Nguyên tố Sắt: Vai trò, và ứng dụng trong thế giới hiện đại 

Sắt, với ký hiệu hóa học là Fe, là một trong những nguyên tố quan trọng nhất trong vũ trụ và trên Trái Đất. Với màu đỏ nâu đặc trưng, sắt là một trong những nguyên tố cơ bản trong hóa học và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày và các ngành công nghiệp. Hãy cùng yẹuhoahoc.edu.vn tìm hiểu thêm về tính chất và ứng dụng của nguyên tố Sắt trong bài viết dưới đây.

Giới thiệu về nguyên tố Sắt 

Định nghĩa 

Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, Sắt, còn được biết đến với tên gọi là thiết, mang ký hiệu Fe (đến từ Latin “Ferrum”) và có số nguyên tử là 26.. Nó là kim loại phổ biến thứ hai trong vỏ Trái Đất (sau nhôm) và là nguyên tố nặng nhất được tạo ra trong các ngôi sao có khối lượng thấp đến trung bình thông qua quá trình nucleosynthesis.

Sắt có màu xám trắng, dẻo, dễ uốn và có tính từ. Nó là thành phần chính của thép và gang, hai vật liệu quan trọng trong xây dựng và sản xuất.

Lịch sử hình thành nguyên tố Sắt

Nguyên tố Sắt là một trong những kim loại đầu tiên được con người sử dụng, với lịch sử sử dụng kéo dài hàng ngàn năm. Người ta tin rằng sắt đã được sử dụng từ thời tiền sử, với bằng chứng về việc sử dụng sắt từ các thiên thạch từ khoảng 4000 năm trước Công Nguyên. Kỹ thuật luyện sắt từ quặng đã phát triển khoảng 1200 năm trước Công Nguyên, đánh dấu bước ngoặt lớn trong kỹ thuật sản xuất kim loại và mở ra Kỷ Nguyên Sắt – một giai đoạn quan trọng trong lịch sử phát triển văn minh loài người.

Một số mốc thời gian quan trọng trong lịch sử phát hiện:

• 3000 TCN: Người Ai Cập cổ đại sử dụng sắt thiên thạch để làm đồ trang sức và vũ khí.
• 1200 TCN: Kỹ thuật luyện sắt xuất hiện ở Lưỡng Hà và lan sang châu Âu, châu Á và châu Phi.
• Thế kỷ 14: Kỹ thuật luyện gang được phát triển ở Trung Quốc.
• Thế kỷ 18: Cách mạng công nghiệp bắt đầu, thúc đẩy sản xuất thép và gang trên quy mô lớn.

Tầm quan trọng của nguyên tố Sắt trong đời sống

Sắt và các hợp kim của nó, đặc biệt là thép, đóng một vai trò không thể thiếu trong đời sống hàng ngày và sự phát triển của nền công nghiệp. Sắt là thành phần cốt lõi trong xây dựng cơ sở hạ tầng, sản xuất ô tô, xây dựng tàu thủy và máy bay. Hơn nữa, sắt cũng là một khoáng chất thiết yếu cần thiết cho cơ thể con người, đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất hồng cầu và vận chuyển oxy trong máu.

• Xây dựng: Sắt là thành phần chính của thép và gang, hai vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa, cầu đường, và các công trình khác.
• Sản xuất: Sắt được sử dụng để sản xuất máy móc, dụng cụ, ô tô, tàu thuyền và nhiều sản phẩm công nghiệp khác.
• Y tế: Sắt, một khoáng chất quan trọng cần thiết cho sức khỏe con người, đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động của hemoglobin trong máu.. Thiếu sắt có thể dẫn đến thiếu máu.

Nguyên tố Sắt trong bảng tuần hoàn hóa học

• Ký hiệu: Fe
• Số nguyên tử: 26
• Cấu hình electron: [Ar] 3d⁶ 4s²
• Khối lượng nguyên tử: 55,845 g/mol
• Điểm nóng chảy: 1538 °C
• Điểm sôi: 2861 °C
• Độ âm điện: 1,83
• Bán kính nguyên tử: 1,26 Å

Sắt nằm ở nhóm 8 (VIIIB) và chu kỳ 4 của bảng tuần hoàn hóa học. Nó là một kim loại chuyển tiếp, có nghĩa là nó có các electron hóa trị trong d-orbital.

Nhóm	Chu kỳ	Nguyên tử khối (u)	Khối lượng riêng g/cm3	Nhiệt độ nóng chảy (K9)	Nhiệt độ bay hơi K	Nhiệt dung riêng J/g.K	Độ âm điện	Tỷ lệ trong vỏ Trái Đất mg/kg
8	4	55,845(2)	7,874	1811	3134	0,449	1,83	56300

Tính chất của nguyên tố Sắt

Tính chất vật lý

• Sắt là một loại kim loại có màu xám trắng và bề mặt lấp lánh.
• Nó linh hoạt và bền, dễ dàng được rèn và cắt, nhưng khó để đúc.
• Sắt có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.
• Sắt có tính từ.
• Sắt có khối lượng riêng cao (7,874 g/cm³).
• Sắt có nhiệt độ nóng chảy cao (1538 °C).
• Sắt có nhiệt độ sôi cao (2861 °C).

Tính chất hóa học

• Kim loại sắt có tính khử ở mức trung bình 
• Sắt có thể tác dụng với axit, dung dịch muối, oxy và một số chất khác.

Phương trình hóa học:

• Tác dụng với axit:
  • Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
  • Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
• Tác dụng với dung dịch muối:
  • Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
• Tác dụng với oxy:
  • 3Fe + 2O2 → Fe3O4
• Tác dụng với một số chất khác:
  • Fe + S → FeS

Lưu ý:

• Sắt dễ bị gỉ trong môi trường ẩm.
• Sắt có thể được bảo vệ khỏi gỉ bằng cách mạ, sơn hoặc phủ một lớp oxit bảo vệ.

Ứng dụng của nguyên tố Sắt

Sắt là một nguyên tố quan trọng với nhiều ứng dụng trong đời sống. Dưới đây là một số ứng dụng chính của nguyên tố Sắt:

Trong xây dựng

• Sắt là thành phần chính của thép và gang, hai vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa, cầu đường, và các công trình khác.
• Thép được sử dụng để làm khung nhà, dầm, cột, và các cấu trúc chịu lực khác.
• Gang được sử dụng để làm móng nhà, cống rãnh, và các vật liệu chịu tải nặng khác.

Trong sản xuất

• Sắt được sử dụng để sản xuất máy móc, dụng cụ, ô tô, tàu thuyền và nhiều sản phẩm công nghiệp khác.
• Sắt được sử dụng để làm dao, kéo, kìm, búa và các dụng cụ khác.
• Sắt được sử dụng để làm động cơ, máy móc và các thiết bị khác.

Trong y tế

• Sắt là một vi chất dinh dưỡng thiết yếu cho cơ thể con người, cần thiết cho chức năng của hemoglobin trong máu.
• Thiếu sắt có thể dẫn đến thiếu máu.
• Sắt được dùng trong việc chữa trị cho các trường hợp mắc bệnh thiếu máu.

Trong các lĩnh vực khác

• Sắt được sử dụng để làm nam châm, pin
• Sắt được sử dụng để làm các vật liệu nghệ thuật và trang trí.

Ngoài ra, Sắt còn có một số ứng dụng khác như:

• Sắt được sử dụng để làm vỏ hộp đựng thực phẩm.
• Sắt được sử dụng để làm các thiết bị gia dụng như tủ lạnh, máy giặt.
• Sắt được sử dụng để làm các thiết bị y tế như máy MRI.

Điều chế và sản xuất nguyên tố Sắt

Điều chế

Điều chế trong phòng thí nghiệm:

• Phương pháp khử hóa học:

Dùng khí H2 khử Fe2O3 ở nhiệt độ cao:

                     Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

Dùng dung dịch muối Fe2+ khử bằng kim loại Zn:

                     FeSO4 + Zn → Fe + ZnSO4

Điều chế trong công nghiệp:

• Phương pháp khử luyện kim:
  • Quặng sắt được nung nóng trong lò cao với than cốc để khử oxy:
    • Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO2

Sản xuất

• Sắt được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp khử luyện kim.
• Quặng sắt được khai thác từ mỏ, sau đó được nghiền nhỏ và nung nóng trong lò cao với than cốc.
• Quá trình này tạo ra gang, là hợp kim của sắt và cacbon.
• Gang sau đó được nung chảy trong lò luyện thép để tạo ra thép, là hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon thấp hơn gang.
• Thép có thể được cán thành các dạng khác nhau như thanh, tấm, dây và ống.

Lưu ý:

• Quá trình sản xuất sắt thải ra một lượng lớn khí CO2, một loại khí nhà kính.
• Ngành công nghiệp sản xuất sắt cần được cải tiến để giảm thiểu tác động môi trường.

Phản ứng của nguyên tố Sắt

Sắt là một kim loại có tính khử trung bình, nó có thể tham gia vào nhiều phản ứng hóa học khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ cụ thể về phản ứng của nguyên tố Sắt:

Phản ứng với axit

• Sắt tác dụng với axit loãng (HCl, H2SO4 loãng) giải phóng khí hydro:
  • Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
  • Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
• Sắt tác dụng với axit đặc (HNO3 đặc, H2SO4 đặc) giải phóng khí NO2:
  • Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O
  • 3Fe + 4H2SO4 đặc → Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O

Phản ứng với dung dịch muối

• Sắt tác dụng với dung dịch muối của kim loại đứng sau trong dãy điện hóa, đẩy kim loại đó ra khỏi dung dịch:
  • Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

Phản ứng với oxy

• Sắt tác dụng với oxy trong không khí tạo thành gỉ sắt:
  • 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3

Phản ứng với lưu huỳnh

• Sắt tác dụng với lưu huỳnh khi nung nóng tạo thành sắt(II) sulfide:
  • Fe + S → FeS

Phản ứng với halogen

• Sắt tác dụng với halogen (Cl2, Br2) khi nung nóng tạo thành muối sắt(III) halide:
  • 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3

Ngoài ra, Sắt còn tham gia vào một số phản ứng khác như:

• Phản ứng với nước:
  • Fe + H2O → FeO + H2
• Phản ứng với dung dịch kiềm:
  • Fe + 2NaOH → Na2FeO2 + H2

Lưu ý:

• Tốc độ phản ứng của Sắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, nồng độ, diện tích bề mặt,…

Tồn tại và khai thác nguyên tố Sắt

Tồn tại

• Sắt là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái Đất, sau nhôm.
• Sắt tạo nên khoảng 5% trọng lượng của lớp vỏ Trái Đất.
• Sắt chủ yếu tồn tại dưới dạng quặng sắt, bao gồm hematite, magnetite, limonite và siderite.
• Quặng sắt được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới, bao gồm Úc, Brazil, Trung Quốc, Nga và Ấn Độ.

Khai thác

• Quặng sắt được khai thác bằng phương pháp khai thác hoặc hầm lò.
• Phương pháp khai thác được sử dụng cho các mỏ quặng nằm gần bề mặt.
• Phương pháp hầm lò được sử dụng cho các mỏ quặng nằm sâu dưới lòng đất.
• Quặng sắt sau khi khai thác được nghiền nhỏ và xử lý để loại bỏ tạp chất.
• Quặng sắt sau khi xử lý được sử dụng để sản xuất gang và thép.

Lưu ý:

• Khai thác quặng sắt có thể gây ra một số tác động môi trường như ô nhiễm nước, ô nhiễm không khí và phá rừng.
• Ngành công nghiệp khai thác quặng sắt cần được thực hiện một cách bền vững để giảm thiểu tác động môi trường.

Vấn đề an toàn khi sử dụng nguyên tố Sắt

Sắt là một nguyên tố thiết yếu cho cơ thể con người, tuy nhiên việc sử dụng quá nhiều sắt có thể gây ra một số vấn đề an toàn. Dưới đây là một số lưu ý về vấn đề an toàn khi sử dụng nguyên tố Sắt:

Quá liều sắt:

• Quá liều sắt có thể dẫn đến ngộ độc sắt, gây ra các triệu chứng như buồn nôn, nôn mửa, tiêu chảy, đau bụng, co giật và hôn mê.
• Trường hợp dùng sắt quá liều nặng có thể dẫn đến tử vong.
• Liều lượng sắt an toàn cho người lớn là 8mg/ngày đối với nam giới và 18mg/ngày đối với nữ giới.

Tương tác thuốc:

• Sắt có thể tương tác với một số loại thuốc, bao gồm tetracycline, ciprofloxacin, levothyroxine và thuốc ức chế bơm proton.
• Nên tham khảo ý kiến bác sĩ trước khi sử dụng sắt nếu bạn đang dùng bất kỳ loại thuốc nào khác.

An toàn khi sử dụng dụng cụ bằng sắt:

• Dụng cụ bằng sắt có thể bị gỉ, gây ra các vết gỉ sét có thể làm tổn thương da.
• Nên bảo quản dụng cụ bằng sắt ở nơi khô ráo, thoáng mát và tránh tiếp xúc trực tiếp với nước.
• Nên vệ sinh dụng cụ bằng sắt thường xuyên bằng xà phòng và nước ấm.

Lưu ý:

• Nên tham khảo ý kiến bác sĩ trước khi sử dụng sắt, đặc biệt nếu bạn có bất kỳ vấn đề sức khỏe nào.
• Trước khi sử dụng sắt nên hỏi ý kiến của bác sĩ và dược sĩ
• Nên bảo quản sắt ở nơi khô ráo, thoáng mát và tránh xa tầm tay trẻ em

Chất lượng và phương thức cung cấp nguyên tố Sắt

Chất lượng

• Nguyên tố Sắt có thể được cung cấp dưới dạng nguyên chất hoặc hợp kim.
• Sắt nguyên chất có độ tinh khiết cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như sản xuất thiết bị điện tử.
• Hợp kim sắt, chẳng hạn như thép, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kết cấu và cơ khí.
• Chất lượng của nguyên tố Sắt được đánh giá dựa trên hàm lượng tạp chất, độ tinh khiết và các đặc tính vật lý khác.

Phương thức cung cấp

• Nguyên tố Sắt được cung cấp bởi các nhà sản xuất kim loại và hóa chất.
• Sắt có thể được mua dưới dạng phôi, thanh, tấm, dây, ống và các hình dạng khác.
• Sắt cũng có thể được mua dưới dạng bột, dung dịch và hợp chất.

Trên đây là toàn bộ những kiến thức cơ bản về nguyên tố Sắt mà chúng tôi đã tổng hợp. Hãy cùng đọc và khám phá thêm về chủ đề này!

Chúng tôi hy vọng rằng bài viết đã cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan và sâu sắc về nguyên tố Sắt. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc muốn tìm hiểu thêm, đừng ngần ngại để lại comment dưới đây nhé!