Żelazo

Występowanie, zastosowania i właściwości

Żelazo stanowi 5 procent skorupy ziemskiej i jest drugim pod względem obfitości występowania metalem po aluminium i czwartym pod względem obfitości występowania tlenem, krzemem i aluminium wśród pierwiastków. Żelazo, które jest głównym składnikiem jądra Ziemi, jest najbardziej obfitym elementem w Ziemi jako całości (około 35%) i jest stosunkowo obfite w Słońcu i innych gwiazdach. W skorupie ziemskiej wolny metal jest rzadki, występuje jako żelazo ziemskie (stop z 2-3 procentami niklu) w skałach bazaltowych na Grenlandii i osadach węglowych w Stanach Zjednoczonych (Missouri) oraz jako nisko-niklowe żelazo meteoryczne (5-7 procent niklu), kamacyt. Nikiel-żelazo, rodzimy stop, występuje w złożach lądowych (21-64% żelaza, 77-34% niklu) oraz w meteorytach jako taenit (62-75% żelaza, 37-24% niklu). (Właściwości mineralogiczne rodzimego żelaza i niklowo-żelazowego – patrz pierwiastki rodzime). Meteoryty są klasyfikowane jako żelazne, żelazno-kamienne lub kamienne w zależności od względnej proporcji zawartości żelaza i minerałów krzemianowych. Żelazo występuje również w połączeniu z innymi pierwiastkami w setkach minerałów; największe znaczenie jako ruda żelaza mają hematyt (tlenek żelaza, Fe2O3), magnetyt (tetratlenek żelaza, Fe3O4), limonit (uwodniony wodorotlenek tlenku żelaza, FeO(OH)∙nH2O) i syderyt (węglan żelaza, FeCO3). Zawartość żelaza w skałach iglastych wynosi średnio około 5 procent. Metal jest wydobywany poprzez wytapianie z węglem (koksem) i wapieniem. (Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat wydobycia i produkcji żelaza, zobacz przetwarzanie żelaza.)

Ruda żelaza
kraj produkcja kopalniana 2006 (tony metryczne)* % światowej produkcji kopalnianej wykazane rezerwy 2006 (tony metryczne)*, ** % światowych wykazanych rezerw
*Oszacowano.
**Zawartość żelaza.
***Szczegóły nie sumują się do podanej sumy z powodu zaokrągleń.
Źródło: U.S. Department of the Interior, Mineral Commodity Summaries 2007.
Chiny 520,000,000 30.8 15,000,000,000 8.3
Brazylia 300,000,000 17.8 41,000,000 22.8
Australia 270,000,000 16.0 25,000,000,000 13.9
Indie 150,000,000 8.9 6,200,000,000 3.4
Rosja 105,000,000 6.2 31,000,000 17.2
Ukraina 73,000,000 4.3 20,000,000 11.1
Stany Zjednoczone 54,000,000 3.2 4,600,000,000 2.6
Południowa Afryka 40,000,000 2.4 1,500,000,000 0.8
Kanada 33,000,000 2.0 2,500,000,000 1.4
Szwecja 24,000,000 1.4 5,000,000 2.8
Iran 20,000,000 1.2 1,500,000,000 0.8
Wenezuela 20,000,000 1.2 3,600,000,000 2.0
Kazachstan 15,000,000 0.9 7,400,000,000 4.1
Mauretania 11,000,000 0.7 1,000,000 0.6
Meksyk 13,000,000 0.8 900,000,000 0.5
pozostałe kraje 43,000,000 2.5 17,000,000,000 9.4
world total 1,690,000,000 100*** 180,000,000 100***

Średnia ilość żelaza w organizmie człowieka wynosi ok. 4,5 grama (ok. 0.004 procent), z czego około 65 procent jest w postaci hemoglobiny, która transportuje tlen cząsteczkowy z płuc w całym organizmie; 1 procent w różnych enzymów, które kontrolują utlenianie wewnątrzkomórkowe, a większość reszty przechowywane w organizmie (wątroba, śledziona, szpik kostny) do przyszłej konwersji do hemoglobiny. Czerwone mięso, żółtko jaja, marchew, owoce, pszenica i zielone warzywa dostarczają większość z 10-20 miligramów żelaza potrzebnych każdego dnia dla przeciętnej osoby dorosłej. W leczeniu niedokrwistości hipochromicznych (spowodowane niedoborem żelaza), każdy z dużej liczby organicznych lub nieorganicznych związków żelaza (zwykle żelazo) są used.

Żelazo, jak powszechnie dostępne, prawie zawsze zawiera niewielkie ilości węgla, które są pobierane z koksu podczas wytopu. Te modyfikują jego właściwości, od twardych i kruchych żeliw zawierających do 4 procent węgla do bardziej plastycznych stali niskowęglowych zawierających mniej niż 0,1 procent węgla.

Uzyskaj subskrypcję Britannica Premium i uzyskaj dostęp do ekskluzywnych treści. Subscribe Now

Trzy prawdziwe alotropy żelaza w jego czystej postaci występują. Żelazo delta, charakteryzujące się sześcienną strukturą krystaliczną, jest stabilne powyżej temperatury 1 390 °C (2 534 °F). Poniżej tej temperatury następuje przejście do żelaza gamma, które ma strukturę sześcienną (lub sześcienną ściśle upakowaną) i jest paramagnetyczne (może być tylko słabo namagnesowane i tylko tak długo, jak długo obecne jest pole magnetyzujące); jego zdolność do tworzenia roztworów stałych z węglem jest ważna przy produkcji stali. W temperaturze 910 °C (1.670 °F) następuje przejście do paramagnetycznego żelaza alfa, które również ma strukturę sześcienną. Poniżej 773 °C (1.423 °F) żelazo alfa staje się ferromagnetyczne (tj. zdolne do trwałego namagnesowania), co wskazuje na zmianę struktury elektronicznej, ale bez zmiany struktury krystalicznej. Powyżej 773 °C (jego punkt Curie), traci ono całkowicie swój ferromagnetyzm. Żelazo alfa jest miękkim, ciągliwym, połyskliwym, szarobiałym metalem o dużej wytrzymałości na rozciąganie.

Czyste żelazo jest dość reaktywne. W bardzo drobno podzielonym stanie metalicznego żelaza jest piroforyczne (tj. zapala się samoistnie). Łączy się energicznie z chlorem na łagodnym ogrzewaniu, a także z wielu innych niemetali, w tym wszystkich chlorowców, siarki, fosforu, boru, węgla i krzemu (fazy węglików i krzemków odgrywają ważną rolę w technicznej metalurgii żelaza). Metaliczne żelazo łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach mineralnych. W kwasach nieutleniających i przy braku powietrza otrzymuje się żelazo w stanie utlenienia +2. W obecności powietrza lub przy użyciu ciepłego, rozcieńczonego kwasu azotowego, część żelaza przechodzi do roztworu jako jon Fe3+. Bardzo silnie utleniające media – na przykład stężony kwas azotowy lub kwasy zawierające dichromian – pasywują żelazo (tzn. powodują utratę jego normalnej aktywności chemicznej), jednak podobnie jak chrom. Woda wolna od powietrza i rozcieńczone wodorotlenki wolne od powietrza mają niewielki wpływ na metal, ale jest on atakowany przez gorący stężony wodorotlenek sodu.

Naturalne żelazo jest mieszaniną czterech stabilnych izotopów: żelazo-56 (91,66 procent), żelazo-54 (5,82 procent), żelazo-57 (2.19 procent), i żelazo-58 (0,33 procent).

Związki żelaza są podatne na badania poprzez wykorzystanie zjawiska znanego jako efekt Mössbauera (zjawisko promieniowania gamma jest pochłaniany i ponownie emitowany przez jądro bez odrzutu). Chociaż efekt Mössbauera został zaobserwowany dla około jednej trzeciej pierwiastków, to właśnie dla żelaza (i w mniejszym stopniu dla cyny) stał się on głównym narzędziem badawczym chemika. W przypadku żelaza efekt ten polega na tym, że jądro żelaza-57 może zostać wzbudzone do stanu wysokoenergetycznego poprzez absorpcję promieniowania gamma o bardzo ostro zdefiniowanej częstotliwości, na którą wpływa stan utlenienia, konfiguracja elektronowa i środowisko chemiczne atomu żelaza, co może być wykorzystane jako sonda jego zachowania chemicznego. Wyraźny efekt Mössbauera żelaza-57 został wykorzystany w badaniach magnetyzmu i pochodnych hemoglobiny oraz do stworzenia bardzo precyzyjnego zegara atomowego.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.