A vas
előfordulás, felhasználás és tulajdonságok
A vas a földkéreg 5 százalékát teszi ki, és a fémek között az alumínium után a második, az elemek között pedig az oxigén, a szilícium és az alumínium után a negyedik. A vas, amely a Föld magjának fő alkotóeleme, az egész Földön a legnagyobb mennyiségben előforduló elem (mintegy 35 százalék), és viszonylag sok van belőle a Napban és más csillagokban is. A földkéregben a szabad fém ritka, földi vasként (2-3 százalékos nikkellel ötvözve) a grönlandi bazaltos kőzetekben és az Egyesült Államokban (Missouri államban) a széntartalmú üledékekben, valamint alacsony nikkeltartalmú meteoritvas (5-7 százalék nikkel), a kamacit formájában fordul elő. A nikkel-vas, egy natív ötvözet, szárazföldi lelőhelyeken (21-64 százalék vas, 77-34 százalék nikkel) és meteoritokban taenitként (62-75 százalék vas, 37-24 százalék nikkel) fordul elő. (A natív vas és a nikkel-vas ásványtani tulajdonságait lásd: natív elemek). A meteoritokat vas-, vaskő- vagy kőzetmineráltartalmuk relatív aránya szerint vas-, vas-kő- vagy kőzetmineráltartalomba sorolják. A vas más elemekkel kombinálva is megtalálható több száz ásványban; vasércként a legnagyobb jelentőségű a hematit (vas-oxid, Fe2O3), a magnetit (háromvas-tetroxid, Fe3O4), a limonit (hidratált vas-oxid-hidroxid, FeO(OH)∙nH2O) és a sziderit (vaskarbonát, FeCO3). Az igneózus kőzetek átlagos vastartalma körülbelül 5 százalék. A fémet szénnel (koksz) és mészkővel történő olvasztással nyerik ki. (A vas bányászatával és előállításával kapcsolatos konkrét információkért lásd: vasfeldolgozás.)
| ország | bányászati termelés 2006 (metrikus tonna)* | %-a a világ bányászati termelésének | mutatott tartalékok 2006 (metrikus tonna)*, ** | %-a a világ kimutatott tartalékainak |
|---|---|---|---|---|
| *becsült. | ||||
| **Vasaltartalom. | ||||
| ***A kerekítés miatt nem adódik össze a megadott összeg. | ||||
| Forrás: Forrás: U.S. Department of the Interior, Mineral Commodity Summaries 2007. | ||||
| Kína | 520,000,000 | 30.8 | 15,000,000,000 | 8.3 |
| Brazília | 300,000,000 | 17.8 | 41,000,000,000 | 22.8 |
| Ausztrália | 270,000,000,000 | 16.0 | 25,000,000,000,000 | 13.9 |
| India | 150,000,000 | 8.9 | 6,200,000,000 | 3.4 |
| Oroszország | 105,000,000 | 6.2 | 31,000,000,000 | 17.2 |
| Ukrajna | 73,000,000 | 4.3 | 20,000,000,000 | 11.1 |
| Egyesült Államok | 54,000,000 | 3.2 | 4,600,000,000 | 2.6 |
| Dél-Afrika | 40,000,000 | 2.4 | 1,500,000,000 | 0.8 |
| Kanada | 33,000,000 | 2.0 | 2,500,000,000 | 1.4 |
| Svédország | 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 |
| Kazahsztán | 15,000,000 | 0.9 | 7,400,000,000 | 4.1 |
| Mauritánia | 11,000,000 | 0.7 | 1,000,000,000 | 0.6 |
| Mexikó | 13,000,000 | 0.8 | 900,000,000 | 0.5 |
| más országok | 43,000,000 | 2.5 | 17,000,000,000 | 9.4 |
| világ összes | 1.690.000.000 | 100*** | 180.000.000.000 | 100*** |
A vas átlagos mennyisége az emberi szervezetben körülbelül 4,5 gramm (kb. 0.004 százalék), amelynek körülbelül 65 százaléka hemoglobin formájában van jelen, amely a tüdőből a molekuláris oxigént szállítja a szervezetben; 1 százaléka a különböző enzimekben, amelyek a sejten belüli oxidációt szabályozzák; a maradék nagy része pedig a szervezetben (máj, lép, csontvelő) tárolódik, hogy később hemoglobinná alakuljon át. A vörös hús, a tojássárgája, a sárgarépa, a gyümölcsök, a teljes kiőrlésű búza és a zöld zöld zöldségek adják a legtöbbet az átlagos felnőttek napi 10-20 milligramm vasszükségletéből. A hipokróm (vashiány okozta) anémiák kezelésére számos szerves vagy szervetlen vasvegyület (általában vas) bármelyikét alkalmazzák.
A vas, ahogyan általában kapható, szinte mindig tartalmaz kis mennyiségű szenet, amelyet a kokszból vesznek fel az olvasztás során. Ezek módosítják a tulajdonságait, a kemény és rideg öntöttvasaktól kezdve az akár 4 százaléknyi szenet tartalmazó kemény és rideg öntöttvasakon át a képlékenyebb, 0,1 százaléknál kevesebb szenet tartalmazó, alacsony széntartalmú acélokig.
A vasnak tiszta formában három valódi allotrópja fordul elő. A deltavas, amelyet testközpontú köbös kristályszerkezet jellemez, 1390 °C hőmérséklet felett stabil. E hőmérséklet alatt átmenetet képez a gamma-vassal, amely arcközpontú köbös (vagy köbös szorosan pakolt) szerkezetű és paramágneses (csak gyengén mágnesezhető és csak addig, amíg a mágnesező mező jelen van); az acélgyártásban fontos az a képessége, hogy szénnel szilárd oldatot képezzen. 910 °C-on (1670 °F) átmenetet képez a paramágneses alfa-vas, amely szintén testcentrikus köbös szerkezetű. 773 °C (1 423 °F) alatt az alfa-vas ferromágnesessé (azaz tartósan mágnesezhetővé) válik, ami az elektronszerkezet változására utal, de a kristályszerkezetben nem következik be változás. 773 °C felett (Curie-pont) teljesen elveszíti ferromágnesességét. Az alfa-vas lágy, képlékeny, csillogó, szürkésfehér színű, nagy szakítószilárdságú fém.
A tiszta vas meglehetősen reaktív. Nagyon finomra osztott állapotban a fémes vas piroforos (azaz spontán meggyullad). Enyhe hevítés hatására erőteljesen egyesül klórral, valamint számos más nemfémmel, köztük az összes halogénnel, kénnel, foszforral, bórral, szénnel és szilíciummal (a vas műszaki kohászatában a karbid és szilicid fázisok jelentős szerepet játszanak). A fémes vas híg ásványi savakban könnyen oldódik. Nem oxidáló savakkal és levegő hiányában +2 oxidációs állapotú vasat kapunk. Levegő jelenlétében vagy meleg híg salétromsav használata esetén a vas egy része Fe3+ ionként oldódik. A nagyon erősen oxidáló közegek – például a tömény salétromsav vagy a dikromátot tartalmazó savak – azonban a krómhoz hasonlóan passziválják a vasat (azaz a vas elveszíti normál kémiai aktivitását). A levegő nélküli víz és a híg, levegő nélküli hidroxidok kevéssé hatnak a fémre, de a forró tömény nátrium-hidroxid megtámadja.
A természetes vas négy stabil izotóp keveréke: a vas-56 (91,66 százalék), a vas-54 (5,82 százalék), a vas-57 (2.19 százalék) és a vas-58 (0,33 százalék).
A vasvegyületek a Mössbauer-effektusnak nevezett jelenség (az a jelenség, amikor a gammasugárzás elnyelődik és visszasugárzik egy atommag által visszaverődés nélkül) kihasználásával tanulmányozhatók. Bár a Mössbauer-effektust az elemek körülbelül egyharmadánál megfigyelték, különösen a vas (és kisebb mértékben az ón) esetében ez a hatás a kémikusok egyik legfontosabb kutatási eszköze. A vas esetében a hatás azon múlik, hogy a vas-57 atommagja a vasatom oxidációs állapota, elektronkonfigurációja és kémiai környezete által befolyásolt, nagyon élesen meghatározott frekvenciájú gamma-sugárzás elnyelésével nagy energiájú állapotba gerjeszthető, és így a vas kémiai viselkedésének szondájaként használható. A vas-57 kifejezett Mössbauer-hatását a mágnesesség és a hemoglobinszármazékok tanulmányozására, valamint egy nagyon pontos atomóra elkészítésére használták fel.