železo
Železo (lat. Ferrum) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Fe a protónové číslo 26. Železo je pomerne mäkký, striebrosivý kov. Patrí medzi prechodné prvky. Chemicky je pomerne reaktívne, reaguje s kyselinami za uvoľňovania vodíka. Pôsobením vzdušnej vlhkosti a kyslíka sa oxiduje za vzniku zmesi hydratovaných oxidov a hydroxidov železa, nazývaných hrdza. Tento proces je veľký problém pre priemysel, nakoľko železo je jeden z najpoužívanejších kovov. Ako ochrana sa používajú rôzne nátery, pasivácia pôsobením kyseliny fosforečnej (vznik pevnej vrstvičky fosforečnanov), pokovovanie, atď.
Zlúčeniny
Najbežnejší oxidačný stupeň zlúčenín železa je +2 a +3. Zo zlúčenín sú to najmä oxid železnatý (FeO), oxid železitý (Fe2O3), a podvojný oxid železnato-železitý (Fe3O4). Používajú sa najmä na výrobu čistého železa.
Železo ako prechodný prvok tvorí množstvo komplexov, v nich vystupuje najčastejšie v koordinačných číslach 4 a 6. Komplexy železa sú pomerne stabilné. Z najznámejších uvedieme hexakyanoželeznatan draselný (žltá krvná soľ) K4[Fe (CN)6], hexakyanoželezitan draselný (červená krvná soľ) K3[Fe (CN)6] – používané v analytickej chémii, a pentakarbonyl železa Fe (CO)5, používaný na laboratórnu prípravu čistého železa.
Ďalšie používané zlúčeniny sú síran železnatý (FeSO4), chlorid železitý (FeCl3).
Je známy aj výskyt oxidačných stupňov +4, +5, +6 (K2FeO4). Dané zlúčeniny sú veľmi silné oxidovadlá.
Výskyt
Železo je jedným z najrozšírenejších prvkov v zemskom telese (5 hm. %). Jeho distribúcia však nie je rovnomerná, smerom od povrchu k jadru jeho obsah narastá, samotné jadro je tvorené zliatinou niklu a železa v pomere ~85 % Fe: ~6 % Ni. V prírode sa železo vyskytuje v rôznych, najčastejšie mafických horninách – bazalt a mineráloch – pyroxény, amfiboly, olivín. Významné minerály železných rúd, z ktorých sa železo priemyselne vyrába sú: hematit, limonit, v magnetit, siderit[1]. Mnohé iné minerály obsahujú tiež železo, no jeho extrakcia z nich nie je rentabilná resp. energeticky veľmi náročná, napr. pyrit. Svetovo najvýznamnejšími ložiskami železných rúd sú takzvané páskované železné formácie.
Výskyt čistého železa je vzácny (niektoré náleziská v Grónsku a Švédsku). Nachádza sa aj tzv. železných meteoritoch, v podobe zliatin s niklom.
Výroba
Železo je ľudstvu známe už od staroveku (halštadská a laténska doba), jeho väčšia priemyselná produkcia sa začala až v 18. storočí. Na výrobu sa používajú už vyššie spomenuté rudy (hematit, magnetit, siderit, limonit).
Výroba je založená na redoxných reakciách s oxidom uhoľnatým, resp. uhlíkom v tzv. vysokých peciach. Do vysokej pece sa dávkujú upravené rudy, koks a vápenec, príp. oxid kremičitý. Teplota v peci je okolo 1 800 °C a prebieha tam niekoľko procesov:
- spaľovanie koksu za vzniku oxidu uhličitého, alebo uhoľnatého
- C + O2 → CO2
- 2C + O2 → 2CO
- redukcia železa oxidom uhoľnatým
- 3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2
- prípadne uhlíkom
- 3 C + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO
- vznik trosky (ochrana roztaveného železa pred spätnou oxidáciou)
CaO + SiO2 → CaSiO3
Celý proces prebieha nepretržite, do vrchnej časti sa pridáva ruda, koks, troskotvorné prísady a zo spodnej časti sa v pravidelných intervaloch odpúšťa roztavené železo (odpich železa).
Pyrit sa nepoužíva ako surovina na výrobu železa, nakoľko obsahuje síru, ktorá vytvára nežiaduce sulfidy.
Použitie
Železo je najpoužívanejší kov. Surové železo obsahuje okrem uhlíka aj rôzne prímesi, preto nemá vhodné vlastnosti na priame použitie. Jeho úpravou sa vyrábajú rôzne druhy liatin . Liatina je pomerne tvrdá, ale krehká, s malými možnosťami ďalšieho spracovania. Má však veľmi dobré lejacie vlastnosti. Preto sa používa na výrobky, kde nie je požadovaná veľká presnosť opracovania a ktoré je možné vyrobiť odlievaním (napr. poklopy, radiátory). Existujú však aj typy liatin s upravenými vlastnosťami.
Odstraňovaním uhlíka zo surového železa sa získava oceľ, ktorá je neporovnateľne lepšie spracovateľná, je kujná, ohybná. Prísadami iných kovov (mangán, chróm, vanád, wolfrám, kobalt a i.) sa upravujú rôzne mechanické vlastnosti ocele (pevnosť, tvrdosť, chemická odolnosť a mnoho ďalších). S oceľou sa stretávame v každodennom živote (doprava, priemysel, stroje, stavebníctvo).
Viac informácií o použítí železa nájdete v kategóriách Liatiny a Oceľ
Biologický význam
Železo je dôležitý biogénny prvok. Ako centrálny atóm organokovového komplexu hemu, zabudovaného do bielkoviny hemoglobín hrá dôležitú úlohu v organizme teplokrvných živočíchov pri transporte kyslíka z pľúc do buniek.
Hemoglobín je viazaný v červených krvinkách. Kyslík je na hemoglobín viazaný koordinačnou väzbou. Problém nastáva, ak sa do pľúc dostane ligand s väčšou väzbovou energiou (oxid uhoľnatý), ktorý vytlačí kyslík a dochádza k zablokovaniu jeho prenosu.
Hlavným zdrojom železa v potrave sú vnútornosti (pečeň, srdce) a mäso, ale aj strukoviny a listová zelenina.