Rauta
Esiintyminen, käyttö ja ominaisuudet
Raudan osuus maankuoresta on 5 prosenttia, ja se on metallien joukossa alumiinin jälkeen toiseksi runsain ja alkuaineiden joukossa neljänneksi runsain hapen, piin ja alumiinin jälkeen. Rauta, joka on Maan ytimen pääainesosa, on yleisin alkuaine koko Maassa (noin 35 prosenttia) ja sitä on suhteellisen runsaasti Auringossa ja muissa tähdissä. Kuoressa vapaa metalli on harvinaista, ja sitä esiintyy maanpäällisenä rautana (seostettuna 2-3 prosentin nikkelipitoisuudella) basalttikivissä Grönlannissa ja hiilipitoisissa sedimenteissä Yhdysvalloissa (Missourissa) sekä vähän nikkeliä sisältävänä meteoriittirautana (5-7 prosentin nikkelipitoisuudella), kamakiittina. Nikkelirauta, natiiviseos, esiintyy maanpäällisissä esiintymissä (21-64 prosenttia rautaa, 77-34 prosenttia nikkeliä) ja meteoriiteissa taeniittina (62-75 prosenttia rautaa, 37-24 prosenttia nikkeliä). (Natiiviraudan ja nikkeliraudan mineralogiset ominaisuudet, ks. natiivit alkuaineet.) Meteoriitit luokitellaan rauta-, rautakivi- tai kivimeteoriiteiksi niiden rauta- ja silikaattimineraalipitoisuuksien suhteellisen osuuden mukaan. Rautaa esiintyy myös yhdistettynä muihin alkuaineisiin sadoissa mineraaleissa; rautamalmina tärkeimpiä ovat hematiitti (rautaoksidi, Fe2O3), magnetiitti (trirautatetroksidi, Fe3O4), limoniitti (hydratoitu rautaoksidihydroksidi, FeO(OH)∙nH2O) ja sideriitti (rautakarbonaatti, FeCO3). Kallioperäisten kivien rautapitoisuus on keskimäärin noin 5 prosenttia. Metalli erotetaan sulattamalla hiilen (koksin) ja kalkkikiven avulla. (Tarkempia tietoja raudan louhinnasta ja tuotannosta on kohdassa raudan jalostaminen.)
| maa | kaivostuotanto 2006 (tonnia)* | % maailman kaivostuotannosta | näytetyt varannot 2006 (tonnia)*, ** | % maailman osoitetuista varannoista |
|---|---|---|---|---|
| *Estimated. | ||||
| **Rautapitoisuus. | ||||
| ***Tiedot eivät pyöristyksen vuoksi summaudu annettuun kokonaissummaan. | ||||
| Lähde: U.S. Department of the Interior, Mineral Commodity Summaries 2007. | ||||
| Kiina | 520,000,000 | 30.8 | 15 000 000 000 | 8.3 |
| Brasilia | 300 000 000 000 | 17.8 | 41 000 000 000 000 | 22.8 |
| Australia | 270,000,000 | 16.0 | 25,000,000,000 | 13.9 |
| Intia | 150,000,000 | 8.9 | 6,200,000,000 | 3.4 |
| Venäjä | 105,000,000 | 6.2 | 31,000,000,000 | 17.2 |
| Ukraina | 73,000,000 | 4.3 | 20,000,000,000 | 11.1 |
| Yhdysvallat | 54,000,000 | 3.2 | 4,600,000,000 | 2.6 |
| Etelä-Afrikka | 40,000,000 | 2.4 | 1,500,000,000 | 0.8 |
| Kanada | 33,000,000 | 2.0 | 2,500,000,000 | 1.4 |
| Ruotsi | 24,000,000 | 1.4 | 5,000,000,000 | 2.8 |
| Iran | 20,000,000 | 1.2 | 1,500,000,000 | 0.8 |
| Venezuela | 20,000,000 | 1.2 | 3,600,000,000 | 2.0 |
| Kazakstan | 15,000,000 | 0.9 | 7,400,000,000 | 4.1 |
| Mauritania | 11,000,000 | 0.7 | 1,000,000,000 | 0.6 |
| Meksiko | 13,000,000 | 0.8 | 900,000,000 | 0.5 |
| muut maat | 43,000,000 | 2.5 | 17,000,000,000 | 9.4 |
| maailmassa yhteensä | 1 690 000 000 | 100*** | 180 000 000 000 | 100*** |
Ihmisessä elimistössä on rautaa keskimäärin noin 4,5 grammaa (noin 0.004 prosenttia), josta noin 65 prosenttia on hemoglobiinina, joka kuljettaa molekulaarista happea keuhkoista koko elimistöön, 1 prosentti erilaisissa entsyymeissä, jotka säätelevät solunsisäistä hapettumista, ja suurin osa lopusta varastoituu elimistöön (maksaan, pernaan, luuytimeen) tulevaa hemoglobiiniksi muuttamista varten. Punainen liha, munankeltuainen, porkkanat, hedelmät, täysjyvävehnä ja vihreät vihannekset tuottavat suurimman osan keskimääräisen aikuisen päivittäin tarvitsemasta 10-20 milligramman rautamäärästä. Hypokromaattisten anemioiden (jotka johtuvat raudanpuutteesta) hoitoon käytetään mitä tahansa monista orgaanisista tai epäorgaanisista rautayhdisteistä (yleensä rautapitoisia).
Rauta, sellaisena kuin se on yleisesti saatavilla, sisältää lähes aina pieniä määriä hiiltä, joka on peräisin koksista sulatuksen aikana. Nämä muokkaavat sen ominaisuuksia, aina kovista ja hauraista valuraudoista, jotka sisältävät jopa 4 prosenttia hiiltä, muokattavampiin vähähiilisiin teräksiin, jotka sisältävät alle 0,1 prosenttia hiiltä.
Raudalla esiintyy puhtaassa muodossaan kolme todellista allotrooppia. Delta-rauta, jolle on ominaista kappalekeskeinen kuutiomainen kiderakenne, on stabiili yli 1390 °C:n lämpötilassa. Tämän lämpötilan alapuolella tapahtuu siirtyminen gammaraudaksi, jolla on pintakeskitetty kuutiorakenne ja joka on paramagneettinen (kykenee olemaan vain heikosti magnetoitunut ja vain niin kauan kuin magnetointikenttä on läsnä); sen kyky muodostaa kiinteitä liuoksia hiilen kanssa on tärkeä teräksenvalmistuksessa. 910 °C:ssa (1 670 °F) tapahtuu siirtyminen paramagneettiseksi alfa-raudaksi, joka on myös rakenteeltaan kuutiokeskistä. Alle 773 °C:n (1 423 °F) lämpötilassa alfa-raudasta tulee ferromagneettista (eli pysyvästi magnetoituvaa), mikä osoittaa elektronisen rakenteen muutosta, mutta ei muutosta kiderakenteessa. Yli 773 °C (Curie-piste) se menettää ferromagnetisminsa kokonaan. Alfa-rauta on pehmeä, sitkeä, kiiltävä, harmaanvalkoinen metalli, jolla on suuri vetolujuus.
Puhdas rauta on varsin reaktiivista. Hyvin hienojakoisessa tilassa metallinen rauta on pyroforista (ts. se syttyy itsestään). Se yhdistyy voimakkaasti kloorin kanssa lievässä kuumennuksessa ja myös monien muiden epämetallien kanssa, mukaan lukien kaikki halogeenit, rikki, fosfori, boori, hiili ja pii (karbidi- ja silisidifaaseilla on suuri merkitys raudan teknisessä metallurgiassa). Metallinen rauta liukenee helposti laimeisiin mineraalihappoihin. Hapettamattomissa hapoissa ja ilman ilmaa saadaan rauta, jonka hapetusaste on +2. Kun läsnä on ilmaa tai kun käytetään lämmintä laimeaa typpihappoa, osa raudasta menee liuokseen Fe3+-ionina. Erittäin voimakkaasti hapettavat väliaineet – esimerkiksi väkevä typpihappo tai dikromaattia sisältävät hapot – passivoivat rautaa (eli saavat sen menettämään normaalin kemiallisen aktiivisuutensa), aivan kuten kromiakin. Ilmaton vesi ja laimeat ilmattomat hydroksidit vaikuttavat metalliin vain vähän, mutta kuuma väkevä natriumhydroksidi hyökkää sen kimppuun.
Luonnollinen rauta on neljän stabiilin isotoopin seos: rauta-56 (91,66 prosenttia), rauta-54 (5,82 prosenttia), rauta-57 (2.19 prosenttia) ja rauta-58 (0,33 prosenttia).
Rautayhdisteitä voidaan tutkia hyödyntämällä ilmiötä, joka tunnetaan nimellä Mössbauerin ilmiö (ilmiö, jossa gammasäde absorboituu ja säteilee ytimen kautta ilman rekyyliä). Vaikka Mössbauerin ilmiö on havaittu noin kolmanneksella alkuaineista, erityisesti raudan (ja vähäisemmässä määrin tinan) kohdalla ilmiö on ollut kemistien tärkeä tutkimusväline. Raudan tapauksessa vaikutus perustuu siihen, että rauta-57:n ydin voidaan herättää korkeaan energiatilaan absorboimalla hyvin terävästi määritellyn taajuuden omaavaa gammasäteilyä, johon vaikuttaa rauta-atomin hapetusaste, elektronikonfiguraatio ja kemiallinen ympäristö, ja jota voidaan siten käyttää sen kemiallisen käyttäytymisen luotaimena. Rauta-57:n merkittävää Mössbauer-ilmiötä on käytetty magnetismin ja hemoglobiinijohdannaisten tutkimiseen sekä erittäin tarkan ydinkellon valmistamiseen.