Žehlička | ||||
---|---|---|---|---|
← Mangan | Kobalt → | ||||
| ||||
Vzhled jednoduché látky | ||||
Ultra čisté železo | ||||
Vlastnosti atomu | ||||
Jméno, symbol, číslo | Železo / Ferrum (Fe), 26 | |||
Skupina , období , blok |
8 (zastaralé 8), 4, d-prvek |
|||
atomová hmotnost ( molární hmotnost ) |
55,845(2) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Elektronická konfigurace |
[ Ar ] 3d 6 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 |
|||
Poloměr atomu | 126 hodin | |||
Chemické vlastnosti | ||||
kovalentní poloměr | 117 hodin | |||
Poloměr iontů | (+3e) 64 (+2e) 74 hodin | |||
Elektronegativita | 1,83 (Paulingova stupnice) | |||
Elektrodový potenciál |
Fe←Fe 3+ -0,04 V Fe←Fe 2+ -0,44 V |
|||
Oxidační stavy | -2; -jeden; 0; +1; +2; +3; +4; +5; +6 | |||
Ionizační energie (první elektron) |
759,1 (7,87) kJ / mol ( eV ) | |||
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky | ||||
Hustota (v n.a. ) | 7,874 g/cm³ | |||
Teplota tání | 1812 K (1538,85 °C) | |||
Teplota varu | 3134K (2861°C) | |||
Oud. teplo tání | 247,1 kJ/kg 13,8 kJ/mol | |||
Oud. výparné teplo | ~6088 kJ/kg ~340 kJ/mol | |||
Molární tepelná kapacita | 25,14 [2] J/(K mol) | |||
Molární objem | 7,1 cm³ / mol | |||
Krystalová mřížka jednoduché látky | ||||
Příhradová konstrukce | Krychlové tělo centrované | |||
Parametry mřížky | 2,866 Å _ | |||
Debyeho teplota | 460 tisíc _ | |||
Další vlastnosti | ||||
Tepelná vodivost | (300 K) 80,4 W/(m K) | |||
Číslo CAS | 7439-89-6 | |||
Emisní spektrum | ||||
26 | Žehlička |
Fe55,845 | |
3d 6 4s 2 |
Železo ( chemická značka - Fe , z lat. Ferrum ) je chemický prvek 8. skupiny (podle zastaralé klasifikace - vedlejší podskupina osmé skupiny, VIIIB) čtvrté periody periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejev s atomovým číslem 26.
Jednoduchá látka železo je kujný , stříbrno-bílý přechodový kov s vysokou chemickou reaktivitou: železo rychle koroduje na vzduchu při vysokých teplotách nebo vysoké vlhkosti . V čistém kyslíku železo hoří a v jemně rozptýleném stavu se na vzduchu samovolně vznítí.
Jeden z nejběžnějších kovů v zemské kůře: druhý po hliníku .
Ve skutečnosti se železu obvykle říká jeho slitiny s nízkým obsahem nečistot (do 0,8 %), které si zachovávají měkkost a tažnost čistého kovu. V praxi se však častěji používají slitiny železa s uhlíkem : ocel (do 2,14 hm. % uhlíku) a litina (více než 2,14 hm. % uhlíku ), stejně jako nerezová (legovaná) ocel s přídavkem legování. kovy ( chróm , mangan , nikl atd.). Kombinace specifických vlastností železa a jeho slitin z něj činí „kov č. 1“ v důležitosti pro člověka.
V přírodě se železo vyskytuje jen zřídka v čisté formě, nejčastěji ve složení železo-niklových meteoritů. Zastoupení železa v zemské kůře je 4,65 % (4. místo po O , Si , Al [3] ). Také se věří, že železo tvoří většinu zemského jádra .
Železo jako nástrojový materiál je známé již od starověku. Nejstarší železné výrobky nalezené při archeologických vykopávkách pocházejí ze 4. tisíciletí před naším letopočtem. E. a patří ke starověké sumerské a staroegyptské civilizaci. Ty jsou vyrobeny z meteorického železa, tedy slitiny železa a niklu (obsah niklu se pohybuje od 5 do 30 %), šperky z egyptských hrobek (asi 3800 př. n. l.) [4] [5] a dýka z r. Sumerské město Ur (kolem 3100 př. Kr.). [6]
První, kdo zvládl metodu tavení železa , byli Hattové . Nasvědčuje tomu nejstarší (2. tisíciletí př. n. l.) zmínka o železe v textech Chetitů , kteří založili svou říši na území Hatťanů (dnešní Anatolie v Turecku) [7] .
Ve starověku byli Khalibové [8] považováni za mistry železných výrobků .
V nejhlubším starověku bylo železo ceněno více než zlato a podle popisu Strabóna dávaly africké kmeny za 1 libru železa 10 liber zlata a podle studií historika G. Areshyana cenu mědi , stříbro , zlato a železo u starých Chetitů bylo v poměru 1 : 160 : 1280 : 6400. [9] V té době se železo používalo jako šperkařský kov, vyráběly se z něj trůny a další klenoty královské moci: např. , v biblické knize Deuteronomium je popsáno „železné lože“ refejského krále Oga [10] .
Podle Homérových popisů se sice během trojské války (asi 1250 př. n. l.) zbraně vyráběly převážně z mědi a bronzu, ale železo bylo již známé a velmi žádané, i když spíše jako drahý kov [11] .
Biblická kniha Jozue 17:16 (srov. Soudců 14:4) popisuje, že Filištíni (bibličtí „PILISTIM“, a to byly protořecké kmeny příbuzné pozdějším Helénům, hlavně Pelasgové ) měli mnoho železných vozů, tj. v té době se již železo ve velkém množství začalo používat.
Později se naučil[ kdo? ] vyrábět účinnější pece (v ruštině - vysoká pec , domnitsa) na výrobu oceli a kožešiny byly používány k přívodu vzduchu do pece. Již Římané věděli, jak přivést teplotu v peci k tavení oceli (asi 1400 °C a čisté železo se taví při 1535 °C). V tomto případě se tvoří litina s teplotou tání 1100-1200 °C, která je v pevném stavu velmi křehká (není vhodná ani ke kování) a nemá pružnost oceli. [12] Zpočátku se o něm uvažovalo[ kdo? ] škodlivý vedlejší produkt ( angl. surové železo , v ruštině surové železo, ingoty, odkud ve skutečnosti pochází slovo surové železo), ale pak se zjistilo[ kým? ] že při přetavení v peci se zvýšeným prouděním vzduchu se litina změní na kvalitní ocel, protože přebytečný uhlík vyhoří. Takový dvoustupňový proces výroby oceli z litiny se ukázal být jednodušší a výnosnější než bloomery a tento princip se beze změn používá po mnoho staletí a dodnes zůstává hlavní metodou výroby železa. materiály [13] .
praslovanské *želězo ( běloruské zhaleza , ukrajinské zalіzo , staroslověnské zhelѣzo , bulharské zhelyazo , srbochorvské zhežezo , polské želazo , česky železo , slovinské železo ) má jasné paralely v pobaltských jazycích ( lit. geležis , lotyšština ) dzel . Slovo je příbuzné slovům „ železo “ a „ uzlík “; a má význam „zakulacený kámen, peleta, blamba“ [14] .
Existuje několik verzí další etymologie tohoto balto-slovanského slova.
Jeden z nich spojuje praslav. *želězo s řeckým slovem χαλκός , což znamenalo železo a měď, podle jiné verze souvisí *želězo se slovy *žely " želva " a *glazъ "skála", s obecným semémem " kámen " [15] [16] . Třetí verze naznačuje prastarou výpůjčku z neznámého jazyka [17] .
Románské jazyky ( italština ferro , francouzština fer , španělština hierro , port ferro , rum fier ) pokračují lat. ferrum . Latinské ferrum (< *ferzom ) mohlo být vypůjčeno z nějakého orientálního jazyka, nejspíše fénického. St hebrejština barzel , sumerský. barzal , asyrský parzilla [18] . Proto pravděpodobně baskická burdina .
Germánské jazyky si vypůjčily název železa ( gótský eisarn , anglicky iron , německy Eisen , holandsky ijzer , dánsky jern , švédsky järn ) z keltštiny [19] .
Pro-keltské slovo *isarno- (> OE iarn, OE Bret. hoiarn) pravděpodobně pochází z Proto-IE. *h 1 esh 2 r-no- "krvavý" se sémantickým vývojem "krvavý" > "červený" > "železný". Podle jiné hypotézy se toto slovo vrací k pra-tj. *(H)ish 2 ro- „silný, svatý, mající nadpřirozenou moc“ [20] .
Starořecké slovo σίδηρος mohlo být vypůjčeno ze stejného zdroje jako slovanská, germánská a baltská slova pro stříbro [21] .
Název přírodního uhličitanu železa (sideritu) pochází z lat. sidereus — hvězdný; skutečně první železo, které se dostalo do rukou lidí, bylo meteorického původu. Snad tato náhoda není náhodná. Zejména starověké řecké slovo sideros (σίδηρος) pro železo a latinské sidus , což znamená „hvězda“, mají pravděpodobně společný původ.
Přírodní železo se skládá ze čtyř stabilních izotopů : 54 Fe ( zastoupení izotopů 5,845 %), 56 Fe (91,754 %), 57 Fe (2,119 %) a 58 Fe (0,282 %). Je také známo více než 20 nestabilních izotopů železa s hmotnostními čísly od 45 do 72, z nichž nejstabilnější jsou 60 Fe ( poločas rozpadu je podle údajů aktualizovaných v roce 2009 2,6 milionu let [22] ), 55 Fe ( 2,737 let), 59 Fe (44,495 dnů) a 52 Fe (8,275 hodin); zbývající izotopy mají poločas rozpadu méně než 10 minut [23] .
Izotop železa 56 Fe patří mezi nejstabilnější jádra: všechny následující prvky mohou zvýšit vazebnou energii na nukleon rozpadem a všechny předchozí prvky by v zásadě mohly zvýšit vazebnou energii na nukleon v důsledku fúze. Předpokládá se, že řada syntéz prvků v jádrech normálních hvězd končí železem (viz Železná hvězda ) a všechny následující prvky mohou vzniknout pouze v důsledku výbuchů supernov [24] .
Železo je jedním z nejběžnějších prvků ve sluneční soustavě, zejména na pozemských planetách, zejména na Zemi. Významná část železa terestrických planet se nachází v jádrech planet, kde se jeho obsah odhaduje na cca 90 %. Obsah železa v zemské kůře je 5 %, v plášti asi 12 %. Z kovů je železo na druhém místě za hliníkem , pokud jde o hojnost v kůře . Přitom asi 86 % veškerého železa je v jádru a 14 % v plášti. Obsah železa výrazně stoupá v mafických vyvřelinách, kde je spojen s pyroxenem , amfibolem , olivínem a biotitem . V průmyslových koncentracích se železo hromadí během téměř všech exogenních a endogenních procesů probíhajících v zemské kůře. Mořská voda obsahuje železo ve velmi malých množstvích 0,002–0,02 mg/l. V říční vodě je jeho koncentrace mnohem vyšší - 2 mg / l.
Nejdůležitější geochemickou vlastností železa je, že má několik oxidačních stavů. Železo v neutrální formě - kovové - tvoří jádro Země, možná přítomné v plášti a velmi vzácně se vyskytující v zemské kůře. Železné železo FeO je hlavní formou železa v plášti a zemské kůře. Oxid železa Fe 2 O 3 je charakteristický pro nejsvrchnější, nejvíce oxidované části zemské kůry, zejména sedimentární horniny .
Z hlediska krystalochemických vlastností se iont Fe 2+ blíží iontům Mg 2+ a Ca 2+ , dalším hlavním prvkům, které tvoří významnou část všech suchozemských hornin. Železo díky své krystalické podobnosti nahrazuje v mnoha silikátech hořčík a částečně vápník. Obsah železa v minerálech různého složení se obvykle zvyšuje s klesající teplotou.
V zemské kůře je železo široce rozšířeno - tvoří asi 4,1 % hmotnosti zemské kůry (4. místo mezi všemi prvky, 2. mezi kovy). V plášti a zemské kůře je železo koncentrováno především v silikátech, přičemž jeho obsah je významný v bazických a ultrabazických horninách a nízký v kyselých a intermediárních horninách .
Je známo velké množství rud a minerálů obsahujících železo. Největší praktický význam mají červené železné rudy ( hematit , Fe 2 O 3 ; obsahuje až 70 % Fe), magnetické železné rudy ( magnetit , FeO Fe 2 O 3 nebo Fe 3 O 4 ; obsahuje 72,4 % Fe), hnědé železo ruda nebo limonit ( goethit a hydrogoethit, FeOOH a FeOOH nH20 , v tomto pořadí). Goethit a hydrogoethit se nejčastěji vyskytují ve zvětrávajících krustách , které tvoří tzv. „železné klobouky“, jejichž tloušťka dosahuje několik set metrů. Mohou být i sedimentárního původu, vypadávají z koloidních roztoků v jezerech nebo pobřežních oblastech moří. V tomto případě vznikají oolitické , neboli luštěniny, železné rudy. Často se v nich vyskytuje vivianit Fe 3 (PO 4 ) 2 8H 2 O , tvořící černé protáhlé krystaly a radiálně zářivé agregáty .
V přírodě jsou rozšířeny i sulfidy železa - pyrit FeS 2 (pyrit sírový nebo železitý) a pyrhotit . Nejsou to železné rudy - pyrit se používá k výrobě kyseliny sírové a pyrhotit často obsahuje nikl a kobalt.
Rusko je na prvním místě na světě, pokud jde o zásoby železné rudy .
Obsah železa v mořské vodě je 1⋅10 −5 -1⋅10 −8 %.
Další běžné minerály železa [25] :
Kromě výše popsaných minerálů železa existují například:
|
|
|
Podle US Geological Survey (odhad 2011) jsou prokázané světové zásoby železné rudy asi 178 miliard tun [26] . Hlavní ložiska železa jsou v Brazílii (1. místo), Austrálii, USA, Kanadě, Švédsku, Německu, Venezuele, Libérii, Ukrajině, Polsku, Jižní Africe, Japonsku, Číně, Bulharsku, Mongolsku, Francii, Indii.
V roce 2019 bylo vytěženo 2,896 miliardy tun železné rudy v celkové hodnotě přibližně 366 miliard amerických dolarů [27] . Cena železné rudy je 126,35 $/tunu [28] .
Železo je typický kov , ve volném stavu je stříbřitě bílé barvy s šedavým nádechem. Čistý kov je tažný , různé nečistoty (zejména uhlík ) zvyšují jeho tvrdost a křehkost . Má výrazné magnetické vlastnosti. Často se rozlišuje tzv. „ železná triáda “ - skupina tří kovů (železo Fe, kobalt Co, nikl Ni), které mají podobné fyzikální vlastnosti , atomové poloměry a hodnoty elektronegativity .
Železo se vyznačuje polymorfismem , má čtyři krystalické modifikace:
Věda o kovech nevyčleňuje β-Fe jako samostatnou fázi [29] a považuje jej za druh α-Fe. Když se železo nebo ocel zahřeje nad Curieovým bodem (769 °C ≈ 1043 K ), tepelný pohyb iontů naruší orientaci spinových magnetických momentů elektronů , z feromagnetu se stane paramagnet – dojde k fázovému přechodu druhého řádu , ale při změně základních fyzikálních parametrů krystalů nedochází k fázovému přechodu prvního řádu.
Pro čisté železo za normálního tlaku existují z hlediska metalurgie následující stabilní modifikace:
Přítomnost uhlíku a legujících prvků v oceli výrazně mění teploty fázových přechodů (viz fázový diagram železo-uhlík ). Pevný roztok uhlíku v α- a δ-železe se nazývá ferit . Někdy se rozlišuje mezi vysokoteplotním δ-feritem a nízkoteplotním α-feritem (nebo jednoduše feritem), ačkoli jejich atomové struktury jsou stejné. Pevný roztok uhlíku v γ-železe se nazývá austenit .
Pro metalurgii oceli je mimořádně důležitý fenomén polymorfismu. Právě díky α-γ přechodům krystalové mřížky dochází k tepelnému zpracování oceli . Bez tohoto jevu by železo jako základ oceli nebylo tak rozšířeno.
Železo patří mezi středně žáruvzdorné kovy . V sérii standardních elektrodových potenciálů stojí železo před vodíkem a snadno reaguje se zředěnými kyselinami. Železo tedy patří ke kovům střední aktivity.
Teplota tání železa je 1539 °C, bod varu 2862 °C.
Oxidační stav | Kysličník | Hydroxid | Charakter | Poznámky |
---|---|---|---|---|
+2 | FeO | Fe(OH) 2 | Slabě základní | Slabé redukční činidlo |
+3 | Fe2O3 _ _ _ | Fe(OH) 3 | Velmi slabá báze, místy amfoterní | Slabé okysličovadlo |
+6 | Neobdržel | <H 2 FeO 4 > * | Kyselina | Silné oxidační činidlo |
* Kyselina neexistuje ve volné formě – byly získány pouze její soli.
Chemická aktivita železa závisí na stupni jeho čistoty, disperze , přítomnosti vlhkosti a kyslíku.
Pro železo jsou nejcharakterističtější oxidační stavy +2 a +3.
Oxidační stav +2 odpovídá černému oxidu FeO a zelenému hydroxidu Fe(OH) 2 . Jsou základní. V solích je Fe(+2) přítomen jako kation. Fe(+2) je slabé redukční činidlo.
Oxidační stavy +3 odpovídají červenohnědému oxidu Fe 2 O 3 a hnědému hydroxidu Fe(OH) 3 . Jsou amfoterní povahy, i když jejich kyselé a zásadité vlastnosti jsou slabě vyjádřeny. Ionty Fe 3+ jsou tedy zcela hydrolyzovány i v kyselém prostředí. Fe (OH) 3 se rozpouští (a i když ne úplně), pouze v koncentrovaných alkáliích. Fe 2 O 3 reaguje s alkáliemi pouze při roztavení za vzniku feritů (formální soli kyseliny HFeO 2 , která neexistuje ve volné formě ):
Železo (+3) vykazuje nejčastěji slabé oxidační vlastnosti.
Oxidační stavy +2 a +3 se při změně redoxních potenciálů snadno navzájem mění.
Kromě toho je zde oxid Fe 3 O 4 , formální oxidační stav železa ve kterém je +8/3. Tento oxid však lze také považovat za železitý ferit Fe +2 (Fe +3 O 2 ) 2 .
Existuje také oxidační stav +6. Odpovídající oxid a hydroxid neexistují ve volné formě, ale byly získány soli - železitany (například K 2 FeO 4 ). Železo (+6) je v nich ve formě aniontu. Ferráty jsou silná oxidační činidla.
Známé jsou také oxidační stavy: −2 ( tetrakarbonylželezitan sodný ), −1, 0 ( pentakarbonyl železa ), +1, +4, +5.
Při skladování na vzduchu při teplotách do 200 °C je železo postupně pokryto hustým oxidovým filmem , který zabraňuje další oxidaci kovu. Ve vlhkém vzduchu je železo pokryto volnou vrstvou rzi , která nebrání přístupu kyslíku a vlhkosti ke kovu a jeho destrukci. Rez nemá konstantní chemické složení, přibližně její chemický vzorec lze zapsat jako Fe 2 O 3 xH 2 O.
Reaguje s kyselinami .
Za zvýšeného tlaku kovové železo reaguje s oxidem uhelnatým (II) CO a za normálních podmínek se tvoří snadno těkavý pentakarbonyl železa Fe (CO) 5 . Karbonyly železa o složení Fe2 ( CO) 9 a Fe3 (CO) 12 jsou také známé . Karbonyly železa slouží jako výchozí materiály při syntéze organických sloučenin železa, včetně ferocenu o složení (η 5 -C 5 H 5 ) 2 Fe.
Čisté kovové železo je stabilní ve vodě a ve zředěných alkalických roztocích . Železo se nerozpouští ve studené koncentrované kyselině sírové a dusičné díky pasivaci kovového povrchu silným oxidovým filmem. Horká koncentrovaná kyselina sírová, která je silnějším oxidačním činidlem, interaguje se železem.
Oxid železitý (II) FeO má zásadité vlastnosti, odpovídá zásadě Fe (OH) 2 . Soli železa (II) mají světle zelenou barvu. Skladováním, zejména na vlhkém vzduchu, hnědnou oxidací na železo (III). Ke stejnému procesu dochází při skladování vodných roztoků solí železa (II):
Ze solí železa (II) ve vodných roztocích je stabilní Mohrova sůl - podvojný síran amonný a železo (II) (NH 4 ) 2 Fe (SO 4 ) 2 6H 2 O.
Hexakyanoželezitan draselný (III) K 3 [Fe(CN) 6 ] (červená krevní sůl) může sloužit jako činidlo pro ionty Fe 2+ v roztoku. Když ionty Fe 2+ a [Fe(CN) 6 ] 3- interagují , vysráží se hexakyanoželeznatan draselný (II) hexakyanoželezitan (III) (Turnbullova modř):
,který se intramolekulárně přeskupuje na hexakyanoželeznatan draselný (III) ( pruská modř ):
Pro kvantitativní stanovení železa (II) v roztoku se používá fenanthrolin Phen, který tvoří červený komplex FePhen 3 s železem (II) (maximální absorpce světla je 520 nm) v širokém rozmezí pH (4-9) [35] .
Oxid železitý (III) Fe 2 O 3 je slabě amfoterní , odpovídá ještě slabší než Fe (OH) 2 , Fe (OH) 3 zásadě , která reaguje s kyselinami:
Soli Fe3 + mají tendenci tvořit krystalické hydráty. V nich je iont Fe 3+ obvykle obklopen šesti molekulami vody. Tyto soli mají růžovou nebo fialovou barvu.
Iont Fe 3+ je zcela hydrolyzován i v kyselém prostředí. Při pH>4 se tento iont téměř úplně vysráží jako Fe(OH) 3 [36] :
Při částečné hydrolýze iontu Fe 3+ se tvoří vícejaderné oxo- a hydroxokationty, díky nimž roztoky hnědnou.
Kyselé vlastnosti hydroxidu železitého Fe (OH) 3 jsou vyjádřeny velmi slabě. Je schopen reagovat pouze s koncentrovanými alkalickými roztoky:
Výsledné železité hydroxokomplexy jsou stabilní pouze v silně alkalických roztocích. Když se roztoky zředí vodou, jsou zničeny a Fe (OH) 3 se vysráží .
Při tavení s alkáliemi a oxidy jiných kovů tvoří Fe 2 O 3 různé ferity :
Sloučeniny železa (III) v roztocích jsou redukovány kovovým železem:
Železo (III) je schopno tvořit podvojné sírany s jednou nabitými kationty kamencového typu , např. KFe (SO 4 ) 2 - draselný železnatý alum, (NH 4 ) Fe (SO 4 ) 2 - železo amonný alum atd.
Pro kvalitativní detekci sloučenin trojmocného železa v roztoku se využívá kvalitativní reakce iontů Fe 3+ s anorganickými thiokyanáty SCN − . V tomto případě vzniká směs jasně červených komplexů thiokyanatanu železa [Fe(SCN)] 2+ , [Fe(SCN) 2 ] + , Fe(SCN) 3 , [Fe(SCN) 4 ] − [37] . Složení směsi (a tím i intenzita její barvy) závisí na různých faktorech, proto tato metoda není použitelná pro přesné kvalitativní stanovení železa.
Dalším vysoce kvalitním činidlem pro Fe 3+ ionty je hexakyanoželezitan draselný (II) K 4 [Fe (CN) 6 ] (žlutá krevní sůl). Při interakci iontů Fe 3+ a [Fe(CN) 6 ] 4− se vysráží jasně modrá sraženina hexakyanoželezitanu draselného a železitého (II) (pruská modř):
Kvantitativně jsou ionty Fe 3+ určeny tvorbou červených (v mírně kyselém prostředí) nebo žlutých (v mírně alkalickém prostředí) komplexů s kyselinou sulfosalicylovou . Tato reakce vyžaduje kompetentní výběr pufrů, protože některé anionty (zejména acetát) tvoří smíšené komplexy se železem a kyselinou sulfosalicylovou s vlastními optickými charakteristikami.
Ferráty jsou soli kyseliny železité H 2 FeO 4 , která neexistuje ve volné formě . Jsou to fialově zbarvené sloučeniny, které oxidačními vlastnostmi připomínají manganistan a rozpustností sírany. Ferráty se získávají působením plynného chloru nebo ozonu na suspenzi Fe (OH) 3 v alkálii [38] :
Ferráty lze také získat elektrolýzou 30% alkalického roztoku na železné anodě:
Ferráty jsou silná oxidační činidla. V kyselém prostředí se rozkládají za uvolňování kyslíku [39] :
Oxidačních vlastností ferratů se využívá k dezinfekci vody .
Oxidační stav VII v aniontu [FeO 4 ] − [40] je znám .
Existují zprávy o elektrochemické přípravě sloučenin železa (VIII) [41] [42] [43] , avšak neexistují žádné nezávislé práce potvrzující tyto výsledky.
V průmyslu se železo získává ze železné rudy , především z hematitu (Fe 2 O 3 ) a magnetitu (FeO·Fe 2 O 3 ).
Existují různé způsoby, jak získat železo z rud. Nejběžnější je doménový proces.
První fází výroby je redukce železa uhlíkem ve vysoké peci při teplotě 2000 ° C. Ve vysoké peci jsou uhlík ve formě koksu , železná ruda ve formě aglomerátu nebo pelet a tavidlo (jako je vápenec ) přiváděny shora a jsou potkávány proudem vháněného horkého vzduchu zespodu.
V peci se uhlík ve formě koksu oxiduje na oxid uhelnatý . Tento oxid vzniká při spalování při nedostatku kyslíku :
Oxid uhelnatý zase získává železo z rudy. Aby tato reakce probíhala rychleji, zahřátý oxid uhelnatý prochází oxidem železitým :
Tavidlo se přidává, aby se zbavilo nežádoucích nečistot (především silikátů ; jako je křemen ) v těžené rudě. Typické tavidlo obsahuje vápenec ( uhličitan vápenatý ) a dolomit ( uhličitan hořečnatý ). K odstranění jiných nečistot se používají jiná tavidla.
Účinek tavidla (v tomto případě uhličitanu vápenatého ) je takový, že se při zahřívání rozkládá na svůj oxid :
Oxid vápenatý se slučuje s oxidem křemičitým za vzniku strusky - metakřemičitanu vápenatého :
Struska se na rozdíl od oxidu křemičitého taví v peci. Lehčí než železo, struska plave na povrchu - tato vlastnost umožňuje oddělit strusku od kovu. Struska pak může být použita ve stavebnictví a zemědělství. Tavenina železa vyrobená ve vysoké peci obsahuje poměrně hodně uhlíku ( litiny ). S výjimkou takových případů, kdy se litina používá přímo, vyžaduje další zpracování.
Přebytečný uhlík a další nečistoty ( síra , fosfor ) jsou z litiny odstraněny oxidací v pecích s otevřeným ohništěm nebo konvertorech. Elektrické pece se také používají pro tavení legovaných ocelí.
Kromě vysokopecního procesu je běžný proces přímé výroby železa. V tomto případě se předem rozdrcená ruda smíchá se speciální hlínou za vzniku pelet. Pelety se praží a zpracovávají v šachtové peci horkými produkty konverze metanu , které obsahují vodík . Vodík snadno redukuje železo:
,nekontaminuje železo nečistotami, jako je síra a fosfor, což jsou běžné nečistoty v uhlí . Železo se získává v pevné formě a poté se taví v elektrických pecích.
Chemicky čisté železo se získává elektrolýzou roztoků jeho solí .
Železo je jedním z nejpoužívanějších kovů , tvoří až 95 % světové hutní produkce.
V živých organismech je železo nezbytným stopovým prvkem , který katalyzuje procesy výměny kyslíku (dýchání). Hlavním intracelulárním depotem železa je globulární proteinový komplex - feritin . Nedostatek železa se projevuje jako onemocnění těla: chloróza u rostlin a chudokrevnost u zvířat.
Normálně železo vstupuje do enzymů jako komplex zvaný hem . Tento komplex je přítomen zejména v hemoglobinu , nejdůležitější bílkovině, která zajišťuje transport kyslíku krví do všech orgánů lidí a zvířat. Je to on, kdo barví krvavě červenou.
Jiné komplexy železa než hem se nacházejí například v enzymu methanmonooxygenase, který oxiduje metan na methanol , v důležitém enzymu ribonukleotidreduktáze, který se podílí na syntéze DNA . Anorganické sloučeniny železa se nacházejí v některých bakteriích a někdy je používají k vázání atmosférického dusíku .
Tělo dospělého člověka obsahuje asi 3-4 gramy železa [45] (asi 0,005 %), z toho jen asi 3,5 mg je v krevní plazmě. Hemoglobin obsahuje přibližně 68 % celkového železa v těle, feritin – 27 %, myoglobin – 4 %, transferin – 0,1 %. Zdrojem železa v biosyntéze proteinů obsahujících železo je železo z potravy a železo uvolňované při neustálém rozpadu erytrocytů v hepatocytech (jaterních buňkách) a slezinných buňkách [46] .
Denní potřeba železa u člověka je podle ruských údajů následující [47] : děti - od 4 do 18 mg, dospělí muži - 10 mg, dospělé ženy - 18 mg, těhotné ženy v druhé polovině těhotenství - 33 mg .
U žen ve fertilním věku je potřeba železa vyšší kvůli pravidelným ztrátám krve během menstruace [48] [49] .
Národní akademie medicíny rozlišuje mezi průměrnou potřebou železa a doporučeným příjmem železa, přičemž ten druhý je navržen tak, aby zajistil průměrnou potřebu pro alespoň 97 % každé populace. Výpočet průměrné potřeby železa závisí na vstřebávání železa, níže uvedená tabulka vychází z předpokladu 10 % železa z živočišných produktů (průměrná vstřebatelnost 25 %) a 90 % železa z rostlinné potravy (průměrná vstřebatelnost 16,8 %), pro celková absorpce 18 %. Vzhledem k tomu, že strava dětí do jednoho roku je velmi odlišná od stravy dospělých, norma pro ně je založena na odhadované stravitelnosti 10 % [50] .
Podlaha | Stáří | Doporučená denní dávka železa ( National Academy of Medicine ) [50 ] , mg / den |
---|---|---|
miminka | až 6 měsíců | 0,27 |
miminka | 7-12 měsíců | jedenáct |
Děti | 1-3 roky | 7 |
Děti | 4-8 let | deset |
teenageři | 9-13 let | osm |
Mládež | 14-18 let | jedenáct |
dívky | 14-18 let | patnáct |
Muži | 19 let a starší | osm |
Ženy | 19-50 let | osmnáct |
Ženy | 50 let a více | osm |
Železo se do těla zvířat a lidí dostává s potravou. Nejbohatší jsou na ně játra a maso , v menší míře vejce , luštěniny ( čočka , fazole ), dýňová a sezamová semínka , celozrnné obiloviny ( pohanka ), dále některé druhy zeleniny - tymián , petržel , hlávkový salát [51] . Seznam potravin obsahujících železo byl dlouhou dobu v čele špenát , chybně zadaný kvůli překlepu ve výsledcích analýzy (nula za ztrátou desetinné čárky).
Železo ve stravě se dělí na hem , neboli drahokam (z masa a jiných živočišných zdrojů) a nehemové (z rostlinné stravy). V proteinech obsahujících hem se železo nachází v hemu . V proteinech neobsahujících hemové železo se železo váže přímo na protein. Mezi tyto proteiny patří transferin , feritin , oxidační enzymy ribonukleotidreduktáza a xantinoxidáza , flavoproteiny železa NADH dehydrogenáza a sukcinátdehydrogenáza [46] . Popsané proteiny obsahující nehemové železo patří do třídy ferredoxinů , z nichž nejvíce prozkoumané se nacházejí v chloroplastech zelených rostlin a oxidují se při přenosu elektronů při fotosyntéze, stejně jako bakteriální ferredoxiny (například anaerobní bakterie Clostridium pasteurianum ) podílející se na aerobním nebo anaerobním přenosu elektronů. Lidský ferredoxin-1 se podílí na hydroxylaci a odbourávání steroidních hormonů a cholesterolu v systému mikrozomálních (endoplazmatické retikulum hepatocytů) enzymů cytochromu P450 a také na syntéze hormonů štítné žlázy. Jádro ferredoxinu se skládá z molekul dvoj- nebo čtyřmocné síry a čtyřmocného železa a má obecný vzorec ve formě (např . ), je spojeno s proteinovými páteřemi přes aminokyselinu cystein [52] [53] . železo je absorbováno nejúčinněji (od 15 do 35 %). Vstřebávání nehemového železa ovlivňuje řada faktorů (i v živočišné potravě je to asi 60 % [54] ) [55] . Kyselina askorbová nebo masová bílkovina konzumovaná společně s jídlem výrazně zlepšuje vstřebávání železa [56] . Vejce , vápník narušují vstřebávání železa , ale hlavně antinutričních látek - kyseliny fytové , šťavelanů , tříslovin a kofeinu [57] .
Například díky vysokému obsahu fytových sloučenin se absorpce železa z luštěnin pohybuje v rozmezí 0,84–0,91 % [50] . Podle jedné americké studie konzumace čaje bohatého na tanin s jídlem obsahujícím železo snižuje vstřebávání stopového prvku o 62 %, kávy o 35 % a konzumace pomerančové šťávy (s vysokým obsahem kyseliny askorbové) ji zvyšuje o 85 %. % [58] . Údaje z Číny přitom naznačují, že ani velmi vysoký příjem čaje obecně neovlivňuje hladinu železa v krvi [59] .
Nedostatek železaPři vyvážené stravě většinou postačí železo z potravy. V těle se snadno obnoví rovnováha mezi příjmem a vylučováním železa a jeho dočasný nedostatek se snadno doplní na úkor dostupných zásob. A přesto je nedostatek železa v rozvojových zemích s omezenou dostupností masných výrobků běžný. Je to nejběžnější porucha příjmu potravy na Zemi , která postihuje až 2 miliardy lidí na celém světě [60] .
V některých speciálních případech ( chudokrevnost , ale i dárcovství krve ) je nutné použít přípravky s obsahem železa a doplňky výživy ( Hematogen , Ferroplex ). Potřeba železa se výrazně zvyšuje při anémii způsobené například takovými parazitickými invazemi , jako je malárie a měchovci , které jsou velmi rozšířené v tropických zemích.
Vegetariánům se doporučuje přijímat asi 1,8krát více železa než nevegetariáni [61] . V západních zemích jsou potraviny zaměřené na vegany často obohacovány železem, i když vstřebávání solí železa (přípravky obsahující železo) je často problematické a přínos užívání takových doplňků u zdravých lidí nebyl prokázán [62] . Je známo, že tělo vegetariánů se přizpůsobuje stravě a efektivněji zadržuje dostupné zásoby železa [63] .
Podle výsledků řady studií se při vaření v železném a litinovém nádobí zvyšuje obsah železa v potravinách 1,2 až 21krát [64] [65] [66] . Obsah železa se však více zvyšuje v omáčkách nebo potravinách vařených v omáčce (například chilli). Těm, kteří mají nedostatek železa, se dokonce nabízí, aby do nádobí, kde se vaří jídlo, vkládali figurky vyrobené z litiny .
Zatímco někteří vědci se domnívají, že kojení vede k nedostatku železa, existuje mnoho studií, které ukazují, že tomu tak není a kojené děti vstřebávají železo mnohem lépe.
Příliš mnoho železaPřebytečné železo se může dostat do těla obyvatele města spolu s rezavou vodou z vodovodu (přes litinové trubky). Také používání železa a litinového nádobí při vaření zvyšuje obsah železa v něm [64] .
Obsah železa ve vodě přesahující 1-2 mg/l výrazně zhoršuje její organoleptické vlastnosti, dodává jí nepříjemnou svíravou chuť a činí vodu nevhodnou k použití, vyvolává u člověka alergické reakce. může způsobit onemocnění krve a jater - hemochromatózu . Maximální limit koncentrace železa ve vodě je 0,3 mg/l.
Nadměrné hromadění železa v těle působí toxicky. Předávkování železem stimuluje produkci volných radikálů , inhibuje antioxidační systém těla a pravděpodobně přispívá k rozvoji aterosklerózy [67] , takže suplementace železem se zdravým lidem nedoporučuje.
Slovníky a encyklopedie |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodický systém chemických prvků D. I. Mendělejeva | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Řady elektrochemické aktivity kovů | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |
mincovní kovy | |
---|---|
Kovy | |
Slitiny |
|
Skupiny mincí | |
Kovové skupiny | |
viz také |