Żelazo

Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa firmus, które oznacza coś silnego. Nazwa polska wywodzi się z sanskrytu - galga - nazwa rud i metali.

 Srebrzystobiałe żelazo jest bezwzględnie najważniejszym pierwiastkiem metalicznym cywilizacji.
Znane było już w czasach prehistorycznych. Najwcześniejsze ślady wykorzystywania żelaza, datowane na 4000 r. p.n.e., znaleziono w Egipcie.
Jest względnie miękkim, ciągliwym i kowalnym metalem przejściowym. Występuje w trzech odmianach alotropowych. Jest dość reaktywne, ale różnie reaguje z różnym pierwiastkami (z większością z nich dopiero po podgrzaniu). W zależności od temperatury i stężenia substratów tworzą się różne produkty.
Lite żelazo, w temperaturach pokojowych, nie ulega reakcji w suchym powietrzu oraz w wolnej od dwutlenku węgla i powietrza wodzie. Z tlenem utlenia się w suchym powietrzu w temp. 150°C. W temperaturze poniżej 200°C reaguje tylko z fluorowcami. Suchy chlor nie reaguje z żelazem, dlatego też metal ten służy do jego transportu. W wysokich temperaturach pierwiastek ten absorbuje wodór i azot. Ruguje inne, szlachetniejsze metale i wodór z ich roztworów. Para wodna rozkłada się na tlenek żelaza (Fe3O4) i wodór w temperaturze 500°C. Metal ten pokrywa się (jak wiele innych metali) chroniącą warstewką tlenków (pasywacja). Rozpuszcza się w kwasach rozcieńczonych.
Ważną cechą żelaza jest proces rdzewienia. Polega ono na tworzeniu w wilgotnym powietrzu uwodnionego tlenku żelaza (II) (FeO(OH)). Aby zaszła ta reakcja musi być dostarczony tlen, woda i elektrolit. W wodzie, która nie zawiera powietrza żelazo nie rdzewieje. Proces ten znacznie przyspiesza, zwłaszcza na terenach przemysłowych, obecność w powietrzu dwutlenku siarki (SO2), a co za tym idzie kwasów siarkowych. Zapobiec rdzewieniu można poprzez pokrywanie farbą, pokrywanie mniej szlachetnymi metalami (cynkowanie), które będąc anodą same korodują, stosowanie inhibitorów (fosforany żelaza) czy emaliowanie. Żelazo jest ferromagnetykiem o temperaturze Curie około 800°C.
Główne stopnie utlenienia to +2 i +3.

Występowanie: Zawartość w skorupie ziemskiej żelaza wynosi 5,6% wagowych i zajmuje ono czwarte miejsce pod względem występowania wśród wszystkich pierwiastków, a drugie po glinie wśród metali. Jest także najbardziej rozpowszechnionym metalem ciężkim. W stanie wolnym występuje na Ziemi bardzo rzadko (północna Grenlandia). Jest częstym składnikiem meteorów. Tworzy wiele rud, z których najważniejsze to tlenki (magnetyt) i węglany. Występują one w mniejszym lub większym stopniu na całej planecie. Żelazo jest także ważnym składnikiem tkanek organizmów.

Otrzymywanie: Metal ten otrzymuje się w wyniku tzw. procesu wielkopiecowego, w którym tlenek żelaza redukuje się koksem. Węgiel jest jednocześnie paliwem, reduktorem oraz wchodzi w skład otrzymywanej surówki zmieniając jej właściwości. Czyste żelazo otrzymuje się dzięki redukcji tlenku żelaza wodorem lub dzięki elektrolizie czystych roztworów chlorku żelaza (II) (FeCl2).

Wykorzystanie: Czyste żelazo ma niewielkie zastosowanie. Używa się go głównie jako rdzeni elektromagnesów (pętla histerezy jest węższa im żelazo jest czystsze).
Dopiero po dodaniu węgla i innych pierwiastków (mangan, krzem fosfor, siarka, nikiel, wanad i inne), w znacznym stopniu zmieniają się właściwości stopu. Nikiel daje stali ciągliwość i mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, molibden wytrzymałość na zerwanie, mangan - twardość, chrom i wolfram - wielką twardość nawet w dużych temperaturach, wanad nierdzewność, a stal z krzemem wykazuje się dużą kwasoodpornością.
W organizmach zwierzęcych żelazo pełni bardzo ważną rolę w transporcie gazów. Będąc składnikiem hemoglobiny służy do wiązania tlenu i transportuje go we krwi. Brak żelaza powoduje ogólne osłabienie organizmu człowieka i chorobę zwaną anemią. U roślin pierwiastek ten pełni ważną rolę transportując tlen w procesie fotosyntezy.
Związki żelaza występują bardzo szeroko, często mają one ciekawe barwy. Pierwiastek ten występuje w wielu stopniach utlenienia (od -2 do +6), najczęściej spotykane są stopnie +2 i +3.
Tlenek żelaza (III) (Fe2O3) wykorzystywany jest m.in. do polerowania, jako czerwony pigment (czerwień wenecka) i jako substancja magnetyczna w taśmach i dyskach magnetycznych. Czarny, ferromagnetyczny, przewodzący prąd magnetyt (Fe3O4) jest mieszaniną tlenków żelaza (II) i żelaza (III). Siarczek żelaza (II) służy do produkcji siarkowodoru. Jony żelaza tworzą kompleksy z cyjankami, które używane są jako niebieskie pigmenty (błękit pruski i błękit Turnbulla).

Konfiguracja elektronowa Ar 3d64s2
Masa atomowa 55,847
Gęstość [kg/m3] 7874 (293K)
Główny stopień utlenienia +2; +3 (-2; -1; 0; +1; +4: +5; +6)
Izotopy: masa - zawartość - okres półrozpadu
52Fe
54Fe
55Fe
56Fe
57Fe
58Fe
59Fe
60Fe
0% - 8,2 godz.
53,940 - 5,82% - stabilny
54,938 - 0% - 2,6 lat
55,935 - 91,18% - stabilny
56,935 - 2,1% - stabilny
57,933 - 0,28% - stabilny
58,935 - 0% - 45,1 dni
0% - 3×105 lat
Temperatura topnienia 1808K
Temperatura wrzenia 3135K
Promień atomowy [pm] 124,1
Powinowactwo elektronowe [kJ×mol-1] 15,7
Energia jonizacji [kJ×mol-1] 759,3 Fe -> Fe+
1561 Fe+ -> Fe2+
2957 Fe2+ -> Fe3+
Elektroujemność  1,83 (Pauling); 4,06 eV (absolutna)

Poprzednia Pierwiastki Następna