Żelazo

Żelazo

mangan ← żelazo → kobalt
– ↑ Fe ↓ ruten 26 Fe
Wygląd
srebrzystobiały
Widmo emisyjne żelaza
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	żelazo, Fe, 26 (łac. ferrum)
Grupa, okres, blok	8, 4, d
Stopień utlenienia	−II, −I, 0, I, II, III, IV, V, VI
Właściwości metaliczne	metal przejściowy
Właściwości tlenków	amfoteryczne
Masa atomowa	55,845(2) u
Stan skupienia	stały
Gęstość	7874 kg/m³
Temperatura topnienia	1538 °C
Temperatura wrzenia	2861 °C
Numer CAS	7439-89-6
PubChem	{{{nazwa}}}, [w:] PubChem, United States National Library of Medicine, CID:  (ang.).{{PubChem}} Brakujące pola: cid oraz nazwa. Nieznane pola: 1.
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny 140 (obl. 156) pm 125 pm Konfiguracja elektronowa [Ar]3d64s2 Zapełnienie powłok 2, 8, 14, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,83 1,64 Potencjały jonizacyjne I 762,5 kJ/mol II 1561,9 kJ/mol III 2957 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 349,6 kJ/mol Ciepło topnienia 13,8 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 7,05 Pa (1808 K) Konduktywność 9,93×106 S/m Ciepło właściwe 449 J/(kg·K) Przewodność cieplna 80,2 W/(m·K) Układ krystalograficzny regularny przestrzennie centrowany (temp. pokojowa) Twardość • w skali Mohsa 4 Prędkość dźwięku 4910 m/s (293,15 K) Objętość molowa 7,09×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 54Fe 5,8% stabilny izotop z 28 neutronami 55Fe {syn.} 2,73 roku w.e. 0,231 55Mn 56Fe 91,72% stabilny izotop z 30 neutronami 57Fe 2,2% stabilny izotop z 31 neutronami 58Fe 0,28% stabilny izotop z 32 neutronami 59Fe {syn.} 44,503 dnia β− 1,565 59Co 60Fe {syn.} 2,62×106 lat β− 3,978 60Co
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według kryteriów GHS (na podstawie podanej karty charakterystyki). Europejskie oznakowanie substancji oznakowanie ma znaczenie wyłącznie historyczne Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według europejskich kryteriów (na podstawie podanej karty charakterystyki). NFPA 704 Na podstawie podanego źródła 0 0 0
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Żelazo (Fe, łac. ferrum) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 26, metal z VIII grupy pobocznej układu okresowego, należący do grupy metali przejściowych. Pod względem masy, jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym na Ziemi. Stanowi większość składu jej jądra zewnętrznego i wewnętrznego. Jest także czwartym najbardziej powszechnym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Dostatek tego pierwiastka w strukturze planet skalistych podobnych do Ziemi wiąże się z obfitą jego produkcją w procesie fuzji jądrowej w gwiazdach o dużej masie, w której żelazo jest ostatnim pierwiastkiem, wytworzenie którego wiąże się z uwolnieniem energii. Pierwiastki o większej liczbie atomowej powstają w wyniku gwałtownego wybuchu supernowej, która rozrzuca w przestrzeń radionuklidy, będące także prekursorem stabilnego żelaza.

Podobnie jak inne pierwiastki chemiczne VIII grupy – ruten i osm – żelazo występuje w szerokim zakresie stopni utlenienia, od −II do VI, z których najpowszechniejszy jest II i III stopień. Ma 25 izotopów z przedziału mas 45–69. Trwałe są izotopy 54, 56, 57 i 58, z czego najwięcej jest izotopu 56 (92%). Żelazo w stanie wolnym występuje w meteroidach oraz środowiskach o małej zawartości tlenu, gdyż reaguje z wodą i tlenem. Powierzchnia czystego żelaza jest lśniąca i srebrzystobiała, lecz utlenia się na wolnym powietrzu, tworząc uwodnione tlenki żelaza, potocznie nazywane rdzą. W przeciwieństwie do metali tworzących na swojej powierzchni powłokę pasywną, tlenki żelaza zajmują większą objętość niż metal, w wyniku czego łuszczą się, odsłaniając kolejne dla czynników korozyjnych warstwy nieskorodowanej jeszcze powierzchni.

Żelazo wykorzystywane jest od czasów prehistorycznych. Wyparło stosowane wcześniej stopy miedzi mające niższe temperatury topnienia. W czystej postaci żelazo jest stosunkowo miękkie, aczkolwiek nie jest możliwe otrzymanie takiej jego formy na drodze wytapiania, gdzie otrzymuje się żelazo znacznie twardsze i wzmocnione przez zanieczyszczenia, a w szczególności przez węgiel. Odpowiednia mieszanina żelaza z węglem, w ilości od 0,002% do 2,1% węgla nazywana jest stalą, która charakteryzuje się nawet 1000 razy większą twardością niż czyste żelazo. Surowe stopy żelaza z węglem wytwarzane są w wielkich piecach, w których ze wsadu składającego się z rudy żelaza z dodatkiem koksu i topników wytapia się surówkę o wysokiej zawartości węgla. W kolejnych etapach produkcji, przy użyciu tlenu zmniejsza się zawartość węgla w surówce do odpowiedniej wartości, aby otrzymać stal. Z uwagi na szereg korzystnych właściwości, a także dostatek złóż rudy żelaza na świecie, stale oraz stopy żelaza utworzone z innymi metalami (stalami stopowymi) są najbardziej powszechnymi metalami przemysłowymi.

Związki chemiczne żelaza mają wiele zastosowań. Reakcja spalania mieszaniny tlenku żelaza i sproszkowanego glinu, nazywanej termitem, stosowana jest przy spawaniu i oczyszczaniu rud. Pierwiastek ten tworzy również związki dwuskładnikowe z halogenami i tlenowcami. Żelazo odgrywa ważną rolę w biologii, łącząc się z tlenem cząsteczkowym w hemoglobinie i mioglobinie, typowymi białkami wykorzystywanymi do transportu tlenu u kręgowców. Żelazo jest również metalem występującym w wielu ważnych enzymach redoks, odpowiadających za oddychanie komórkowe, utlenianie i redukcję u roślin i zwierząt. Przeciętny mężczyzna ma w organizmie 4 gramy żelaza, a kobieta około 3,5 grama. Żelazo występuje w organizmie ludzkim w hemoglobinie, tkankach, mięśniach, szpiku kostnym, białkach krwi, enzymach, ferrytynie, hemosyderynie oraz w osoczu.

Właściwości chemiczne i fizyczne

Czyste żelazo jest lśniącym, srebrzystym, dość twardym i stosunkowo trudnotopliwym metalem, który ulega pasywacji. Domieszka krzemu bądź węgla, związana z procesem otrzymywania metalu z rud żelaza, zwiększa głębokość i szybkość korozji. Od wieków jest stosowane w formie stopów z węglem, czyli żeliwa i stali, oraz stopów z manganem, chromem, molibdenem, wanadem i wieloma innymi (są to tzw. stale stopowe).

Odmiany alotropowe

W literaturze żelazu przypisuje się różną liczbę odmian alotropowych:

Dwie odmiany alotropowe:

• żelazo α występujące w dwóch odmianach:
  • niskotemperaturowej α – trwałej do temperatury 912 °C; sieć krystaliczna: układ regularny przestrzennie centrowany (bcc) typu A2 (komórka elementarna 2,86 Å); do temperatury 768 °C jest ferromagnetykiem, powyżej zaś jest paramagnetykiem;
  • wysokotemperaturowej α(δ), odpowiadającej żelazu δ poniżej – trwałej od 1394 °C do 1538 °C; sieć krystaliczna: układ regularny przestrzennie centrowany bcc typu A2 (2,93 Å);
• żelazo γ – trwałe w zakresie 912–1394 °C, sieć krystaliczna: układ regularny ściennie centrowany (fcc) typu A1 (3,65 Å).

Cztery odmiany alotropowe:

• żelazo α – trwałe do temperatury Curie (768 °C), ferromagnetyk, sieć krystaliczna: układ regularny wewnętrznie centrowany (bcc) typu A2 (komórka elementarna 2,86 Å);
• żelazo β – trwałe w zakresie 768–910 °C, paramagnetyk, sieć krystaliczna: bcc typu A2 (2,90 Å);
• żelazo γ – trwałe w zakresie 910–1400 °C, sieć krystaliczna: układ regularny ściennie centrowany (fcc) typu A1 (3,64 Å);
• żelazo δ – trwałe od 1400 do 1535 °C (temperatura topnienia), sieć krystaliczna: bcc typu A2 (2,93 Å).

Zastosowanie związków żelaza

Oprócz minerałów duże znaczenie technologiczne mają karbonylkowe kompleksy żelaza, które otrzymuje się z chlorków żelaza i które są katalizatorami licznych reakcji organicznych. Żółty chlorek żelaza(II) o kwaskowym smaku jest podawany przy niedokrwistości.

Występowanie w skorupie ziemskiej

Żelazo jest szeroko rozprzestrzenione w skorupie ziemskiej i jego zawartość wynosi ok. 6,2% (co stawia żelazo na 4. miejscu wśród pierwiastków i 2. miejscu wśród metali).

Żelazo występuje w minerałach takich jak np.:

• czerwony hematyt (Fe₂O₃);
• czarny magnetyt (Fe₃O₄);
• syderyt (FeCO₃);
• limonit (Fe₂O₃·nH₂O), m.in. w formie rudy darniowej;
• goethyt (FeO(OH));
• piryt (FeS₂);
• arsenopiryt (FeAsS);
• żelazo rodzime (Fe).

Wydobycie

W wydobyciu rud żelaza w 2003 roku, wynoszącym ogółem ok. 1 mld ton, przodowały: Chiny (240 mln ton), Brazylia (215 mln ton), Australia (ok. 190 mln ton), Rosja (90 mln ton) i Indie (80 mln ton).

W Polsce zasobów żelaza w okolicach Suwałk nie wydobywa się w związku z groźbą zaistnienia katastrofy ekologicznej oraz z uwagi na głębokie położenie złóż

	Państwa wydobywające najwięcej rud żelaza (2010) (w milionach ton)
1	Chiny	900
2	Australia	420
3	Brazylia	370
4	Indie	260
5	Rosja	100
6	Ukraina	72
7	Południowa Afryka	55
8	Stany Zjednoczone	49
9	Kanada	35
10	Iran	33
	Łącznie na świecie	2,4 mld ton

Znaczenie biologiczne żelaza

Żelazo jest pierwiastkiem niezbędnym do życia dla prawie wszystkich organizmów żywych – drobnoustrojów, roślin i zwierząt, w tym człowieka. Mimo znacznego rozpowszechnienia na Ziemi, żelazo należy do mikroelementów – występuje w niewielkich ilościach w składzie organizmów. Znajduje się w grupach prostetycznych wielu ważnych białek (metaloprotein): hemoglobinie, mioglobinie, w tym też w centrach aktywnych licznych enzymów takich jak: katalaza, peroksydazy oraz cytochromy. Zapotrzebowanie na żelazo u człowieka jest zmienne i zależy od wieku, płci i stanu organizmu. U osób dorosłych wynosi ono od 1 mg/dobę u mężczyzn do 2 mg u kobiet, z zastrzeżeniem, że w okresie ciąży i karmienia powinno to być ok. 3 mg/dobę.

Różnice w przyswajalności żelaza z pożywienia są bardzo duże w zależności od diety, od 1–2% dla diety wyłącznie zbożowej, do 25% dla diety mięsnej. Dla średniej, mieszanej diety przyswajalność żelaza wynosi ok. 10%, co oznacza konieczność spożywania ok. 10-krotnie większej ilości żelaza niż wynosi jego zapotrzebowanie przez organizm. Niekiedy spożycie nie zaspokaja zapotrzebowania organizmu na ten pierwiastek, co po pewnym czasie prowadzi do jego niedoboru i objawów chorobowych z nim związanych (niedokrwistość z niedoboru żelaza). Czasem mimo istniejących mechanizmów regulacyjnych organizmu, może dojść do stanów przeciążenia żelazem. Najważniejszym schorzeniem związanym z nadmiarem żelaza w organizmie jest hemochromatoza. Duże ilości soli żelaza(II) są toksyczne. Związki żelaza(III–VI) są nieszkodliwe, ponieważ się nie wchłaniają.

Prawidłowe stężenie żelaza w surowicy krwi:

• wartość średnia
  • mężczyźni 21,8 μmol/l, 120 μg/dl
  • kobiety 18,5 μmol/l, 100 μg/dl
• wartość skrajna
  • mężczyźni 17,7–35,9 μmol/l, 90–200 μg/dl
  • kobiety 11,1–30,1 μmol/l, 60–170 μg/dl

Żelazo wchłania się w dwunastnicy i jelicie cienkim w postaci Fe²⁺. Po wchłonięciu wiązane jest przez apoferrytynę w błonie śluzowej przewodu pokarmowego. Powstaje ferrytyna, a żelazo znajduje się wtedy na III stopniu utlenienia. We krwi transportowane jest przez transferrynę. Magazynowane jest w wątrobie również w postaci ferrytyny.

Niedobór spotyka się w stanach zwiększonego zapotrzebowania, zaburzeń wchłaniania lub zwiększonej utraty żelaza. W takim przypadku może wystąpić niedokrwistość. Należy wprowadzić suplementację preparatami żelaza. Powinno się stosować ją m.in. u osób po zabiegach operacyjnych z dużą utratą krwi, u osób z krwawieniami z przewodu pokarmowego, z dróg rodnych, kobiet ciężarnych, karmiących, przy obfitych menstruacjach, u wcześniaków, u dzieci po konflikcie serologicznym, u osób z zaburzeniami wchłaniania żelaza.

Część badań wskazuje, że podawanie żelaza może zmniejszać natężenie objawów u dzieci z ADHD mających niedobory tego pierwiastka. Rola suplementacji żelaza w tej chorobie nie jest jednak potwierdzona i wymaga dalszych badań.

Źródła żelaza: mięso (w tym mięso ryb), wątroba, żółtko jaj, twaróg, orzechy, mleko, warzywa strączkowe, brokuły, krewetki. Szpinak, wbrew obiegowym opiniom, zawiera umiarkowane ilości żelaza i jest ono w formie słabo przyswajalnej przez człowieka.

Znaczenie w botanice

Niedobór żelaza u roślin powoduje zakłócenia przebiegu fotosyntezy i chlorozę młodych liści.

Zobacz też

• żelazokrzem
• epoka żelaza