Železo je známy chemický prvok. Patrí medzi kovy s priemernou reaktivitou. Vlastnosti a využitie železa zvážime v tomto článku.
Rozšírenie v prírode
Existuje pomerne veľké množstvo minerálov, medzi ktoré patrí železo. V prvom rade je to magnetit. Je to sedemdesiatdva percent železa. Jeho chemický vzorec je Fe3O4. Tento minerál sa tiež nazýva magnetická železná ruda. Má svetlosivú farbu, niekedy s tmavosivou, až čiernou, s kovovým leskom. Jeho najväčšie ložisko spomedzi krajín SNŠ sa nachádza na Urale.
Ďalším minerálom s vysokým obsahom železa je hematit – tvorí ho zo sedemdesiatich percent tento prvok. Jeho chemický vzorec je Fe2O3. Nazýva sa aj červená železná ruda. Má farbu od červeno-hnedej po červeno-šedú. Najväčšie ložisko na území krajín SNŠ sa nachádza v Krivoj Rog.
Tretím minerálom z hľadiska obsahu železa je limonit. Tu tvorí železo šesťdesiat percent celkovej hmoty. Je to kryštalický hydrát, to znamená, že molekuly vody sú votkané do jeho kryštálovej mriežky,jeho chemický vzorec je Fe2O3•H2O. Ako už názov napovedá, tento minerál má žltohnedú farbu, občas hnedú. Je jednou z hlavných zložiek prírodného okru a používa sa ako pigment. Nazýva sa aj hnedý železný kameň. Najväčšie výskyty sú Krym, Ural.
V siderite, takzvanej železnej rude, štyridsaťosem percent železa. Jeho chemický vzorec je FeCO3. Jeho štruktúra je heterogénna a pozostáva z kryštálov rôznych farieb spojených dohromady: šedá, svetlozelená, sivožltá, hnedožltá atď.
Posledným prirodzene sa vyskytujúcim minerálom s vysokým obsahom železa je pyrit. Má nasledujúci chemický vzorec: FeS2. Železo v ňom tvorí štyridsaťšesť percent celkovej hmoty. Vďaka atómom síry má tento minerál zlatožltú farbu.
Mnohé z uvažovaných minerálov sa používajú na získanie čistého železa. Okrem toho sa hematit používa pri výrobe šperkov z prírodných kameňov. Pyritové inklúzie možno nájsť v šperkoch z lapis lazuli. Okrem toho sa železo v prírode nachádza v zložení živých organizmov – je to jedna z najdôležitejších zložiek bunky. Tento stopový prvok musí byť ľudskému telu dodávaný v dostatočnom množstve. Liečivé vlastnosti železa sú do značnej miery spôsobené tým, že tento chemický prvok je základom hemoglobínu. Užívanie železa má preto dobrý vplyv na stav krvi, a tým aj celého organizmu ako celku.
Železo: fyzikálne a chemické vlastnosti
Pozrime sa na tieto dve veľké časti v poradí. Fyzikálne vlastnosti železa sú jeho vzhľad, hustota, teplota topenia atď. Teda všetky charakteristické znaky látky, ktoré sú spojené s fyzikou. Chemické vlastnosti železa spočívajú v jeho schopnosti reagovať s inými zlúčeninami. Začnime prvým.
Fyzikálne vlastnosti železa
V čistej forme za normálnych podmienok je to pevná látka. Má striebristo sivú farbu a výrazný kovový lesk. Mechanické vlastnosti železa zahŕňajú úroveň tvrdosti na Mohsovej stupnici. Rovná sa štyrom (stredná). Železo má dobrú elektrickú a tepelnú vodivosť. Poslednú vlastnosť možno pocítiť dotykom železného predmetu v chladnej miestnosti. Pretože tento materiál rýchlo vedie teplo, absorbuje väčšinu tepla z vašej pokožky v krátkom čase, takže sa cítite chladne.
Pri dotyku napríklad stromu si možno všimnúť, že jeho tepelná vodivosť je oveľa nižšia. Fyzikálnymi vlastnosťami železa sú jeho teploty topenia a varu. Prvá je 1539 stupňov Celzia, druhá je 2860 stupňov Celzia. Možno konštatovať, že charakteristické vlastnosti železa sú dobrá ťažnosť a tavivosť. Ale to nie je všetko.
Fyzikálne vlastnosti železa zahŕňajú aj jeho feromagnetizmus. Čo to je? Železo, ktorého magnetické vlastnosti môžeme každý deň pozorovať na praktických príkladoch, je jediným kovom, ktorý také májedinečný rozlišovací znak. Je to spôsobené tým, že tento materiál je možné magnetizovať pod vplyvom magnetického poľa. A po ukončení jeho pôsobenia zostáva železo, ktorého magnetické vlastnosti sa práve vytvorili, dlho magnetom. Tento jav možno vysvetliť tým, že v štruktúre tohto kovu je veľa voľných elektrónov, ktoré sa môžu pohybovať.
Z pohľadu chémie
Tento prvok patrí medzi kovy strednej aktivity. Chemické vlastnosti železa sú však typické pre všetky ostatné kovy (okrem tých, ktoré sú v elektrochemickom rade napravo od vodíka). Je schopný reagovať s mnohými triedami látok.
Začať jednoducho
Železo interaguje s kyslíkom, dusíkom, halogénmi (jód, bróm, chlór, fluór), fosforom, uhlíkom. Prvá vec, ktorú treba zvážiť, sú reakcie s kyslíkom. Pri spaľovaní železa vznikajú jeho oxidy. V závislosti od podmienok reakcie a pomerov medzi dvoma účastníkmi sa môžu meniť. Ako príklad takýchto interakcií možno uviesť nasledujúce reakčné rovnice: 2Fe + O2=2FeO; 4Fe + 3O2=2Fe2O3; 3Fe + 2O2=Fe3O4. A vlastnosti oxidu železa (fyzikálne aj chemické) sa môžu meniť v závislosti od jeho odrody. K týmto druhom reakcií dochádza pri vysokých teplotách.
Ďalej – interakcia s dusíkom. To sa tiež môže len staťpodlieha zahrievaniu. Ak vezmeme šesť mólov železa a jeden mól dusíka, dostaneme dva móly nitridu železa. Reakčná rovnica bude vyzerať takto: 6Fe + N2=2Fe3N.
Pri interakcii s fosforom vzniká fosfid. Na uskutočnenie reakcie sú potrebné tieto zložky: pre tri móly železa - jeden mól fosforu, v dôsledku čoho sa vytvorí jeden mól fosfidu. Rovnicu možno zapísať takto: 3Fe + P=Fe3P.
Okrem toho medzi reakciami s jednoduchými látkami možno rozlíšiť aj interakciu so sírou. V tomto prípade je možné získať sulfid. Princíp, ktorým dochádza k procesu tvorby tejto látky, je podobný tým, ktoré sú opísané vyššie. Konkrétne dochádza k adičnej reakcii. Všetky chemické interakcie tohto druhu si vyžadujú špeciálne podmienky, najmä vysoké teploty, menej často katalyzátory.
Reakcie medzi železom a halogénmi sú bežné aj v chemickom priemysle. Sú to chlorácia, bromácia, jodácia, fluorácia. Ako je zrejmé z názvov samotných reakcií, ide o proces pridávania atómov chlóru / brómu / jódu / fluóru k atómom železa za vzniku chloridu / bromidu / jodidu / fluoridu. Tieto látky sú široko používané v rôznych priemyselných odvetviach. Okrem toho je železo schopné spájať sa s kremíkom pri vysokých teplotách. Pre svoje rozmanité chemické vlastnosti sa železo často používa v chemickom priemysle.
Železo a komplexné látky
Od jednoduchých látok prejdime k tým, ktorých molekuly pozostávajú z dvoch alebo viacerýchrôzne chemické prvky. Prvá vec, ktorú treba spomenúť, je reakcia železa s vodou. Tu sú hlavné vlastnosti železa. Keď sa voda zahrieva spolu so železom, vzniká zásaditý oxid (nazýva sa tak, pretože pri interakcii s tou istou vodou vytvára hydroxid, inými slovami zásadu). Ak teda vezmete jeden mól oboch zložiek, látky ako oxid železitý a vodík vznikajú vo forme plynu s prenikavým zápachom – tiež v molárnom pomere jedna ku jednej. Rovnicu pre tento druh reakcie možno napísať takto: Fe + H2O=FeO + H2. V závislosti od pomerov, v ktorých sú tieto dve zložky zmiešané, je možné získať di- alebo trioxid železa. Obe tieto látky sú veľmi bežné v chemickom priemysle a používajú sa aj v mnohých iných odvetviach.
S kyselinami a soľami
Keďže železo sa v elektrochemickej sérii aktivity kovov nachádza naľavo od vodíka, je schopné vytesniť tento prvok zo zlúčenín. Príkladom toho je substitučná reakcia, ktorú možno pozorovať, keď sa do kyseliny pridá železo. Napríklad, ak zmiešate železo a kyselinu síranovú (aka kyselinu sírovú) strednej koncentrácie v rovnakých molárnych pomeroch, výsledkom bude síran železnatý (II) a vodík v rovnakých molárnych pomeroch. Rovnica pre takúto reakciu by vyzerala takto: Fe + H2SO4=FeSO4 + H 2.
Pri interakcii so soľami sa prejavujú redukčné vlastnosti železa. To znamená, že pomocou neho možno zo soli izolovať menej aktívny kov. Napríklad akvezmite jeden mól síranu meďnatého a rovnaké množstvo železa, potom môžete získať síran železitý (II) a čistú meď v rovnakých molárnych pomeroch.
Hodnota pre telo
Jedným z najbežnejších chemických prvkov v zemskej kôre je železo. Vlastnosti hmoty sme už zvažovali, teraz si to priblížime z biologického hľadiska. Ferrum plní veľmi dôležité funkcie ako na bunkovej úrovni, tak aj na úrovni celého organizmu. Po prvé, železo je základom takého proteínu, akým je hemoglobín. Je nevyhnutný pre transport kyslíka krvou z pľúc do všetkých tkanív, orgánov, do každej bunky tela, predovšetkým do neurónov mozgu. Preto prospešné vlastnosti železa nemožno preceňovať.
Okrem toho, že železo ovplyvňuje krvotvorbu, je dôležité aj pre plnohodnotné fungovanie štítnej žľazy (na to nie je potrebný iba jód, ako sa niektorí domnievajú). Železo sa podieľa aj na vnútrobunkovom metabolizme, reguluje imunitu. Ferrum sa tiež nachádza vo zvlášť veľkom množstve v pečeňových bunkách, pretože pomáha neutralizovať škodlivé látky. Je tiež jednou z hlavných zložiek mnohých druhov enzýmov v našom tele. Denná strava človeka by mala obsahovať desať až dvadsať miligramov tohto stopového prvku.
Potraviny bohaté na železo
Je ich veľa. Sú rastlinného aj živočíšneho pôvodu. Prvými sú obilniny, strukoviny, obilniny (najmä pohánka), jablká, huby (sviňa), sušené ovocie, šípky, hrušky, broskyne,avokádo, tekvica, mandle, datle, paradajky, brokolica, kapusta, čučoriedky, černice, zeler atď. Druhá - pečeň, mäso. Používanie potravín s vysokým obsahom železa je obzvlášť dôležité počas tehotenstva, pretože telo vyvíjajúceho sa plodu vyžaduje veľké množstvo tohto stopového prvku pre správny rast a vývoj.
Príznaky nedostatku železa
Príznaky toho, že do tela vstupuje príliš málo železa, sú únava, neustále mrazenie rúk a nôh, depresia, lámavosť vlasov a nechtov, znížená intelektuálna aktivita, poruchy trávenia, nízka výkonnosť a poruchy štítnej žľazy. Ak spozorujete viac ako jeden z týchto príznakov, možno budete chcieť zvýšiť množstvo potravín bohatých na železo vo vašej strave alebo si kúpiť vitamíny alebo doplnky s obsahom železa. Tiež určite navštívte lekára, ak niektorý z týchto príznakov pociťujete príliš silno.
Použitie železa v priemysle
Použitie a vlastnosti železa spolu úzko súvisia. Vďaka svojmu feromagnetizmu sa z neho vyrábajú magnety – ako slabšie na domáce účely (magnety na chladničky na suveníry a pod.), tak aj silnejšie – na priemyselné účely. Vzhľadom na to, že predmetný kov má vysokú pevnosť a tvrdosť, od staroveku sa používa na výrobu zbraní, brnení a iných vojenských a domácich nástrojov. Mimochodom, dokonca aj v starovekom Egypte, meteorit železa bol známy, vlastnostiktoré sú lepšie ako bežné kovové. Takéto špeciálne železo sa tiež používalo v starovekom Ríme. Vyrobili z neho elitné zbrane. Len veľmi bohatý a vznešený človek môže mať štít alebo meč vyrobený z meteoritového kovu.
Vo všeobecnosti je kov, o ktorom uvažujeme v tomto článku, najuniverzálnejšie používaný spomedzi všetkých látok tejto skupiny. Predovšetkým sa z neho vyrába oceľ a liatina, ktoré sa používajú na výrobu všetkých druhov výrobkov potrebných v priemysle aj v každodennom živote.
Liatina je zliatina železa a uhlíka, v ktorej je druhý podiel prítomný od 1,7 do 4,5 percent. Ak je druhá menej ako 1,7 percenta, potom sa tento druh zliatiny nazýva oceľ. Ak je v zložení asi 0,02 percent uhlíka, potom je to už obyčajné technické železo. Prítomnosť uhlíka v zliatine je nevyhnutná pre väčšiu pevnosť, tepelnú odolnosť a odolnosť proti hrdzi.
Ocel môže okrem toho obsahovať množstvo iných chemických prvkov ako nečistoty. Ide o mangán, fosfor a kremík. Do tohto druhu zliatiny je možné pridať aj chróm, nikel, molybdén, volfrám a mnoho ďalších chemických prvkov, ktoré jej dodajú určité vlastnosti. Ako transformátorové ocele sa používajú druhy ocelí, v ktorých je prítomné veľké množstvo kremíka (asi štyri percentá). Tie, ktoré obsahujú veľa mangánu (až dvanásť či štrnásť percent), nachádzajú svoje uplatnenie pri výrobe dielovželeznice, mlyny, drviče a iné nástroje, ktoré sa rýchlo opotrebúvajú.
Molybdén sa pridáva do zloženia zliatiny, aby bola tepelne stabilnejšia – takéto ocele sa používajú ako nástrojové ocele. Okrem toho na získanie známych a bežne používaných nehrdzavejúcich ocelí vo forme nožov a iných domácich nástrojov je potrebné do zliatiny pridať chróm, nikel a titán. A aby ste získali vysokopevnostnú, tvárnu oceľ odolnú voči nárazom, stačí do nej pridať vanád. Po zavedení do zloženia nióbu je možné dosiahnuť vysokú odolnosť proti korózii a účinkom chemicky agresívnych látok.
Minerál magnetit, ktorý bol spomenutý na začiatku článku, je potrebný na výrobu pevných diskov, pamäťových kariet a iných zariadení tohto typu. Vďaka svojim magnetickým vlastnostiam možno železo nájsť v konštrukcii transformátorov, motorov, elektronických výrobkov atď. Okrem toho sa železo môže pridávať do iných kovových zliatin, aby im poskytlo väčšiu pevnosť a mechanickú stabilitu. Síran tohto prvku sa používa v záhradníctve na kontrolu škodcov (spolu so síranom meďnatým).
Chloridy železa sú nevyhnutné na čistenie vody. Okrem toho sa magnetitový prášok používa v čiernobielych tlačiarňach. Hlavným využitím pyritu je získavanie kyseliny sírovej z neho. Tento proces prebieha v laboratóriu v troch fázach. V prvej fáze sa ferumpyrit spaľuje za vzniku oxidu železa a oxidu siričitého. Druhým krokom je premena oxidusíru na jej trioxid za účasti kyslíka. A v záverečnej fáze výsledná látka prechádza vodnou parou v prítomnosti katalyzátorov, čím sa získa kyselina sírová.
Získať železo
Tento kov sa ťaží hlavne z dvoch hlavných minerálov: magnetitu a hematitu. To sa deje redukciou železa z jeho zlúčenín uhlíkom vo forme koksu. Deje sa tak vo vysokých peciach, ktorých teplota dosahuje dvetisíc stupňov Celzia. Okrem toho existuje spôsob, ako zredukovať železo vodíkom. To si nevyžaduje vysokú pec. Na implementáciu tejto metódy sa odoberie špeciálna hlina, zmieša sa s drvenou rudou a spracuje sa vodíkom v šachtovej peci.
Záver
Vlastnosti a využitie železa sú rôzne. Toto je možno najdôležitejší kov v našom živote. Keď sa ľudstvo stalo známym, nahradil bronz, ktorý bol v tom čase hlavným materiálom na výrobu všetkých nástrojov, ako aj zbraní. Oceľ a liatina sú v mnohých smeroch lepšie ako zliatina medi a cínu, pokiaľ ide o ich fyzikálne vlastnosti, odolnosť voči mechanickému namáhaniu.
Navyše, železo je na našej planéte bežnejšie ako mnohé iné kovy. Jeho hmotnostný podiel v zemskej kôre je takmer päť percent. Je to štvrtý najrozšírenejší chemický prvok v prírode. Tento chemický prvok je tiež veľmi dôležitý pre normálne fungovanie organizmu zvierat a rastlín, predovšetkým preto, že na jeho základe je vybudovaný hemoglobín. Železo je základná mikroživinaktorý je dôležitý pre udržanie zdravia a normálneho fungovania orgánov. Okrem vyššie uvedeného je to jediný kov, ktorý má jedinečné magnetické vlastnosti. Nie je možné si predstaviť náš život bez železa.
