Żelazo (Fe): pierwiastek, właściwości i zastosowania

Właściwości fizyczne

Żelazo jest szarym, srebrzystym metalem. Jest magnetyczne, choć różne alotropy żelaza mają różne właściwości magnetyczne. Żelazo jest łatwe do znalezienia, wydobycia i wytopienia, dlatego jest tak użyteczne. Czyste żelazo jest miękkie i bardzo plastyczne.

Właściwości chemiczne

Żelazo jest reaktywne. Reaguje z większością kwasów, takich jak kwas siarkowy. W reakcji z kwasem siarkowym tworzy siarczan żelazawy. Ta reakcja z kwasem siarkowym jest używana do czyszczenia metalu.

Żelazo reaguje z powietrzem i wodą, tworząc rdzę. Kiedy rdza się złuszcza, odsłania się więcej żelaza, co pozwala na rdzewienie kolejnych elementów. W końcu cały kawałek żelaza zostaje zardzewiały. Inne metale, takie jak aluminium, nie rdzewieją. Żelazo może być stopione z chromem w celu uzyskania stali nierdzewnej, która nie rdzewieje w większości warunków.

Proszek żelaza może reagować z siarką, tworząc siarczek żelaza(II), twarde czarne ciało stałe. Żelazo reaguje również z fluorowcami, tworząc halogenki żelaza(III), takie jak chlorek żelaza(III). Żelazo reaguje z kwasami wodorowymi, tworząc halogenki żelaza(II), takie jak chlorek żelaza(II).

Związki chemiczne

Żelazo tworzy związki chemiczne z innymi pierwiastkami. Zazwyczaj inny pierwiastek utlenia żelazo. Czasami pobierane są dwa elektrony, a czasami trzy. Związki, w których żelazo ma zabrane dwa elektrony nazywane są związkami żelaza. Związki, w których żelazo ma trzy elektrony są nazywane związkami żelaza. Związki żelaza mają żelazo w +2 stanie utlenienia. Związki żelazne mają żelazo w jego +3 stanie utlenienia. Związki żelaza mogą być czarne, brązowe, żółte, zielone lub fioletowe.

Związki żelaza są słabymi reduktorami. Wiele z nich ma kolor zielony lub niebieski. Najbardziej rozpowszechnionym związkiem żelaza jest siarczan żelaza.

Związki żelaza są utleniaczami. Wiele z nich ma kolor brązowy. Najbardziej powszechnym związkiem żelaza jest tlenek żelaza, to samo co rdza. Jednym z powodów, dla których żelazo rdzewieje, jest fakt, że tlenek żelaza jest utleniaczem. Utlenia on żelazo, rdzewiejąc nawet pod farbą. Dlatego jeśli na lakierze jest małe zadrapanie, cała rzecz może zardzewieć.

Związki żelaza(II)

Związki w stanie utlenienia +2 są słabymi reduktorami. Zwykle mają jasną barwę. Reagują z tlenem w powietrzu. Są one również znane jako związki żelaza.

• Siarczek żelaza(II), lśniąca substancja chemiczna, która reaguje z kwasami uwalniając siarkowodór, występująca w ziemi
• Siarczan żelaza(II), niebiesko-zielona, krystaliczna substancja chemiczna wytwarzana w reakcji kwasu siarkowego ze stalą, stosowana do redukcji trucizn, takich jak chromian w betonie.
• Chlorek żelaza(II), jasnozielona, krystaliczna substancja chemiczna otrzymywana w reakcji kwasu solnego ze stalą
• Wodorotlenek żelaza(II), ciemnozielony proszek otrzymywany w procesie elektrolizy wody z anodą żelazną, reaguje z tlenem i zmienia kolor na brązowy.
• Tlenek żelaza(II), czarny, palny, rzadki

Mieszany stan utlenienia

Związki te są rzadkie; tylko jeden z nich występuje powszechnie. Znajdują się w ziemi.

• Tlenek żelaza(II,III), czarny minerał, używany jako ruda żelaza, zawiera żelazo w stanie utlenienia +2 i +3.

Związki żelaza(III)

Związki w stanie utlenienia +3 są zwykle brązowe. Są one utleniaczami. Są żrące. Są one również znane jako związki żelaza.

• Tlenek żelaza(III), rdza, czerwonobrązowy, rozpuszcza się w kwasie
• Chlorekżelaza(III), trujący i żrący, rozpuszcza się w wodzie tworząc ciemnobrązowy, kwaśny roztwór. Powstaje w wyniku reakcji żelaza z kwasem solnym i utleniaczem.
• Azotan żelaza(III), jasnofioletowy, żrący, używany do wytrawiania
• Siarczan żelaza(III), rzadki, jasnobrązowy, rozpuszcza się w wodzie. Powstaje w wyniku reakcji żelaza z kwasem siarkowym i utleniaczem.

We wszechświecie jest dużo żelaza, ponieważ jest ono punktem końcowym reakcji jądrowych zachodzących w dużych gwiazdach. Jest to ostatni pierwiastek, który jest produkowany zanim gwałtowne zapadnięcie się supernowej rozrzuci żelazo w przestrzeń kosmiczną.

Metal ten jest głównym składnikiem jądra Ziemi. Przy powierzchni występuje w postaci związków żelaza lub żelaza. Niektóre meteoryty zawierają żelazo w postaci rzadkich minerałów. Normalnie żelazo występuje w ziemi w postaci rudy hematytu, której znaczna część powstała podczas Wielkiego Wydarzenia Tlenowego. Żelazo może być wydobywane z rudy w wielkim piecu. Niektóre rodzaje żelaza występują jako magnetyt.

W mięsie znajdują się związki żelaza. Żelazo jest niezbędnym składnikiem hemoglobiny w czerwonych krwinkach.

Żelazo wytwarzane jest w dużych fabrykach zwanych hutami żelaza poprzez redukcję hematytu węglem (koksem). Odbywa się to w dużych zbiornikach zwanych wielkimi piecami. Wielki piec wypełniony jest rudą żelaza, koksem i wapieniem. Do środka wdmuchiwany jest bardzo gorący podmuch powietrza, który powoduje spalanie koksu. Ekstremalne ciepło sprawia, że węgiel reaguje z rudą żelaza, zabierając tlen z tlenków żelaza i wytwarzając dwutlenek węgla. Dwutlenek węgla jest gazem i opuszcza mieszankę. Wraz z żelazem znajduje się tam trochę piasku. Wapień, który jest wykonany z węglanu wapnia, zamienia się w tlenek wapnia i dwutlenek węgla, gdy wapień jest bardzo gorący. Tlenek wapnia reaguje z piaskiem, tworząc ciecz zwaną żużlem. Żużel jest odsączany, pozostawiając jedynie żelazo. W wyniku reakcji w wielkim piecu pozostaje czyste, płynne żelazo, które po schłodzeniu może być kształtowane i utwardzane. Prawie wszystkie huty żelaza są dziś częścią stalowni, a prawie całe żelazo jest przerabiane na stal.

Istnieje wiele sposobów na obróbkę żelaza. Żelazo można utwardzić poprzez podgrzanie kawałka metalu i wlanie go do zimnej wody. Można je zmiękczyć, podgrzewając je i pozwalając mu powoli ostygnąć. Można je również tłoczyć za pomocą ciężkiej prasy. Może być ciągnięty w druty. Można ją walcować, aby uzyskać blachę.

W Stanach Zjednoczonych duża część żelaza była wydobywana z ziemi w Minnesocie, a następnie wysyłana statkami do Indiany i Michigan, gdzie wytwarzano z niego stal.

Jako metal

Żelazo jest używane częściej niż jakikolwiek inny metal. Jest mocne i tanie. Używa się go do produkcji budynków, mostów, gwoździ, śrub, rur, dźwigarów i wież.

Żelazo nie jest bardzo reaktywne, więc jego wydobycie z rud jest zarówno łatwe, jak i tanie. Jest bardzo wytrzymałe po przerobieniu na stal i jest używane do wzmacniania betonu.

Istnieją różne rodzaje żelaza. Żeliwo to żelazo wykonane w sposób opisany powyżej w artykule. Jest ono twarde i kruche. Używa się go do produkcji takich rzeczy jak pokrywy kanałów burzowych, pokrywy studzienek kanalizacyjnych i bloki silników (główna część silnika).

Stal jest najbardziej rozpowszechnioną formą żelaza. Stale występują w kilku formach. Stal miękka to stal o niskiej zawartości procentowej węgla. Jest miękka i łatwo się zgina, ale nie pęka łatwo. Stosuje się ją do produkcji gwoździ i drutów. Stal węglowa jest twardsza, ale bardziej krucha. Stosuje się ją w narzędziach.

Istnieją również inne rodzaje stali. Stal nierdzewna ze względu na zawartość chromu jest odporna na rdzę, a stopy niklu z żelazem mogą zachować wytrzymałość w wysokich temperaturach. Inne rodzaje stali mogą być bardzo twarde, w zależności od dodanych stopów.

Kute żelazo można łatwo kształtować i wykorzystywać do produkcji ogrodzeń i łańcuchów.

Bardzo czyste żelazo jest miękkie i łatwo rdzewieje (utlenia się). Jest również dość reaktywne.

Jako związki

Związki żelaza są używane do wielu rzeczy. Chlorek żelaza(II) jest używany do oczyszczania wody. Chlorek żelaza(III) jest również używany. Siarczan(VI) żelaza(II) jest używany do redukcji chromianów w cemencie. Niektóre związki żelaza są używane w witaminach.

Niedobór żelaza jest najczęstszym niedoborem żywieniowym na świecie.

Nasze ciała potrzebują żelaza, aby pomóc tlenowi dotrzeć do mięśni, ponieważ jest ono sercem niektórych istotnych makrocząsteczek w naszym ciele, takich jak hemoglobina, które powodują, że działa ono lepiej. Wiele płatków śniadaniowych zawiera dodatek żelaza (pierwiastek metaliczny - żelazo). Jest ono dodawane do płatków śniadaniowych w postaci drobnych opiłków metalu. Można je czasem nawet zobaczyć, przykładając do pudełka bardzo silny magnes. Magnes przyciągnie te kawałki żelaza. Zjedzenie tych drobnych wiórków nie jest szkodliwe dla naszego organizmu.

Żelazo jest najbardziej dostępne dla organizmu, gdy jest dodane do aminokwasów - żelazo w tej formie jest dziesięć do piętnastu razy bardziej strawne niż jako pierwiastek. Żelazo znajduje się również w mięsie, na przykład w steku. Żelazo dostarczane przez suplementy diety jest w postaci związku chemicznego, takiego jak siarczan żelaza(II), który jest tani i dobrze się wchłania. Organizm nie będzie pobierał więcej żelaza niż potrzebuje, a zazwyczaj potrzebuje go bardzo mało. Żelazo w czerwonych krwinkach jest odzyskiwane przez system, który rozbija stare komórki. Utrata krwi w wyniku urazu lub infekcji pasożytniczej może być bardziej poważna.

Żelazo jest toksyczne, gdy przyjmuje się jego duże ilości do organizmu. Jeśli zażywa się zbyt wiele tabletek z żelazem, ludzie (zwłaszcza dzieci) chorują. Istnieje również zaburzenie genetyczne, które uszkadza regulację poziomu żelaza w organizmie.

Istnieją substancje chemiczne wiążące się z żelazem, które lekarze mogą przepisać.

• Alotrofy żelaza
• Związki żelaza
• Epoka żelaza