żelazo

Żelazo (łac. Ferrum) to cząsteczka chemiczna w Tabeli okresowej pierwiastków, która ma symbol Fe i liczbę atomową 26. Żelazo to stosunkowo miękki, srebrzysty metal. Należy do pierwiastków przejściowych. Chemicznie jest stosunkowo reaktywne, reaguje z kwasami z wydzielaniem wodoru. Pod wpływem wilgoci powietrza i tlenku występuje oksydacja w wyniku powstawania mieszaniny zhydratowanych tlenków i wodorotlenków żelaza, nazywanych rzad. Ten proces jest dużym problemem dla przemysłu, ponieważ żelazo jest jednym z najczęściej używanych metali. W celu ochrony stosuje się różne farby, pasywację pod wpływem kwasu fosforowego (powstaje warstwa fosforanów), pokrywanie, itp.

Związki

Najczęściej spotykane stopnie utlenienia związków żelaza to +2 i +3. Spośród związków są to głównie tlenek żelaza(II) (FeO), tlenek żelaza(III) (Fe₂O₃), i podwójny tlenek żelaza(II,III) (Fe₃O₄). Są stosowane głównie do produkcji czystego żelaza.

Żelazo jako pierwiastek przejściowy tworzy dużą liczbę związków kompleksowych, w których najczęściej występuje w liczbie koordynacyjnej 4 i 6. Związki żelaza są stosunkowo trwałe. Spośród najbardziej znanych wymieniamy kwas żelazocynkowy potasowy (żółta sól krwi) K₄[Fe (CN)₆], kwas żelazocynnowy potasowy (czerwona sól krwi) K₃[Fe (CN)₆] – stosowane w chemii analitycznej, oraz pentakarbonyl żelaza Fe (CO)₅, stosowany do laboratoryjnej produkcji czystego żelaza.

Kolejne używane związki to siarczan żelaza(II) (FeSO₄), chlorek żelaza(III) (FeCl₃).

Jest znany również występowanie stopni utlenienia +4, +5, +6 (K₂FeO₄). Dane związki są bardzo silnymi utleniaczami.

Występowanie

Żelazo jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w składzie ziemskim (5 hm. %). Jego rozkład nie jest jednak równy, w kierunku od powierzchni do jądra zawartość jego rośnie, samo jądro jest zbudowane z stopu niklu i żelaza w proporcji ~85 % Fe: ~6 % Ni. W przyrodzie żelazo występuje w różnych, najczęściej mafitych górach – bazalt i minerałach – pirokseny, amfiboly, oliwiny. Wazne minerały rude żelaza, z których żelazo jest przemysłowo wytwarzane to: hematyt, limonit, w magnetyt, siderit^[1]. Wiele innych minerałów zawiera również żelazo, ale jego ekstrakcja z nich nie jest opłacalna lub energetycznie bardzo wymagająca, np. piryt. Najważniejszymi światowymi złożami rud żelaza są tzw. paskowane żelazne formacje.

Występowanie czystego żelaza jest rzadkie (niektóre złoża w Gruónlandii i Szwecji). Znajduje się również tzw. żelaznych meteorytach, w postaci stopów z niklem.

Produkcja

Więcej informacji w głównym artykule: surowe żelazo

Gnij rudy żelaza.

Żelazo jest znane ludzkości od starożytności (halstattski i latencki), jego większa produkcja przemysłowa zaczęła się dopiero w XVIII wieku. Do produkcji są używane wyżej wymienione rudy (hematyt, magnetyt, siderit, limonit).

Produkcja opiera się na reakcjach redoks z tlenkiem węgla, lub węglem w tzw. piecach wysokich. Do pieca wysokiego są dozowane przetworzone rudy, koksz i wapień, ewentualnie tlenek krzemionkowy. Temperatura w piecu wynosi około 1 800 °C i przebiegają tam kilka procesów:

spalanie koksu z powstaniem tlenku węgla, lub węglanu

C + O₂ → CO₂

2C + O₂ → 2CO

redukcja żelaza tlenkiem węgla

3 CO + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO₂

ewentualnie węglem

3 C + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO

powstanie szlakietu (ochrona stopionego żelaza przed odwrotną oksydacją)

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Cały proces przebiega ciągle, do górnej części jest dodawana ruda, koksz, dodatki szlakietowe, a z dolnej części w regularnych odstępach czasu odpuszczane jest stopione żelazo (odpich żelaza).

Pyrit nie jest używany jako surowiec do produkcji żelaza, ponieważ zawiera siarkę, która tworzy niepożądane siarczki.

Zastosowanie

Żelazo jest najbardziej używanym metalem. Surowe żelazo zawiera oprócz węgla różne domieszki, dlatego nie ma odpowiednich właściwości do bezpośredniego zastosowania. Jego obróbką wytwarza się różne rodzaje litiny. Litina jest stosunkowo twarda, ale kruchka, z małymi możliwościami dalszego przetwarzania. Ma jednak bardzo dobre właściwości odlewnicze. Dlatego jest używana do produktów, gdzie nie jest wymagana duża dokładność obróbki i które można wyprodukować odlewaniem (np. pokrywy, grzejniki). Istnieją jednak również typy litiny z modyfikowanymi właściwościami.

Usuwając węgiel z surowego żelaza otrzymuje się stal, która jest nieporównywalnie lepiej przetwarzalna, jest kowalna, gięta. Przydomkami innych metali (mangan, chrom, wanad, wolfram, kobalt i in.) modyfikuje się różne właściwości mechaniczne stali (wytrzymałość, twardość, odporność chemiczną i wiele innych). Spotykamy się z tą stalą w codziennym życiu (transport, przemysł, maszyny, budownictwo).

Więcej informacji o zastosowaniu żelaza znajdziesz w kategoriach Litiny i Stal

Znaczenie biologiczne

Żelazo to ważny pierwiastek biogenny. Jako atom centralny złożenia metaloorganicznego hemu, wbudowanego do białka hemoglobiny odgrywa ważną rolę w organizmie kręgowców przy transportowaniu tlenku z płuc do komórek.

Hemoglobina jest związana w czerwonych krwinkach. Tlen jest związany z hemoglobiną wiązaniem koordynacyjnym. Problem pojawia się, gdy do płuc dostaje się ligand z większą energią wiązania (tlenek węgla), który wypycha tlen i dochodzi do blokady jego transportu.

Głównym źródłem żelaza w diecie są wnętrzności (wątroba, serce) i mięso, ale również strączki i warzywa liściowe.