Yster

Isotope van yster
iso	NV	halfleeftyd	VM	VE (MeV)	VP
⁵⁴Fe	5.8%	>3.1·10²² j	2ε	?	⁵⁴Cr
⁵⁵Fe	sin	2.73 j	ε	0.231	⁵⁵Mn
⁵⁶Fe	91.72%	Fe is stabiel met 30 neutrone
⁵⁷Fe	2.2%	Fe is stabiel met 31 neutrone
⁵⁸Fe	0.28%	Fe is stabiel met 32 neutrone
⁵⁹Fe	sin	44.503 d	β	1.565	⁵⁹Co
⁶⁰Fe	sin	1.5·10⁶ j	β^-	3.978	⁶⁰Co

Portaal

Chemie

Yster is 'n chemiese element met die simbool Fe en atoomgetal van 26. Dit is 'n metaal in groep 8 en periode 4 van die periodieke tabel. Yster is die finale element wat tydens nukleosintese van sterre gevorm word en is dus die swaarste element wat nie 'n supernova of soortgelyke heftige gebeurtenis vereis vir sy vorming nie. Dit is daarom dan ook die swaarmetaal wat die meeste in die heelal voorkom.^[1]

Kenmerkende eienskappe

Die kern van yster het die hoogste bindingsenergie per nukleoon, dit is dus die swaarste element wat eksotermies deur fusie geskep word en die ligste deur middel van fissie. Wanneer 'n groot ster aan die einde van sy leeftyd ineen krimp, bou die interne temperatuur en druk op, en stel die ster in staat om toenemend swaarder elemente te produseer. Wanneer yster begin vorm, sal die ster nie meer voldoende energie in sy kern produseer nie en ontstaan 'n supernova.^[2]

Yster is die metaal wat die meeste voorkom en daar word geglo dat dit die element is wat die tiende meeste in die heelal voorkom. Yster is ook op 'n massabasis die element wat die grootste deel van die Aarde uitmaak (34.6%); die konsentrasie yster in die verskillende lae van die Aarde wissel van baie hoog by die kern tot ongeveer 5% in die kors; dit is dalk moontlik dat die Aarde se binnekern net uit yster bestaan, dit is egter meer waarskynlik dat dit uit 'n mengsel van yster en nikkel bestaan met ander elemente soos goud, platinum en swael.^[3] Daar word geglo dat die groot hoeveelheid yster in die Aarde verantwoordelik is vir sy magnetiese veld. Yster se simbool is Fe wat 'n afkorting vir ferrum, die latynse woord vir yster is.

Yster word, behalwe in ystermeteoriete, bitter selde in die vrye onverbonde (gedeë) vorm in die natuur aangetref. Yster is 'n metaal wat uit ystererts ontgin word. Dit is gewoonlik oksiede of sulfiede. Om elementêre yster te verkry moet die metaal uit hierdie verbindings met behulp van chemiese reduksie vrygestel word. Yster word gebruik om staal te vervaardig wat nie 'n element is nie maar 'n legering, 'n oplossing van verskillende metale (en sommige nie-metale, veral koolstof).

Suiwer yster het by kamertemperatuur 'n liggaamsgesentreerde kubiese struktuur (die wolfram- of A2-tipe struktuur), wat die α-fase of ferriet genoem word. By 1185K gaan dit oor in die γ-fase of austeniet, wat 'n vlakgesentreerde struktuur het (die koper- of A1-tipe struktuur). Van 1667K tot die smeltpunt (1811K) het die δ-fase weer 'n wolfram-tipe struktuur. Byvoeging van opgeloste onsuiwerhede, soos koolstof of ander metale, kan die austeniet stabiliseer tot dit ook by kamertemperatuur kan voorkom. Dit is die basis voor staalvervaardiging.

Suiwer yster het 'n Curietemperatuur van 1085K. Onder hierdie temperatuur is die stof ferromagneties.

Aanwendings

Yster is die metaal wat die meeste gebruik word en beslaan by tonnemaat ongeveer 95% van wêreldwye metaalproduksie. Die kombinasie van lae koste en hoë sterkte maak dit onontbeerlik, veral in toepassings soos motorvoertuie, groot skeepsrompe, en strukturele komponente vir geboue. Staal is die bekendste legering van yster. Ander vorms wat yster in aangetref word, sluit in:

Ru-yster bevat 4% – 5% koolstof en verskeie hoeveelhede onsuiwerhede soos swael, silikon en fosfor. Dit is slegs belangrik as 'n intermediêre produk vir die vervaardiging van ystererts om gietyster en staal.
Gietyster bevat 2% – 3.5% koolstof en klein hoeveelhede mangaan. Onsuiwerhede wat in ru-yster teenwoordig is wat die materiaaleienskappe negatief beïnvloed, soos swael en fosfor, is tot aanvaarbare vlakke verminder. Dit het 'n smeltpunt tussen 1420–1470 K, wat laer is as die twee hoofkomponente en dit is die eerste produk wat gesmelt word wanneer koolstof en yster saam verhit word. Dit is uiters sterk, hard en bros. Verwerking van gietyster selfs wanneer dit witwarm is, is geneig om die voorwerp te breek.
Koolstaal bevat tussen 0.5% en 1.5% koolstof, met klein hoeveelhede mangaan, swael, fosfor en silikon.
Smee-yster bevat minder as 0,5% koolstof. Dit is 'n taai, pletbare produk. Dit bevat gewoonlik slegs 'n paar tiendes van 'n persent koolstof.
Staallegerings bevat verskillende hoeveelhede koolstof sowel as ander metale, soos chroom, vanadium, molibdeen, nikkel, wolfram ens.
Yster(III)oksiede word gebruik in die vervaardiging van magnetiese bewaring van inligting in rekenaars. Hulle word ook dikwels met ander stowwe vermeng en behou hulle magnetiese eienskappe in oplossings.

Geskiedenis

Die vroegste vondste van deur mense gebruikte yster is van die laat 4de millennium v.C. In Gerzeh, Egipte is uit die Naqada-periode (3400-3100 v.C.) is krale van meteorietyster gevind en daar is plekke in Anatolië soos Tarsus, Troje (laag II) en Alaca Höyük waar ook yster gevind is. Maar die metaal het lank 'n rariteit gebly. Tekste van die Oud-Assiriese handelspost in Kültepe vertel dat "hemel"yster se prys 40 maal silwer s'n was. ^[4]

Daar bestaan ook gedeë yster wat hier op aarde as mineraal gevind word, maar dit is baie raar en die vondste is altyd klein. Die enigste mense wat dit gebruik het, lyk die Inuit van Groenland te wees. Van sommige vondste uit die 2de millennium v.C. is nie duidelik of dit uit ertse vervaardig is. Hulle bevat taamlik veel nikkel wat op meteorietyster kan wys, maar daar is ook ertse wat nikkel bevat. In vondste van Alaca Höyük en Kaman-Kalehöyük in die huidige Turkye van die 20ste-18de eeu v.C. bevat slakmateriaal wat op bewerking wys. Of hierdie bewerking ook op ertsreduksie wys is nie duidelik nie. Daar is geen regtige bewys van ystersmelt soos oonde met slakmateriaal voor 1000 v.C. nie. Maar die Hetiete wat se ryk toen reeds ondergegaan het, het die woord vir die metaal as AN.BAR of AN.BAR GE₆ geskryf en hulle het ysterhoudende minerale geken soos šaduānum (dalk hematiet), parzillum, amūtum en ašium maar hulle het dit ook as kleurstowwe gebruik. Tog is daar 'n uitdrukking AN.BAR ŠA GUNNI wat "yster reg uit die oond" beteken. Hulle het die metaal minstens bewerk as hulle dit nog nie uit die erts vrygestel het nie. Die mees direkte aanwysing dat hulle tog ertse gereduseer het, is 'n brief van Hetietekoning Hattušili III (rondom 1266-1236 v.C.) wat aan 'n Assiriese koning skryf:^[4]

Wat betref die goed yster wat jy in jou brief noem, Kizzuwatna se voorraad het opgeraak.Ek het vir jou geskryf dat dit nie 'n geskikte tyd is om yster to vervaardig nie. Hulle sal yster produseer maar hulle is nog nie klaar nie. Ek sal dit vir jou stuur. Nou stuur ek vir jou 'n ysterpunt (dalk vir 'n dolk of swaard)

In die tydperk tussen die 12de tot die 10de eeu v.C. het die gebruik van yster in gereedskap en wapens vinnig dié van brons vervang in die Midde-ooste. Die belangrikste faktor vir hierdie oorskakeling wil nie voorkom asof dit die tegonologiese verbeterings in ysterbewerking was nie, maar eerder die onderbreking van tinvoorsiening. Hierdie oorgangstydperk wat in verskillende tydperke in verskillende wêrelddele plaasgevind het, het die beskawingstydperk wat algemeen as die Ystertydperk bekend staan, ingelui.

In dieselfde oorgangstydperk is karbonering, wat die proses van byvoeging van koolstof tot die ysters van daardie tyd was, ontdek. Yster is uit sponsyster, 'n mengsel van yster en slak met 'n mate van koolstof en of karbied daarin, wat dan herhaaldelik gehamer en gevou is om die slak daarin te verwyder en om die koolstof daaruit te oksideer en sodoende 'n produk te vervaardig wat as smee-yster bekend staan. Smee-yster het 'n baie lae koolstofinhoud gehad en was nie so maklik om hard te maak deur dit te blus nie. Die mense van die Midde-ooste het ontdek dat 'n veel harder produk gemaak kon word deur die smee-yster oor 'n langtermyn in 'n bed houtskool te verhit en dit daarna in water of olie te blus. Die gevolglike produk was harder en minder bros as die brons wat dit vervang het.

In China was die eerste yster ook afkomstig uit meteorietiese yster, voorwerpe wat uit smee-yster vervaardig is wat naby Xinjiang gevind is en uit die 8ste eeu v.C. dateer, dien as argeologiese bewysstukke daarvoor. Hierdie voorwerpe, uit smee-yster vervaardig is met dieselfde prosesse gemaak as dié afkomstig uit die Midde-ooste en Europa en daar word geglo dat dit deur mense wat nie van Chinese afkoms was, ingevoer is.

In die latere jare van die Zhou-dinastie (± 550 v.C.), het 'n nuwe ystervervaardigingsvermoë ontstaan as gevolg van hoogs ontwikkelde oondtegnologie. Die Chinese het hoogoonde gebou wat in staat was om temperature van meer as 1300 K te bereik, en het hiermee die vervaardiging van gietyster of ru-yster ontwikkel.

In Indië is yster reeds omstreeks 250 v.C. gebruik. Die beroemde Pilare van Ashoka naby Delhi is uit yster met 'n hoë suiwerheid (98%) vervaardig en het tot op hede nog nie verroes of verweer nie.

As ysterertse saam met koolstof verhit word tot 1420–1470 K, vorm 'n gesmelte vloeistof wat 'n allooi van ongeveer 96.5% yster en 3.5% koolstof lewer. Hierdie produk is sterk, kan in ingewikkelde vorms gegiet word, maar is te bros om verwerk te word tensy die produk gedekarboneer word om die meeste koolstof te verwyder. Chinese ystervervaardiging vanaf die Zhou-dinastie, en ook later, was oorwegend gietyster. Yster het egter 'n nederige produk gebly wat vir honderde jare deur boere gebruik is en het eers regtig die Chinese adelstand ten tyde van die Qin-dinastie beïnvloed (ca 221 v.C.).

Die ontwikkeling van gietyster was stadiger in Europa omdat die smeltoonde slegs temperature van ongeveer 1000 K kon bereik. Deur 'n groot gedeelte van die Middeleeue is yster in Wes-Europa steeds gemaak deur die verwerking van sponsyster na smee-yster. Die giet van yster in Europa, het eerste in Swede plaasgevind by twee liggings, Lapphyttan en Vinarhyttan, omstreeks 1150 en 1350 n.C. Geleerdes glo dat die praktyk dalk deur die Mongole oor Rusland heen na hierdie plekke gebring is, maar daar is geen klinklare bewys vir hierdie teorie nie. 'n Mark vir hierdie gietyster goedere het in elk geval teen die laat veertiende eeu ontstaan, toe die vraag na kanonkoëls ontwikkel het.

Vroeëre ystersmelttegnieke het houtskool gebruik as hittebron en reduseermiddel. In 18de eeuse Engeland het houtvoorrade verminder en is kooks, 'n fossielbrandstof, as alternatief gebruik. Hierdie uitvinding deur Abraham Darby het die momentum verleen vir die nywerheidsomwenteling.

Verspreiding

Die rooi voorkoms van hierdie water is as gevolg van yster in die rotse

Yster is een van die mees algemene elemente op aarde en maak bykans 5% van die aardkors uit. Daar word geglo dat die aarde se kern hoofsaaklik uit 'n yster-nikkel metaallegering bestaan. Ongeveer 5% van die meeste meteoriete bestaan soortgelyk ook uit 'n ysternikkellegering. Al kom meteoriete selde voor is dit die hoofbron van vrye, gedeë ystermetaal aan die oppervlakte van die aarde. In die aardkors word die meeste yster in die vorm van verskeie ysteroksiede aangetref, soos in die minerale hematiet, magnetiet en takoniet. Hierdie neerslae is dikwels in die Paleoproterosoïkum ontstaan vanweë die Groot Suurstofkatastrofe. Hierdie vorming van ysterneerslae het aan die eerste deel van die PaleoproterosoIkum die naam Siderium verleen.^[5] (Van Grieks σίδηρος sídēros, “yster”). Hierdie periode is die oorgang van die Argeïkum na die PaleoproterosoIkum en word soms nog tot die Argeïkum gereken.

Ontginning uit erts

Yster word ontgin van sy ertse, hoofsaaklik hematiet (Fe₂O₃) en magnetiet (Fe₃O₄) deur dit met koolstof in 'n hoogoond te reduseer teen temperature van ongeveer 2000 °C. In 'n hoogoond word ystererts, koolstof in die vorm van kooks en met kalksteen as smeltmiddel bo-in die oond gevoer terwyl verhitte lug deur die oond van die bodem af daardeur geblaas word.

Kooks reageer met suurstof in die oond om koolstofmonoksied te vorm:

6 C + 3 O₂ → 6 CO

Die koolstofmonoksied reduseer die ystererts (hematiet in die chemiese vergelyking hieronder) na gesmelte yster en skakel in die proses om na koolstofdioksied:

6 CO + 2 Fe₂O₃ → 4 Fe + 6 CO₂

Die smeltmiddel is teenwoordig om die onsuiwerhede in die erts te laat smelt, hoofsaaklik silikondioksied en ander silikate. Algemeen gebruikte smeltmiddels sluit kalksteen (wat grootliks bestaan uit kalsiumkarbonaat) en dolomiet ('n magnesiumkalsiumkarbonaat) in. Ander smeltmiddels kan ook gebruik word afhangende van die onsuiwerhede teenwoordig in die erts. In die hoë hitte van die oond ontbind die kalksteen na kalsiumoksied (ongebluste kalk):

CaCO₃ → CaO + CO₂

Die kalsiumoksied verbind dan met die silikondioksied om 'n slak te vorm.

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Die slak smelt in die hitte van die oond anders as met silikondioksied. Die slak dryf bo-op die digter vloeibare yster. Tuite in die kant van die oond word voorsien om die slak en yster te dreineer. Die yster sodoende verkry word ru-yster. Die slak kan gebruik word vir padbou doeleindes of in die landbou om mineraalarme grond te verryk.

Ongeveer 1 100 Mt (miljoen ton) ystererts is in 2000 in die wêreld ontgin met 'n bruto markwaarde van ongeveer 25 miljard VS-dollar. Ertsontginning vind plaas in 48 lande maar die vyf grootse produsente, die China, Brasilië, Australië, Rusland en Indië maak ongeveer 70% van die wêreld se totale ysterertsproduksie uit. Die 1 100 Mt ystererts is gebruik om ongeveer 572 Mt ru-yster te vervaardig.

Reduksie met waterstof

Die reduksie van ystererts met koolstof stel baie koolstofdioksied vry. In Europa verteenwoordig die staalindustrie 4% van die totale en 22% van die industriële vrystelling van hierdie gas. Dit is egter ook moontlik die oksied met waterstof te reduseer:^[6]

Fe_{2}O_{3}+3H_{2}\rightarrow 2Fe+3H_{2}O

Dit elimineer die vrystelling van CO₂ nogtans net as hierdie waterstof groen is: as dit uit hernubare bronne soos sonkrag of windenergie verkry word. n Klein hoeveelheid koolstof moet steeds bygevoeg word om staal te verkry, maar dit word nie in die atmosfeer vrygestel nie.

Daar is in 2023 reeds aanlegte waar waterstof gebruik word en heelparty wat gebou gaan word, soos in Boden, Swede.^[7]

Verbindings

Algemene oksidasietoestande van yster sluit in:

die Yster (II) toestand, Fe²⁺.
die Yster (III) toestand, Fe³⁺, ook baie algemeen veral in roes.
die Yster (IV) toestand, Fe⁴⁺, wat in sommige ensieme gestabiliseer is (bv. peroksidase).
die Yster (VI) toestand, Fe⁶⁺, is meer seldsaam, soos in kaliumferraat.
Ysterkarbied Fe₃C staan ook bekend as sementiet.

Sien ook

Chemiese eienskappe

Yster los in gekonsentreerde soutsuur op en vorm die oplosbare sout yster(II)chloried

Fe+2HCl\rightarrow FeCl_{2}+H_{2}

Yster(II)sulfaat kan uit piriet (FeS₂) verkry word deur dit gedeeltelik te roost. Dit vorm yster(II)sulfied FeS. Die suurstof van die lug oksideer dit tot die sulfaat wat dan uigeloog kan word. Indamping van die oplossing lewer groen kristalle van die heptahidraat FeSO₄.7H₂O. Yster(II)-verbindings het dikwels 'n liggroen kleur, maar dit word gou bruin deur oksidasie aan die lug tot yster(III)verbindings. Fe²⁺ is 'n reduseermiddel wat ook in titrasies gebruik word. Yster(II)sulfaat sels is daarvoor nie baie geskik nie omdat dit blootgestel aan vogtige lug vinnig bedek raak deur die bruin yster(III)hidroksiedsulfaat, 'n basiese sulfaat. Daarom word dikwels gewerk met Mohr se sout, 'n dubbelsout van ammonium en yster(II): (NH₄)₂Fe(SO₄)₂.6H₂O. Hierdie sout is stabieler.^[8]

Biologiese rol

Yster is noodsaaklik vir alle organismes buiten 'n paar bakterieë. Dit word meestal stabiel binne metalloproteïene gevind, want andersins veroorsaak dit in die vrye vorm dat vrye radikale gevorm word wat giftig is vir selle. Baie diere sluit yster in by die heemkompleks, 'n noodsaaklike komponent van sitochroom, wat die proteïene is wat by die redoks-reaksies betrokke is (wat onder andere respirasie insluit), asook in die suurstofdraende proteïene hemoglobien en mioglobien. Anorganiese yster wat betrokke is by redoks-reaksies word ook gevind in die yster-swael trosse van baie ensieme, soos bv. nitrogenase (betrokke by ammoniaksintese vanuit stikstof en waterstof) en hidrogenase. 'n Klas nie-heme ysterproteïene is verantwoordelik vir 'n wye reeks funksies in verskeie lewensvorme, soos die ensieme metaan mono-oksigenase (oksideer metaan na metanol), ribonukleotied reduktase (reduseer ribose na deoksiribose; DNA biosintese), hemeritriene (vervoer en bind suurstof in ongewerwelde seediere) en per-suur fosfaatase (hidrolis van fosfaatesters). Wanneer die liggaam 'n bakteriese infeksie bestry, stoor dit yster in die vervoerproteïen transferrin om bakterieë die gebruik daarvan te ontsê.

Ysterverspreiding word goed beheer in soogdiere. Die yster wat vanuit die duodenum geabsorbeer word, word aan transferrin gebind en deur die bloed vervoer na die verskillende selle. Daar word dit deur 'n tot-nog-toe-onbekende meganisme by die teikenproteïene opgeneem ^[9]

Goeie voedselbronne van yster sluit vleis (veral lewer), vis, pluimvee, lensies, boontjies, blaargroente, tofu, ertjies en aarbeie in.

Voedselaanvullings voorsien dikwels yster in die vorm van yster(II)fumaraat. Die aanbevole daaglikse inname wissel aansienlik en hang af van ouderdom, geslag en die voedingsbron waarin die yster voorkom (heemgebaseerde yster het 'n hoër bio-beskikbaarheid)^[10]

Isotope

Yster wat natuurlik voorkom bestaan uit vier isotope: 5.845% uit radio-aktiewe ⁵⁴Fe (halfleeftyd: 3.1 x 10²² jaar), 91,754% uit stabiele ⁵⁶Fe, 2,119% uit stabiele ⁵⁷Fe en 0,282% uit stabiele ⁵⁸Fe. Die isotoop ⁵⁶Fe is van besondere belang vir kernwetenskaplikes aangesien dit die mees stabiele kern moontlik besit. Dit is nie moontlik om fissie of fusie reaksies op ⁵⁶Fe uit te voer en steeds energie vry te stel nie. Dit is vir geen ander element waar nie. ⁶⁰Fe is 'n uitgestorwe radionuklied wat 'n lang halfleeftyd het (1,5 miljoen jaar).

Daar is in sekere meteoriete 'n verband gevind tussen die ⁶⁰Ni, die dogterproduk van ⁶⁰Fe en die verspreiding van stabiele ysterisotope wat bewys is daarvan dat ⁶⁰Fe bestaan het met die vorming van die sonnestelsel. Die energie wat vrygestel is deur die verval van ⁶⁰Fe saam met die energie wat deur die radionuklied ²⁶Al vrygestel is, het waarskynlik bygedra tot die hersmelting en differensiasie van asteroïede na hul vorming ongeveer 4.6 miljard jaar gelede. Die hoë voorkoms van ⁶⁰Ni teenwoordig in buiteruimse materiaal verskaf ook meer insig in die ontstaan van die sonnestelsel en sy vroeë geskiedenis. Van die stabiele isotope het slegs ⁵⁷Fe 'n kernspin (−1/2). Om hierdie rede vind ⁵⁷Fe toepassings as 'n spin-isotoop in chemie en biochemie.

Voorsorgmaatreëls

Oormatige innamme van yster deur mense is toksies, aangesien die oormaat yster met peroksiede in die liggaam reageer wat vrye radikale laat ontstaan. Die liggaam se eie anti-oksidantmeganismes beheer hierdie proses as yster in normale vlakke voorkom. In oormaat word onbeheerbare hoeveelhede vrye radikale gevorm.

Die noodlottige dosis yster by 'n tweejarige kind is ongeveer drie gram yster. Een gram kan ernstige vergiftiging tot gevolg hê. Daar is gevalle aangemeld van kinders wat vergiftig is deur tussen 10-50 tablette ystersulfaat oor 'n tydperk van 'n paar uur in te neem. Oormatige inname van yster is die grootste enkele oorsaak van sterftes by kinders wat per abuis farmaseutiese middels inneem. Die "Dietary Reference Intake" lys die hoogste draagbare innamevlak (HV) vir volwassenes as 45 mg/dag. Vir kinders onder veertien jaar oud is die HV 40 mg/dag.

As ysterinname oormatig is, kan 'n aantal ysteroormaat-afwykings voorkom. Om hierdie rede moet mense nie ysteraanvullings neem tensy hulle aan 'n ystertekort ly en alvorens hulle 'n dokter geraadpleeg het nie.

Vrywaring: Die mediese inligting verskaf op Wikipedia dien slegs as 'n riglyn en dra geen waarborg van feitelike korrektheid nie.
Enige vrae of klagtes oor u persoonlike gesondheid behoort na 'n dokter verwys te word.