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.)
| 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.
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.