Żelazo

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Żelazo
mangan ← żelazo → kobalt
Wygląd
srebrzystobiały
Żelazo
Widmo emisyjne żelaza
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[4]

Właściwości metaliczne

metal przejściowy

Właściwości tlenków

amfoteryczne

Masa atomowa

55,845 ± 0,002[5]

Stan skupienia

stały

Gęstość

7874 kg/m³[1]

Temperatura topnienia

1538 °C[1]

Temperatura wrzenia

2861 °C[1]

Numer CAS

7439-89-6

PubChem

23925

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 żelazo 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.

Właściwości chemiczne i fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Czyste żelazo jest lśniącym, srebrzystym, dość twardym i stosunkowo trudnotopliwym metalem, który ulega pasywacji[7][8]. 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).

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.

Odmiany alotropowe[edytuj | edytuj kod]

W literaturze żelazu przypisuje się różną liczbę odmian alotropowych.

Dwie odmiany alotropowe[9]:

  • 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[10]:

  • 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[edytuj | edytuj kod]

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 (stale stopowe) 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.

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

Występowanie w skorupie ziemskiej[edytuj | edytuj kod]

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.:

Wydobycie[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Rudy żelaza na Ziemi.

Podstawowym źródłem produkcji żelaza są rudy żelaza, choć coraz większe znaczenie ma żelazo pozyskiwane z recyklingu[11]. W wydobyciu rud żelaza w 2017 roku, wynoszącym ogółem ok. 2,4 mld ton, przodowały: Australia (880 mln ton), Brazylia (440 mln ton), Chiny (ok. 340 mln ton), Indie (190 mln ton) i Rosja (100 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[12]

 Osobny artykuł: Rudy żelaza w Polsce.
Państwa wydobywające najwięcej rud żelaza (2017)
(w milionach ton)[13]
1  Australia 880
2  Brazylia 440
3  Chiny 340
4  Indie 190
5  Rosja 100
6  Południowa Afryka 68
7  Ukraina 63
8  Kanada 47
9  Stany Zjednoczone 46
10  Iran 35
Łącznie na świecie 2,4 mld ton


Znaczenie biologiczne żelaza[edytuj | edytuj kod]

Żelazo odgrywa ważną rolę w biologii. Mimo znacznego rozpowszechnienia na Ziemi, żelazo należy do mikroelementów – występuje w niewielkich ilościach w składzie organizmów, jest jednak pierwiastkiem niezbędnym do życia dla prawie wszystkich organizmów żywych – drobnoustrojów, roślin i zwierząt, w tym człowieka[14].

Jest metalem występującym w wielu ważnych enzymach redoks, odpowiadających za oddychanie komórkowe, utlenianie i redukcję u roślin i zwierząt. w tym też w centrach aktywnych licznych enzymów takich jak: katalaza, peroksydazy oraz cytochromy. Znajduje się też w grupach prostetycznych wielu innych ważnych białek należących do (metaloprotein): hemoglobinie, mioglobinie, będących typowymi białkami wykorzystywanymi do transportu i przechowywania tlenu cząsteczkowego u kręgowców.

Niedobór[edytuj | edytuj kod]

Niekiedy podaż żelaza może nie pokrywać zapotrzebowania organizmu na ten pierwiastek, dzieje się tak rownież W stanach zwiększonego zapotrzebowania, zaburzeń wchłaniania lub zwiększonej utraty żelaza. Po pewnym czasie prowadzi to do jego niedoboru i związanych z nim objawami chorobowymi.

U kręgowców jest to głównie niedokrwistość z niedoboru żelaza. Niedobór u ludzi spotyka się według danych WHO aż u 30% światowej populacji może spełniać kryteria niedokrwistości. W krajach rozwijających się ten problem dotyczy co drugiej kobiety w ciąży i blisko 40% dzieci w wieku przedszkolnym[15].

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

Nadmiar[edytuj | edytuj kod]

Czasem mimo istniejących mechanizmów regulacyjnych organizmu, może dojść do stanów przeciążenia żelazem. Najważniejszym schorzeniem związanym z nadmiarem żelaza w organizmie są hemochromatoza dziedziczna i hemosyderoza. Duże ilości soli żelaza(II) są toksyczne. Związki żelaza(III–VI) są nieszkodliwe, ponieważ się nie wchłaniają.

Metabolizm żelaza w organizmie ludzkim[edytuj | edytuj kod]

W organizmie ludzkim żelazo występuje w hemoglobinie, tkankach, mięśniach, szpiku kostnym, białkach krwi, enzymach, ferrytynie, hemosyderynie oraz w osoczu[16]. Przeciętny mężczyzna ma w organizmie 4 gramy żelaza, a kobieta około 3,5 grama.

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. Prawidłowe stężenie żelaza w surowicy krwi[17]:* 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

Magazynowane jest w wątrobie również w postaci ferrytyny.

Zapotrzebowanie i podaż w diecie[edytuj | edytuj kod]

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[18]. 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[19]. Źródła żelaza w diecie człowieka to: mięso (w tym mięso ryb), wątroba, żółtko jaj, twaróg, orzechy, mleko, warzywa strączkowe, brokuły, krewetki[potrzebny przypis]. Szpinak, wbrew obiegowym opiniom, zawiera umiarkowane ilości żelaza[20] na dodatek w formie słabo przyswajalnej przez człowieka[21].

Suplementację preparatami żelaza powinno się stosować 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.[22]. 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[23].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. a b c CRC Handbook of Chemistry and Physics, David R. Lide (red.), wyd. 83, Boca Raton: CRC Press, 2002, ISBN 978-0-8493-1556-5 (ang.).
  2. Iron (nr 12310) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Polski. [dostęp 2011-10-05]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
  3. Iron (nr 12310) (ang.) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-10-05]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
  4. Adam Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, wyd. 5, t. 1–2, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2006, s. 918, ISBN 83-01-13817-3.
  5. Thomas Prohaska i inni, Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 94 (5), 2021, s. 573–600, DOI10.1515/pac-2019-0603 (ang.).
  6. Thermal and physical properties of pure metals, [w:] CRC Handbook of Chemistry and Physics, David R. Lide (red.), wyd. 88, Boca Raton: CRC Press, 2007, s. 12-196, ISBN 978-0-8493-0488-0 (ang.).
  7. Pasywacja, Agencja Promocyjna METALE [dostęp 2014-08-30].
  8. Barbara Surowska: Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozją. Lublin: Politechnika Lubelska, 2002, s. 18.
  9. Leszek A. Dobrzański: Metaloznawstwo opisowe stopów żelaza, wyd. I, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007, s. 13–15.
  10. Włodzimierz Trzebiatowski: Chemia nieorganiczna. Wyd. VIII. Warszawa: PWN, 1978, s. 566–567.
  11. Craig J.R., Vaughan D.J., Skinner B.J., 2003: Zasoby Ziemi. PWN, s. 240, 255, 256, 260. ISBN 83-01-14035-6.
  12. Państwowy Instytut Geologiczny, Rudy żelaza, tytanu i wanadu.
  13. Iron Ore Statistics and Information, minerals.usgs.gov [dostęp 2020-07-09] (ang.).
  14. Sheftel AD, Mason AB, Ponka P. The long history of iron in the Universe and in health and disease. Biochim Biophys Acta 2012; 1820: 161-187.
  15. WHO | Micronutrient deficiencies, WHO [dostęp 2020-09-12].
  16. How Much Iron is in the body, Iron Disorders Institute.
  17. „Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej” pod red. Władysława Z. Traczyka i Andrzeja Trzebskiego; Wyd. III zmienione i uzupełnione.
  18. Interna Szczeklika. Podręcznik chorób wewnętrznych. Kraków: Medycyna Praktyczna, 2012, s. ?. ISBN 978-83-7430-336-1.
  19. Requirements of Vitamin A, Iron, Folate, and Vitamin B12. Report of a Joint FAO/WHO Expert Consultation. FAO, 1988, s. 33–50. ISBN 978-92-5-102625-0.
  20. Matthew Biggs, Jekka McVicar, Bob Flowerdew: Wielka księga warzyw, ziół i owoców. Warszawa: Dom Wydawniczy Bellona, 2007, s. 174–175. ISBN 83-11-10578-2.
  21. 28.2.1. W: Edward Bańkowski: Biochemia. Podręcznik dla studentów uczelni medycznych. Wyd. II. Elsevier Urban & Partner, 2009, s. 406.
  22. WHO | Micronutrient deficiencies, WHO [dostęp 2020-09-12].
  23. Klaus W. Lange i inni, The Role of Nutritional Supplements in the Treatment of ADHD: What the Evidence Says, „Current Psychiatry Reports”, 19 (8), 2017, DOI10.1007/s11920-017-0762-1.