BW Professional Cutter Expert www.tool-tool.com

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Železo, chemická značka Fe, (lat. Ferrum) je kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace.

[editovat] Základní fyzikálně - chemické vlastnosti

železný meteorit

Relativní atomová hmotnost: 55,845 amu

Atomové číslo: 26

Hustota: 7,86 g/cm³

Tvrdost: 4,0 (Mohsova stupnice tvrdosti)

Teplota tání: 1 538 ° C, tj. 1 811 K

Teplota varu: 2 861 ° C, tj. 3 134 K

Elektronegativita: 1,83 (Pauling)

Železo je poměrně měkký, světle šedý až bílý, ferromagnetický kov s malou odolností proti korozi. Lidstvu je známo již od pravěku (objeveno na konci pravěku- období halštatské a laténské), přesto však jeho průmyslová výroba v masovém měřítku začíná teprve v 18. století našeho letopočtu.

Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-orbitalu. Ve sloučeninách se vyskytuje především v mocenství Fe⁺² a Fe⁺³, sloučeniny Fe⁺⁴ jsou velmi nestálé a nemají praktický význam.

Chemicky je elementární železo značně nestálé a reaktivní. Velmi snadno se rozpouští působením minerálních kyselin, vůči působení silných alkálií je však poměrně rezistentní. Působením vzdušné vlhkosti snadno oxiduje za tvorby hydratovaných oxidů (rez). Tato reakce přitom nevede k ochraně materiálu povrchovou pasivací jako u mnoha jiných kovových prvků, protože vrstva rzi se snadno odlupuje a koroze pokračuje do hloubky materiálu.

Významnou vlastností atomového jádra železa je skutečnost, že se vyznačuje nejvyšší vazebnou energií ze všech známých prvků. Prakticky to znamená, že při termojaderné fůzi, probíhající v nitru hvězd je železo posledním prvkem, který lze tímto způsobem připravit za vzniku energetického zisku. Naopak při štěpení jader těžkých prvků je jádro atomu železa prvním, z něhož nelze štěpením získat energii.

[editovat] Výskyt

vysoká pec na výrobu surového železa - Ostrava

Železo patří mezi prvky s velmi významným zastoupením na Zemi i ve vesmíru. V zemské kůře činí průměrný obsah železa 4,7 – 5,6 %. Předpokládá se, že Zemské jádro je složeno především ze železa a niklu a celkový podíl železa na složení naší planety je ještě podstatně vyšší (podle někteých údajů až 35%).

V mořské vodě se jeho koncentrace pohybuje pouze na úrovni 0,01 miligramů v jednom litru. Předpokládá se, že ve vesmíru připadá na jeden atom železa přibližně 40 000 atomů vodíku.

V přírodě se železo vyskytuje ve formě sloučenin v mnoha rudách, které mohou být průmyslově využity k jeho výrobě. Z neznámějších lze jmenovat např. hematit (krevel) Fe₂O₃, limonit (hnědel) Fe₂O₃.xH₂O, ilmenit FeTiO₃, magnetit (magnetovec) Fe₃O₄, siderit (ocelek) FeCO₃ nebo pyrit FeS₂.

Elementární kovové železo, které lze nalézt na zemském povrchu, je buď pozemské nebo meteoritické. Pozemské je vzniklé nejspíše „přirozeným zhutněním“ železa obsaženého v bazaltech, přičemž se poukazuje na přítomnost uhelných vrstev nebo jejich uzavřenin (výskyty na ostrově Disko u Grónska či v Bühlu u Kasselu (Hesensko, Německo), u nás vzácně ze Strak u Duchcova. Meteorický původ železa je praktickým důkazem významné přítomnosti železa v okolním vesmíru a současně v minulosti bylo jediným zdrojem pro výrobu železných nástrojů (nože, zbraně…).

[editovat] Průmyslová výroba

Schematické znázornění reakcí ve vysoké peci

Surové železo se vyrábí ve vysoké peci redukcí svých oxidů koksem nebo oxidem uhelnatým. Upravené rudy se střídavě naváží se struskotvornými látkami (vápenec, oxidy křemíku) a koksem do vysoké pece. Ve vysoké peci probíhá několik dějů: v dolní části pece se spaluje koks na CO₂ díky vhánění předehřátého vzduchu.

C + O₂ → CO₂

Touto exotermickou reakcí se pec vyhřívá na teplotu 1 800 °C. Ve vyšších vrstvách pece probíhá redukce oxidů železa oxidem uhelnatým - nepřímá redukce, tak se získají asi 2/3 vyrobeného železa.

6 CO + 2 Fe₂O₃ → 4 Fe + 6 CO₂

Ve spodních částech probíhá redukce oxidů železa uhlíkem – tzv. přímá redukce.

3 C + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO

Povrch taveniny je přitom chráněn před oxidací vzdušným kyslíkem vrstvou lehkých oxidů a silikátů – tzv. struska.

Celý proces probíhá prakticky nepřetržitě - na horní část vysoké pece se stále zaváží železná ruda,železný šrot, koks a struskotvorné přísady a naspodu se v učitých intervalech odpouští roztavené kovové železo - tzv. odpich vysoké pece.

[editovat] Využití

železné hřebíky

Vyrobené surové železo obsahuje různé příměsi, zejména větší množství uhlíku (3 – 5 %). Dobře se odlévá, výsledný produkt - litina, je poměrně pevný a tvrdý, ale velmi křehký a možnost jeho dalšího mechanického opracování po odlití je minimální. Z litiny se vyrábějí předměty, u kterých není vyžadována přesná rozměrová tolerance nebo vysoká odolnost proti nárazu. Příkladem mohou být pláty kamen, radiátory ústředního topení, kanálové poklopy nebo podstavce těžkých strojů.

Ocelová nádoba jaderného reaktoru

Dalším odstraňováním grafitického uhlíku ze surového železa se získává kvalitnější produkt - ocel. Tento proces se obvykle provádí v tzv. konvertorech oxidací uhlíku profukováním roztaveného železa kyslíkem nebo vzduchem. Celý proces je pečlivě řízen tak, aby výsledný produkt obsahoval pouze požadované množství uhlíku. Pro výrobu běžných typů ocelí se obsah uhlíku obvykle snižuje pod 2,1 – 2,3%.

Separací uhlíku vzniká tzv. nelegovaná neboli měkká ocel. Je poměrně měkká a snadno se mechanicky zpracovává (tažení, kování, ohýbání atd. ). Mechanické vlastnosti se dají dále upravovat tepelným zpracováním, například kalením nebo tzv.popouštěním. Slouží k výrobě drátů, plechů, hřebíků a podobných produktů.

Další zkvalitnění vyrobeného kovu se dosahuje legováním, tedy přídavky definovaných množství jiných kovů za vzniku slitiny. Tzv. nízkolegované oceli obsahují maximálně 5% legovacích kovů, vysoce legované oceli mohou mít i přes 30% kovů jiných než železo. Hlavními prvky pro legování ocelí jsou nikl, chrom, vanad, mangan, wolfram, kobalt a ve speciálních aplikacích ještě mnoho dalších.

Existuje více než 2 000 různých druhů ocelí s přesně definovaným složením a mechanickými vlastnostmi jako je pevnost, tvrdost, chemická odolnost a řada dalších. Setkáme se s nimi téměř v každém oboru lidské činnosti od výroby dopravních prostředků i kolejnic, výroby nástrojů, ve stavebnictví jako součást železobetonu nebo konstrukci skeletů výškových budov a věží (Eiffelova věž nebo Petřínská rozhledna), elektrárenské turbíny, nádoby jaderných reaktorů a mnoho mnoho dalších.

[editovat] Sloučeniny

Ve sloučeninách se železo vyskytuje především v mocenství Fe⁺² a Fe⁺³. Redox potenciál vzájemného přechodu výše zmíněných iontů leží v oblasti, která umožňuje současnou existenci obou forem vedle sebe.

S běžnými minerálními kyselinami tvoří železo soli v obou mocenstvích, existuje i řada komplexních a organokovových sloučenin železa.

• Jsou známy celkem 3 oxidy železa – železnatý FeO, železitý Fe₂O₃ a směsný oxid železnato-železitý Fe₃O₄. Oxid železitý má z praktického hlediska největší význam – je důležitou surovinou pro výrobu železa a slouží jako surovina pro výrobu pigmentů červené až hnědé barvy.

• Síran železnatý FeSO₄ · 7 H₂O je znám jako zelená skalice.

• Chlorid železitý FeCl₃ je světle hnědá hygroskopická látka, která se na působením vzdušné vlhkosti samovolně roztéká. Její roztoky se používají v elektrotechnice při výrobě plošných spojů jako leptadlo, rozpouštějící nechráněnou vrstvu kovové mědi. Za jistých podmínek jsou kyselé roztoky chloridu železitého schopny rozpouštět i kovové zlato. Používá se také jako vločkovací přísada při čištění odpadních vod.

• Mohrova sůl (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O triviální název pro hexahydrát síranu amonnoželeznatého

• Komplexní kyanidy železa jsou známy jako tzv. krevní soli –
  • Hexakyanoželeznatan draselný K₄[Fe(CN)₆] - žlutá krevní sůl je netoxická sloučenina dobře rozpustná ve vodě. Se solemi Fe⁺³ poskytuji intenzivně modrou sraženinu, nazývanou berlínská modř. Tato reakce je jedním z analytických důkazů přítomnosti trojmocného železa ve vzorku.
  • Hexakyanoželezitan draselný K₃[Fe(CN)₆] - červená krevní sůl je toxická sloučenina s mírně oxidačním účinky. Se solemi Fe⁺² poskytuji modrou sraženinu, nazývanou Turnbullova modř. Tato reakce je jedním z analytických důkazů přítomnosti dvojmocného železa ve vzorku.

• Pentakarbonyl železa Fe(CO)₅ je kapalná látka, vznikající tlakovým zahříváním práškového kovového železa v atmosféře oxidu uhelnatého. Je to nestálá toxická sloučenina, která se využívá k přípravě velmi čistého železa – lze ji snadno destilačně oddělit od solí ostatních kovů.

[editovat] Biologický význam

strukturní vzorec hemoglobinu

Z biologického hlediska patří železo mezi nejvýznamnější těžké kovové prvky a to zejména pro teplokrevné živočichy. Organokovová komplexní sloučenina hemoglobin hraje totiž klíčovou roli v transportu kyslíku z plic do tělesných tkání a je proto nezbytná pro dýchání.

Chemicky je hemoglobin tvořen porfirinovým skeletem složeným ze 4 pyrolových jader, jejichž dusíkové atomy směřují do středu kruhu a komplexně váží atom železa. Porfirinová struktura je v přírodě velmi běžná, zelené rostlinné barvivo chlorofyl s porfirinovým skeletem má za centrální atom hořčík a s jeho pomocí produkují rostliny kyslík (fotosyntéza) a současně přeměňují energii slunečního záření na energeticky využitelné organické sloučeniny sacharidy.

Hlavním nositelem hemoglobinu v krvi jsou červené krvinky, které fungují jako přenašeč kyslíku z plic do organizmu. Důležitý je fakt, že vazebná energie mezi atomem železa a molekulou kyslíku je relativně značně nízká a tak může hemoglobin v tkáních s nízkým obsahem kyslíku uvolňovat jeho molekulu a naopak v plicních sklípcích bohatých kyslíkem molekulu kyslíku vázat a transportovat dále.

Porucha přenosu kyslíku nastává v případě, že se do plic dostane molekula s podobnými vazebnými charakteristikami jako kyslík. Nejběžnějším případem je zde oxid uhelnatý CO, který se váže na hemoglobin stejně ochotně jako kyslík, energie této vazby je však větší a dochází tak k zablokování přenosu kyslíku díky nevratném obsazení molekul hemoglobinu oxidem uhelnatým. Protože komplexní sloučenina CO s hemoglobinem má intenzivně červenou barvu, projevuje se otrava oxidem uhelnatým zčervenáním sliznic postižené osoby.

Metabolické příčiny snížené tvorby červeného krevního barviva jsou obvykle vyvolány nedostatkem železa v přijímané potravě, ale nízké množství hemoglobinu může být způsobeno i vysokou ztrátou krve při úrazu, porodu apod. Navenek se tento stav projevuje chorobnou bledostí a zvýšenou únavou postiženého, medicínsky je tento stav označován jako chudokrevnost neboli anémie. Zvýšené riziko anémie nastává především u žen při porodu, ale částečně i při běžné menstruaci.

Hlavním zdrojem železa v potravě je maso, především vnitřnosti jako játra, srdce a slezina. Zdrojem železa jsou ale i luštěniny, listová zelenina a některé ovoce jako například jahody. Doporučený denní příjem železa je kolem 1 mg Fe denně, pro ženy v menstruačním cyklu 1,5 – 2 mg.

Naopak příjem železa v iontové formě (Fe⁺² a Fe⁺³) není pokládán za optimální, především ion Fe⁺³ je značně rizikový. Celkový maximální obsah v pitné vodě je normativně omezen na maximálně 0,2 ppm (mg/l) č. 252/2004 Sb..

Wikimedia Commons nabízí multimediální obsah k tématu

Železo

Wikislovník obsahuje slovníkovou definici slova železo.