicijnen met ijzer voor mensen met bloedarmoede (bron 8). Ik denk dat ijzer het meest gebruikt wordt van alle metalen, dus is het opnoemen van de toepassingen een onbegonnen zaak. Slechts zal ik zeggen dat staal het vaakst gebruikte mengsel van ijzer is. Graag laat ik het hierbij. 9. Milieu IJzer kan slecht voor het milieu zijn als men dit bijvoorbeeld dumpt en niet recyclet. Het recyclen van ijzer is echter wel makkelijker dan verscheidene andere materialen, doordat het magnetisch is en het via een (elektro-)magneet uit de afvalstapel gehaald kan worden. Toch wordt het erg vaak gebruikt en is het dus toch een gevaar, mede doordat ijzer biologisch onafbreekbaar is. Ook is het slib dat overblijft uit het erts, dat ontstaat bij het proces van de hoogovens, enigszins milieuonvriendelijk. 10. Geschiedenis (bron 8) IJzer werd pas in de ijzertijd massaal gebruikt. Deze ijzertijd bij de bekende Oosterse beschavingen en kwam in het eerste millennium in West-Europa aan. Er waren twee perioden in de ijzertijd: de Hallstattcultuur en de La Tène cultuur. In de eerste periode was de invloed van de Kelten nog magertjes. In de tweede echter waren de kenmerken duidelijk Keltisch. In deze periode werd de wapenuitrusting geperfectioneerd en werd er bijna niet meer van bronzen materialen gebruik gemaakt. De toepassing van ijzer in de wapens heeft een beslissende rol in de geschiedenis gespeeld. Door deze nieuwe technologie konden degenen die ijzeren materialen gebruikten gemakkelijk overwinnen. 11. Toekomst In de toekomst verwachten wij dat de ijzerproductie en -consumptie zal toenemen, doordat men rijker wordt en zich dus meer kan veroorloven (toename welvaart) en doordat er meer mensen zullen komen die zich meer kunnen veroorloven (toename wereldbevolking). Bijvoorbeeld zullen er nog meer auto's op de weg komen. Wel is er een mogelijkheid dat ijzer wordt vervangen door soorten plastics of wellicht zelfs door andere (onbekende) elementen. Wij denken echter dat dit niet alleen zeer onwaarschijnlijk is, maar ook zeer lang zal duren. 12. Tot slot Tijdens het schrijven van het werkstuk over ijzer zijn we gefascineerd geraakt door de enorme hoeveelheid materiaal die beschikbaar was over dit onderwerp. We hebben ons moeten inhouden om niet al te uitgebreid in te gaan op alle onderwerpen. Al met al leuk om te doen. 13. Bronnen Internet; Bibliotheek: Cotton & Wilkinson, J.A.Duffy; beide Engels; De Grote Nederlandse Larousse encyclopedie; De Grote Winkler Prins encyclopedie; Pagina 4 van 5

5 Hoogovens Staal; BiNaS; Ons Geheugen 14. Literatuurlijst J.A.Duffy ( General inorganic chemistry, Advanced inorganic chemistry ) Cotton & Wilkinson ( Basic inorganic chemistry ) Internet: http// http//the-tech.mit.edu.chemicool/elements/iron.html; http//bulldog.unca.edu/~james/c105/tempiron.html encyclopedieën: Grote Winkler Prins Encyclopedie 1974 Grote Nederlandse Larousse Encyclopedie 1975 BiNaS Hoogovens informatiefolder Eyewitness Encyclopedia of science Pagina 5 van 5