Železo je známý chemický prvek. Patří mezi kovy s průměrnou reaktivitou. V tomto článku se budeme zabývat vlastnostmi a použitím železa.
Rozšíření v přírodě
Existuje poměrně velké množství minerálů, které zahrnují železo. Především je to magnetit. Je to sedmdesát dva procent železa. Jeho chemický vzorec je Fe3O4. Tento minerál se také nazývá magnetická železná ruda. Má světle šedou barvu, někdy s tmavě šedou, až černou, s kovovým leskem. Jeho největší ložisko mezi zeměmi SNS se nachází na Uralu.
Dalším minerálem s vysokým obsahem železa je hematit – ten je ze sedmdesáti procent složen z tohoto prvku. Jeho chemický vzorec je Fe2O3. Říká se jí také červená železná ruda. Má barvu od červenohnědé po červenošedou. Největší ložisko na území zemí SNS se nachází v Krivoj Rog.
Třetím minerálem z hlediska obsahu železa je limonit. Zde tvoří železo šedesát procent celkové hmoty. Je to krystalický hydrát, to znamená, že molekuly vody jsou vetkány do jeho krystalové mřížky,jeho chemický vzorec je Fe2O3•H2O. Jak název napovídá, tento minerál má žlutohnědou barvu, občas hnědou. Je jednou z hlavních složek přírodního okru a používá se jako pigment. Říká se mu také hnědý železný kámen. Největší výskyty jsou Krym, Ural.
V sideritu, takzvané železné rudě, je čtyřicet osm procent železa. Jeho chemický vzorec je FeCO3. Jeho struktura je heterogenní a skládá se z krystalů různých barev spojených dohromady: šedá, světle zelená, šedo-žlutá, hnědo-žlutá atd.
Posledním přirozeně se vyskytujícím minerálem s vysokým obsahem železa je pyrit. Má následující chemický vzorec: FeS2. Železo v něm tvoří čtyřicet šest procent celkové hmoty. Díky atomům síry má tento minerál zlatožlutou barvu.
Mnoho z uvažovaných minerálů se používá k získání čistého železa. Kromě toho se hematit používá při výrobě šperků z přírodních kamenů. Pyritové inkluze lze nalézt ve špercích lapis lazuli. Kromě toho se železo v přírodě nachází ve složení živých organismů – je jednou z nejdůležitějších součástí buňky. Tento stopový prvek musí být lidskému tělu dodáván v dostatečném množství. Léčivé vlastnosti železa jsou z velké části způsobeny tím, že tento chemický prvek je základem hemoglobinu. Užívání železa má tedy dobrý vliv na stav krve, potažmo celého organismu jako celku.
Železo: fyzikální a chemické vlastnosti
Uvažujme tyto dvě velké části v pořadí. Fyzikálními vlastnostmi železa jsou jeho vzhled, hustota, bod tání atd. Tedy všechny rozlišovací znaky látky, které jsou spojeny s fyzikou. Chemické vlastnosti železa spočívají v jeho schopnosti reagovat s jinými sloučeninami. Začněme tím prvním.
Fyzikální vlastnosti železa
V čisté formě za normálních podmínek je to pevná látka. Má stříbřitě šedou barvu a výrazný kovový lesk. Mezi mechanické vlastnosti železa patří úroveň tvrdosti na Mohsově stupnici. Je roven čtyřem (střední). Železo má dobrou elektrickou a tepelnou vodivost. Poslední vlastnost lze pocítit dotykem železného předmětu v chladné místnosti. Protože tento materiál rychle vede teplo, absorbuje většinu tepla z pokožky během krátké doby, takže se cítíte chladně.
Pokud se například dotknete stromu, lze poznamenat, že jeho tepelná vodivost je mnohem nižší. Fyzikální vlastnosti železa jsou jeho teploty tání a varu. První je 1539 stupňů Celsia, druhý 2860 stupňů Celsia. Lze konstatovat, že charakteristickými vlastnostmi železa jsou dobrá tažnost a tavitelnost. Ale to není vše.
Fyzikální vlastnosti železa zahrnují také jeho feromagnetismus. co to je Železo, jehož magnetické vlastnosti můžeme každý den pozorovat na praktických příkladech, je jediným kovem, který takové májedinečný rozlišovací znak. To je způsobeno tím, že tento materiál je schopen magnetizovat pod vlivem magnetického pole. A po ukončení působení posledně jmenovaného zůstává železo, jehož magnetické vlastnosti se právě vytvořily, dlouho magnetem. Tento jev lze vysvětlit tím, že ve struktuře tohoto kovu je mnoho volných elektronů, které se mohou pohybovat.
Z pohledu chemie
Tento prvek patří mezi kovy střední aktivity. Ale chemické vlastnosti železa jsou typické pro všechny ostatní kovy (kromě těch, které jsou v elektrochemické řadě napravo od vodíku). Je schopen reagovat s mnoha třídami látek.
Začít jednoduše
Železo interaguje s kyslíkem, dusíkem, halogeny (jód, brom, chlor, fluor), fosforem, uhlíkem. První věc, kterou je třeba zvážit, jsou reakce s kyslíkem. Při spalování železa vznikají jeho oxidy. V závislosti na podmínkách reakce a proporcích mezi dvěma účastníky se mohou měnit. Jako příklad takových interakcí lze uvést následující reakční rovnice: 2Fe + O2=2FeO; 4Fe + 3O2=2Fe2O3; 3Fe + 2O2=Fe3O4. A vlastnosti oxidu železa (jak fyzikální, tak chemické) se mohou lišit v závislosti na jeho rozmanitosti. Tyto druhy reakcí probíhají při vysokých teplotách.
Další – interakce s dusíkem. To se také může jen státpodléhající zahřívání. Vezmeme-li šest molů železa a jeden mol dusíku, dostaneme dva moly nitridu železa. Reakční rovnice bude vypadat takto: 6Fe + N2=2Fe3N.
Při interakci s fosforem vzniká fosfid. K provedení reakce jsou nutné následující složky: pro tři moly železa - jeden mol fosforu, v důsledku toho se vytvoří jeden mol fosfidu. Rovnici lze napsat následovně: 3Fe + P=Fe3P.
Mezi reakcemi s jednoduchými látkami lze navíc rozlišit interakci se sírou. V tomto případě lze získat sulfid. Princip, podle kterého dochází k procesu tvorby této látky, je podobný výše popsaným. Konkrétně dochází k adiční reakci. Všechny chemické interakce tohoto druhu vyžadují speciální podmínky, především vysoké teploty, méně často katalyzátory.
Reakce mezi železem a halogeny jsou také běžné v chemickém průmyslu. Jsou to chlorace, bromace, jodace, fluorace. Jak je zřejmé z názvů reakcí samotných, jedná se o proces přidávání atomů chloru / bromu / jodu / fluoru k atomům železa za vzniku chloridu / bromidu / jodidu / fluoru. Tyto látky jsou široce používány v různých průmyslových odvětvích. Kromě toho se železo dokáže při vysokých teplotách slučovat s křemíkem. Díky svým rozmanitým chemickým vlastnostem se železo často používá v chemickém průmyslu.
Železo a komplexní látky
Od jednoduchých látek přejděme k těm, jejichž molekuly se skládají ze dvou nebo vícerůzné chemické prvky. První věc, kterou je třeba zmínit, je reakce železa s vodou. Zde jsou hlavní vlastnosti železa. Při zahřívání vody spolu se železem vzniká zásaditý oxid (nazývá se tak, protože při interakci se stejnou vodou tvoří hydroxid, jinými slovy zásadu). Pokud tedy vezmete jeden mol obou složek, vytvoří se látky jako oxid železitý a vodík ve formě plynu se štiplavým zápachem – rovněž v molárním poměru jedna ku jedné. Rovnici pro tento druh reakce lze napsat následovně: Fe + H2O=FeO + H2. V závislosti na poměrech, ve kterých jsou tyto dvě složky smíchány, lze získat di- nebo trioxid železa. Obě tyto látky jsou velmi běžné v chemickém průmyslu a používají se také v mnoha dalších průmyslových odvětvích.
S kyselinami a solemi
Vzhledem k tomu, že železo se v elektrochemické řadě aktivity kovů nachází nalevo od vodíku, je schopno tento prvek ze sloučenin vytěsnit. Příkladem toho je substituční reakce, kterou lze pozorovat, když se do kyseliny přidá železo. Například, pokud smícháte železo a kyselinu síranovou (aka kyselinu sírovou) střední koncentrace ve stejných molárních poměrech, výsledkem bude síran železnatý (II) a vodík ve stejných molárních poměrech. Rovnice pro takovou reakci by vypadala takto: Fe + H2SO4=FeSO4 + H 2.
Při interakci se solemi se projevují redukční vlastnosti železa. To znamená, že s jeho pomocí lze ze soli izolovat méně aktivní kov. Například pokudvezměte jeden mol síranu měďnatého a stejné množství železa, pak můžete získat síran železitý (II) a čistou měď ve stejných molárních poměrech.
Hodnota pro tělo
Jedním z nejběžnějších chemických prvků v zemské kůře je železo. Vlastnosti hmoty jsme již zvažovali, nyní si to přiblížíme z biologického hlediska. Ferrum plní velmi důležité funkce jak na buněčné úrovni, tak na úrovni celého organismu. Za prvé, železo je základem takového proteinu, jako je hemoglobin. Je nezbytný pro transport kyslíku krví z plic do všech tkání, orgánů, do každé buňky těla, především do neuronů mozku. Proto nelze příznivé vlastnosti železa přeceňovat.
Kromě toho, že železo ovlivňuje krvetvorbu, je důležité také pro plné fungování štítné žlázy (k tomu je zapotřebí nejen jód, jak se někteří domnívají). Železo se také účastní intracelulárního metabolismu, reguluje imunitu. Ferrum se také nachází ve zvláště velkém množství v jaterních buňkách, protože pomáhá neutralizovat škodlivé látky. Je také jednou z hlavních složek mnoha typů enzymů v našem těle. Denní strava člověka by měla obsahovat deset až dvacet miligramů tohoto stopového prvku.
Potraviny bohaté na železo
Je jich mnoho. Jsou rostlinného i živočišného původu. První jsou obiloviny, luštěniny, obiloviny (zejména pohanka), jablka, houby (porcini), sušené ovoce, šípky, hrušky, broskve,avokádo, dýně, mandle, datle, rajčata, brokolice, zelí, borůvky, ostružiny, celer atd. Druhá - játra, maso. Užívání potravin s vysokým obsahem železa je zvláště důležité během těhotenství, protože tělo vyvíjejícího se plodu vyžaduje velké množství tohoto stopového prvku pro správný růst a vývoj.
Příznaky nedostatku železa
Příznaky toho, že do těla vstupuje příliš málo železa, jsou únava, neustálé mrazení rukou a nohou, deprese, lámavé vlasy a nehty, snížená intelektuální aktivita, poruchy trávení, nízká výkonnost a poruchy štítné žlázy. Pokud zaznamenáte více než jeden z těchto příznaků, možná budete chtít zvýšit množství potravin bohatých na železo ve vaší stravě nebo si koupit vitamíny nebo doplňky obsahující železo. Nezapomeňte také navštívit lékaře, pokud některý z těchto příznaků pociťujete příliš silně.
Využití železa v průmyslu
Použití a vlastnosti železa spolu úzce souvisí. Pro svůj feromagnetismus se z něj vyrábí magnety - jak slabší pro domácí účely (magnety na ledničku na suvenýry apod.), tak silnější - pro průmyslové účely. Vzhledem k tomu, že dotyčný kov má vysokou pevnost a tvrdost, byl od starověku používán k výrobě zbraní, brnění a dalších vojenských a domácích nástrojů. Mimochodem, dokonce i ve starověkém Egyptě, meteorit železa byl známý, vlastnostikteré jsou lepší než ty z běžného kovu. Také takové speciální železo se používalo ve starém Římě. Vyráběli z něj elitní zbraně. Pouze velmi bohatý a vznešený člověk mohl mít štít nebo meč vyrobený z meteoritového kovu.
Obecně platí, že kov, o kterém uvažujeme v tomto článku, je nejuniverzálnější používaný ze všech látek této skupiny. Především se z něj vyrábí ocel a litina, které se používají k výrobě všech druhů výrobků potřebných jak v průmyslu, tak v každodenním životě.
Litina je slitina železa a uhlíku, ve které je druhý přítomen od 1,7 do 4,5 procenta. Pokud je druhé méně než 1,7 procenta, pak se tento druh slitiny nazývá ocel. Pokud je ve složení asi 0,02 procenta uhlíku, pak se jedná již o běžné technické železo. Přítomnost uhlíku ve slitině je nezbytná pro zajištění větší pevnosti, tepelné odolnosti a odolnosti proti korozi.
Ocel může navíc obsahovat mnoho dalších chemických prvků jako nečistoty. Jedná se o mangan, fosfor a křemík. K tomuto druhu slitiny lze také přidat chrom, nikl, molybden, wolfram a mnoho dalších chemických prvků, aby získaly určité vlastnosti. Jako transformátorové oceli se používají druhy oceli, ve kterých je přítomno velké množství křemíku (asi čtyři procenta). Ty, které obsahují hodně manganu (až dvanáct nebo čtrnáct procent), najdou své uplatnění při výrobě dílůželeznice, mlýny, drtiče a další nástroje, které rychle opotřebovávají díly.
Molybden se přidává do složení slitiny, aby byla tepelně stabilnější – takové oceli se používají jako nástrojové oceli. Navíc pro získání známých a běžně používaných nerezových ocelí v podobě nožů a dalších domácích nástrojů je nutné do slitiny přidat chrom, nikl a titan. A abychom získali nárazuvzdornou, vysokopevnostní, tažnou ocel, stačí do ní přidat vanad. Po zavedení do složení niobu je možné dosáhnout vysoké odolnosti proti korozi a účinkům chemicky agresivních látek.
Minerál magnetit, který byl zmíněn na začátku článku, je potřebný pro výrobu pevných disků, paměťových karet a dalších zařízení tohoto typu. Díky svým magnetickým vlastnostem lze železo nalézt v konstrukci transformátorů, motorů, elektronických výrobků atd. Kromě toho lze železo přidávat do jiných kovových slitin, aby jim dodalo větší pevnost a mechanickou stabilitu. Síran tohoto prvku se používá v zahradnictví k hubení škůdců (spolu se síranem měďnatým).
Chloridy železa jsou nepostradatelné pro čištění vody. Kromě toho se magnetitový prášek používá v černobílých tiskárnách. Hlavním využitím pyritu je získávání kyseliny sírové z něj. Tento proces probíhá v laboratoři ve třech fázích. V první fázi se železný pyrit spaluje za vzniku oxidu železa a oxidu siřičitého. Druhým krokem je přeměna oxidusíru na její trioxid za účasti kyslíku. A v konečné fázi výsledná látka prochází vodní párou za přítomnosti katalyzátorů, čímž se získá kyselina sírová.
Získávání železa
Tento kov se těží hlavně ze dvou hlavních minerálů: magnetitu a hematitu. To se provádí redukcí železa z jeho sloučenin uhlíkem ve formě koksu. To se provádí ve vysokých pecích, jejichž teplota dosahuje dvou tisíc stupňů Celsia. Kromě toho existuje způsob, jak zredukovat železo vodíkem. To nevyžaduje vysokou pec. K provedení této metody se odebírá speciální jíl, který se smíchá s drcenou rudou a zpracovává se vodíkem v šachtové peci.
Závěr
Vlastnosti a použití železa jsou různé. To je možná nejdůležitější kov v našich životech. Poté, co se stal známým lidstvu, nahradil bronz, který byl v té době hlavním materiálem pro výrobu všech nástrojů a zbraní. Ocel a litina jsou v mnoha ohledech lepší než slitina mědi a cínu, pokud jde o jejich fyzikální vlastnosti, odolnost vůči mechanickému namáhání.
Železo je navíc na naší planetě běžnější než mnoho jiných kovů. Jeho hmotnostní zlomek v zemské kůře je téměř pět procent. Je to čtvrtý nejrozšířenější chemický prvek v přírodě. Tento chemický prvek je také velmi důležitý pro normální fungování organismu zvířat a rostlin, především proto, že na jeho základě je postaven hemoglobin. Železo je základní mikroživinakterý je důležitý pro udržení zdraví a normální funkci orgánů. Kromě výše uvedeného je to jediný kov, který má jedinečné magnetické vlastnosti. Je nemožné si představit náš život bez železa.
