Żelazo

Żelazo

mangan← żelazo →kobalt
– ↑ Fe ↓ ruten 26 Fe
Wygląd
srebrzystobiały
Widmo emisyjneżelaza
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
Właściwościtlenków	amfoteryczne
Masa atomowa	55,845 ± 0,002
Stan skupienia	stały
Gęstość	7874kg/m³
Temperatura topnienia	1538 °C
Temperatura wrzenia	2861 °C
Numer CAS	7439-89-6
PubChem	23925
Właściwości atomowe Promień •atomowy •walencyjny 140 (obl. 156)pm 125 pm Konfiguracja elektronowa [Ar]3d64s2 Zapełnieniepowłok 2, 8, 14, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • wskali Paulinga • wskali 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 349,6kJ/mol Ciepło topnienia 13,8 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 7,05Pa(1808 K) Konduktywność 9,93×106S/m Ciepło właściwe 449J/(kg·K) Przewodność cieplna 80,2W/(m·K) Układ krystalograficzny regularny przestrzennie centrowany (temp. pokojowa) Twardość • wskali Mohsa 4 Prędkość dźwięku 4910 m/s (293,15 K) Objętość molowa 7,09×10−6m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r.MeV p.r. 54Fe 5,8% stabilny izotop z 28neutronami 55Fe {syn.} 2,73roku w.e. 0,231 55Mn 56Fe 91,72% stabilny izotop z 30neutronami 57Fe 2,2% stabilny izotop z 31neutronami 58Fe 0,28% stabilny izotop z 32neutronami 59Fe {syn.} 44,503dnia β− 1,565 59Co 60Fe {syn.} 2,62×106lat β− 3,978 60Co
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki:dane zewnętrznefirmy Sigma-Aldrich [dostęp 2011-10-05] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według kryteriów GHS. 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 chemicznyoliczbie atomowej26,metalzVIII grupy pobocznejukładu okresowego,należący dogrupy metali przejściowych.

Pod względem masy żelazo jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym naZiemi.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 procesiefuzji jądrowejwgwiazdacho dużej masie, w której żelazo jest ostatnim pierwiastkiem, wytworzenie którego wiąże się z uwolnieniem energii. Pierwiastki o większej liczbie atomowej powstają w wyniku gwałtownego wybuchusupernowej,która rozrzuca w przestrzeńradionuklidy,będące także prekursorem stabilnego żelaza.

Właściwości chemiczne i fizyczne

Czyste żelazo jest lśniącym, srebrzystym, dość twardym i stosunkowo trudnotopliwym metalem, który ulegapasywacji.Domieszka krzemu bądź węgla, związana z procesem otrzymywania metalu z rud żelaza, zwiększa głębokość i szybkośćkorozji.Od wieków jest stosowane w formiestopów z węglem,czyliżeliwaistali,orazstopówzmanganem,chromem,molibdenem,wanademi wieloma innymi (są to tzw.stale stopowe).

Podobnie jak inne pierwiastki chemiczne VIII grupy –ruteniosm– żelazo występuje w szerokim zakresiestopni utlenienia,od −II do VI, z których najpowszechniejsze są II i III stopień. Ma 25izotopówz przedziału mas 45–69. Trwałe są izotopy 54, 56, 57 i 58, z czego najwięcej jest izotopu 56 (92%). Żelazo w stanie wolnym występuje wmeteroidachoraz środowiskach o małej zawartościtlenu,gdyż reaguje zwodąi tlenem. Powierzchnia czystego żelaza jest lśniąca i srebrzystobiała, leczutleniasię na wolnym powietrzu, tworząc uwodnione tlenki żelaza, potocznie nazywanerdzą.W przeciwieństwie do metali tworzących na swojej powierzchnipowłokę pasywną,tlenki żelaza zajmują większą objętość niż metal, w wyniku czego łuszczą się, odsłaniając kolejne dla czynników korozyjnych warstwy nieskorodowanej jeszcze powierzchni.

Odmiany alotropowe

W literaturze żelazu przypisuje się różną liczbęodmian alotropowych.

Dwie odmiany alotropowe:

• żelazo α występujące w dwóch odmianach:
  • niskotemperaturowej α – trwałej do temperatury 912 °C;sieć krystaliczna:układ regularnyprzestrzennie centrowany (bcc) typu A2 (komórka elementarna2,86Å); do temperatury 768 °C jestferromagnetykiem,powyżej zaś jestparamagnetykiem;
  • wysokotemperaturowej α(δ), odpowiadającejżelazu δponiżej – trwałej od 1394 °C do 1538 °C; sieć krystaliczna: układ regularny przestrzennie centrowanybcctypu 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 dotemperatury 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:bcctypu 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:bcctypu A2 (2,93 Å).

Zastosowanie związków żelaza

Żelazo wykorzystywane jest odczasów prehistorycznych.Wyparło stosowane wcześniejstopymiedzimające 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 przezwęgiel.Odpowiednia mieszanina żelaza z węglem, w ilości od 0,002% do 2,1% węgla nazywana jeststalą,która charakteryzuje się nawet 1000 razy większą twardością niż czyste żelazo. Surowe stopy żelaza z węglem wytwarzane są wwielkich piecach,w których ze wsadu składającego się zrudy żelazaz dodatkiemkoksuitopnikówwytapia sięsurówkęo 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 sproszkowanegoglinu,nazywanejtermitem,stosowana jest przyspawaniui oczyszczaniu rud. Pierwiastek ten tworzy również związki dwuskładnikowe zhalogenamiitlenowcami.

Oprócz minerałów duże znaczenie technologiczne mająkarbonylkowekompleksy żelaza, które otrzymuje się z chlorków żelaza i które sąkatalizatoramilicznych reakcji organicznych. Zielonychlorek żelaza(II)o kwaskowym smaku jest podawany przyniedokrwistości.

Występowanie w skorupie ziemskiej

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

Żelazo występuje wminerałachtakich jak np.:

• czerwonyhematyt(Fe₂O₃);
• czarnymagnetyt(Fe₃O₄);
• syderyt(FeCO₃);
• limonit(Fe₂O₃·nH₂O), m.in. w formierudy darniowej;
• goethyt(FeO(OH));
• piryt(FeS₂);
• arsenopiryt(FeAsS);
• żelazo rodzime(Fe).

Wydobycie

Podstawowym źródłem produkcji żelaza sąrudy żelaza,choć coraz większe znaczenie ma żelazo pozyskiwane zrecyklingu.W wydobyciurudżelaza 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) iRosja(100 mln ton).

WPolscezasobów żelaza w okolicachSuwałknie wydobywa się w związku z groźbą zaistnienia katastrofy ekologicznej oraz z uwagi na głębokie położenie złóż.

	Państwa wydobywające najwięcej rud żelaza (2017) (w milionach ton)
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

Żelazo odgrywa ważną rolę w biologii. Mimo znacznego rozpowszechnienia na Ziemi, żelazo należy domikroelementów– 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.

Jest metalem występującym w wielu ważnychenzymachredoks, odpowiadających zaoddychanie komórkowe,utlenianie i redukcjęu roślin i zwierząt. W tym też w centrach aktywnych licznychenzymówtakich jak:katalaza,peroksydazyorazcytochromy.Znajduje się też w grupach prostetycznych wielu innych ważnychbiałeknależących dometaloprotein:hemoglobinie,mioglobinie,będących typowymi białkami wykorzystywanymi do transportu i przechowywania tlenu cząsteczkowego u kręgowców.

Niedobór

Niekiedy podaż żelaza może nie pokrywać zapotrzebowania organizmu na ten pierwiastek, dzieje się tak m.in. w stanach zwiększonego zapotrzebowania, zaburzeń wchłaniania lub zwiększonej utraty żelaza. Po pewnym czasie prowadzi to do jego niedoboru i związanych z nim objawów chorobowych.

U kręgowców jest to głównieniedokrwistośćz niedoboru żelaza. Według danychWHOaż 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.

Niedobór żelaza u roślin powoduje zakłócenia przebiegu fotosyntezy ichlorozęmłodych liści.

Nadmiar

Czasem mimo istniejących mechanizmów regulacyjnych organizmu, może dojść do stanów przeciążenia żelazem. Najważniejszymi schorzeniami związanymi z nadmiarem żelaza w organizmie sąhemochromatoza dziedzicznaihemosyderoza.Duże ilości soli żelaza(II) są toksyczne. Związki żelaza(III–VI) są nieszkodliwe, ponieważ się nie wchłaniają.

Metabolizm żelaza w organizmie ludzkim

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

Żelazo wchłania się wdwunastnicyijelicie cienkimw postaci Fe²⁺.Po wchłonięciu wiązane jest przezapoferrytynęwbłonie śluzowejprzewodu pokarmowego.Powstajeferrytyna,a żelazo znajduje się wtedy na III stopniu utlenienia. We krwi transportowane jest przeztransferrynę.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

Magazynowane jest wwątrobierównież w postaci ferrytyny.

Zapotrzebowanie i podaż w diecie

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.Źródła żelaza w diecie człowieka to:mięso(w tym mięsoryb),wątroba,żółtko jaj,twaróg,orzechy,mleko,warzywa strączkowe,brokuły,krewetki.Szpinak,wbrew obiegowym opiniom, zawiera umiarkowane ilości żelazana dodatek w formie słabo przyswajalnej przez człowieka.

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 obfitychmenstruacjach,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 zADHDmających niedobory tego pierwiastka. Rola suplementacji żelaza w tej chorobie nie jest jednak potwierdzona i wymaga dalszych badań.

Zobacz też

• żelazokrzem
• epoka żelaza
• Atomium