Železo
Výskyt, použití a vlastnosti
Železo tvoří 5 % zemské kůry a mezi kovy je druhé po hliníku a mezi prvky čtvrté za kyslíkem, křemíkem a hliníkem. Železo, které je hlavní složkou zemského jádra, je nejrozšířenějším prvkem na Zemi jako celku (asi 35 %) a je poměrně hojně zastoupeno ve Slunci a dalších hvězdách. V zemské kůře je volný kov vzácný, vyskytuje se jako terestrické železo (legované 2-3 procenty niklu) v bazaltových horninách v Grónsku a karbonských sedimentech ve Spojených státech (Missouri) a jako meteorické železo s nízkým obsahem niklu (5-7 procent niklu), kamacit. Nikl-železo, původní slitina, se vyskytuje v pozemských ložiscích (21-64 % železa, 77-34 % niklu) a v meteoritech jako taenit (62-75 % železa, 37-24 % niklu). (Mineralogické vlastnosti nativního železa a niklu-železa viz nativní prvky .) Meteority se klasifikují jako železné, železokamenné nebo kamenné podle relativního podílu obsahu železa a křemičitých minerálů. Železo se vyskytuje také v kombinaci s jinými prvky ve stovkách minerálů; největší význam jako železná ruda mají hematit (oxid železitý, Fe2O3), magnetit (tetroxid trojmocný, Fe3O4), limonit (hydratovaný hydroxid železitý, FeO(OH)∙nH2O) a siderit (uhličitan železitý, FeCO3). Vyvřelé horniny obsahují v průměru asi 5 % železa. Kov se získává tavením s uhlíkem (koksem) a vápencem. (Konkrétní informace o těžbě a výrobě železa naleznete v části Zpracování železa.)
| země | těžba v roce 2006 (v metrických tunách)* | % světové těžby | prokázané zásoby v roce 2006 (v metrických tunách)*, ** | % světových prokázaných zásob |
|---|---|---|---|---|
| *Odhad. | ||||
| **Obsah železa. | ||||
| ***Detail se z důvodu zaokrouhlování nesčítá s celkovým uvedeným množstvím. | ||||
| Zdroj: U.S. Department of the Interior, Mineral Commodity Summaries 2007. | ||||
| Čína | 520 000 000 | 30.8 | 15 000 000 000 | 8,3 |
| Brazílie | 300 000 000 | 17,8 | 41 000 000 000 | 22.8 |
| Austrálie | 270 000 000 | 16,0 | 25 000 000 000 | 13.9 |
| Indie | 150 000 000 | 8,9 | 6 200 000 000 | 3,4 |
| Rusko | 105 000 000 | 6.2 | 31 000 000 000 | 17,2 |
| Ukrajina | 73 000 000 000 | 4,3 | 20 000 000 000 | 11.1 |
| Spojené státy | 54 000 000 | 3,2 | 4 600 000 000 | 2.6 |
| Jižní Afrika | 40 000 000 | 2,4 | 1 500 000 000 | 0,8 |
| Kanada | 33 000 000 | 2.0 | 2 500 000 000 | 1,4 |
| Švédsko | 24 000 000 | 1,4 | 5 000 000 000 | 2.8 |
| Irán | 20 000 000 | 1,2 | 1 500 000 000 | 0,8 |
| Venezuela | 20 000 000 | 1.2 | 3 600 000 000 | 2,0 |
| Kazachstán | 15 000 000 | 0,9 | 7 400 000 000 | 4.1 |
| Mauretánie | 11 000 000 | 0,7 | 1 000 000 000 | 0,6 |
| Mexiko | 13 000 000 | 0.8 | 900 000 000 | 0,5 |
| ostatní země | 43 000 000 | 2.5 | 17,000,000,000 | 9.4 |
| celkem na světě | 1 690 000 000 | 100*** | 180 000 000 000 | 100*** |
Průměrné množství železa v lidském těle je asi 4,5 gramu (asi 0,5 gramu).004 %), z čehož přibližně 65 % je ve formě hemoglobinu, který přenáší molekulární kyslík z plic do celého těla, 1 % v různých enzymech, které řídí nitrobuněčnou oxidaci, a většina zbytku je uložena v těle (játra, slezina, kostní dřeň) pro budoucí přeměnu na hemoglobin. Červené maso, vaječný žloutek, mrkev, ovoce, celozrnná pšenice a zelená zelenina přispívají většinou z 10-20 miligramů železa, které průměrný dospělý člověk denně potřebuje. K léčbě hypochromních anémií (způsobených nedostatkem železa) se používá některá z velkého množství organických nebo anorganických sloučenin železa (obvykle železa).
Běžně dostupné železo téměř vždy obsahuje malé množství uhlíku, který se zachycuje z koksu při tavení. Ty upravují jeho vlastnosti, od tvrdých a křehkých litin obsahujících až 4 % uhlíku až po kujnější nízkouhlíkové oceli obsahující méně než 0,1 % uhlíku.
V čisté formě se vyskytují tři skutečné alotropy železa. Delta železo, které se vyznačuje krystalovou strukturou se středem v tělese, je stabilní při teplotách nad 1 390 °C. Pod touto teplotou dochází k přechodu na gama železo, které má krychlovou strukturu s čelním středem (nebo krychlovou těsnou strukturu) a je paramagnetické (schopné být pouze slabě zmagnetované a pouze po dobu přítomnosti magnetizujícího pole); jeho schopnost tvořit pevné roztoky s uhlíkem je důležitá při výrobě oceli. Při teplotě 910 °C (1 670 °F) dochází k přechodu na paramagnetické alfa železo, které má rovněž tělesově středovou krychlovou strukturu. Pod 773 °C (1 423 °F) se alfa železo stává feromagnetickým (tj. schopným trvalého zmagnetování), což naznačuje změnu elektronické struktury, ale žádnou změnu krystalové struktury. Při teplotě nad 773 °C (Curieho bod) ztrácí feromagnetismus úplně. Alfa železo je měkký, tvárný, lesklý, šedobílý kov s vysokou pevností v tahu.
Čisté železo je poměrně reaktivní. Ve velmi jemně rozděleném stavu je kovové železo pyroforické (tj. samovolně se vznítí). Při mírném zahřátí se intenzivně slučuje s chlorem a také s řadou dalších nekovů, včetně všech halogenů, síry, fosforu, boru, uhlíku a křemíku (v technické metalurgii železa hrají hlavní roli karbidové a silicidové fáze). Kovové železo se snadno rozpouští ve zředěných minerálních kyselinách. S neoxidujícími kyselinami a za nepřítomnosti vzduchu se získává železo v oxidačním stavu +2. Za přítomnosti vzduchu nebo při použití teplé zředěné kyseliny dusičné přechází část železa do roztoku jako ion Fe3+. Velmi silně oxidační prostředí – například koncentrovaná kyselina dusičná nebo kyseliny obsahující dichroman – však železo pasivují (tj. způsobují ztrátu jeho normální chemické aktivity) stejně jako chrom. Voda bez přístupu vzduchu a zředěné hydroxidy bez přístupu vzduchu mají na kov malý vliv, ale napadá ho horký koncentrovaný hydroxid sodný.
Přirozené železo je směsí čtyř stabilních izotopů: železo-56 (91,66 %), železo-54 (5,82 %), železo-57 (2 %), železo-57 (2 %) a železo-56 (2 %).19 procent) a železo-58 (0,33 procenta).
Sloučeniny železa lze studovat s využitím jevu známého jako Mössbauerův jev (jev, kdy je záření gama absorbováno a vyzářeno jádrem bez zpětného rázu). Ačkoli byl Mössbauerův jev pozorován přibližně u třetiny prvků, zejména u železa (a v menší míře u cínu) se stal pro chemiky významným nástrojem výzkumu. V případě železa efekt závisí na skutečnosti, že jádro železa-57 může být excitováno do vysokoenergetického stavu absorpcí záření gama o velmi ostře definované frekvenci, které je ovlivněno oxidačním stavem, elektronovou konfigurací a chemickým prostředím atomu železa, a může tak být použito jako sonda jeho chemického chování. Výrazný Mössbauerův efekt železa-57 byl využit při studiu magnetismu a derivátů hemoglobinu a k vytvoření velmi přesných jaderných hodin.
.