Železo – kemijski element: lastnosti, uporaba in zgodovina

Fizikalne lastnosti

Železo je siva, srebrna kovina. Je magnetna, čeprav imajo različni alotropi železa različne magnetne lastnosti. Železo se zlahka najde, izkoplje in pretopi, zato je tako uporabno. Čisto železo je mehko in zelo plastično.

Kemijske lastnosti

Železo je reaktivno. Reagira z večino kislin, kot je žveplova kislina. V reakciji z žveplovo kislino nastane železov sulfat. Ta reakcija z žveplovo kislino se uporablja za čiščenje kovin.

Železo reagira z zrakom in vodo, pri čemer nastane rja. Ko se rja odlušči, je na površju več železa, zato rjavi še več železa. Sčasoma zarjavi celoten kos železa. Druge kovine, kot je aluminij, ne rjavijo. Železo se lahko legira s kromom, da nastane nerjavno jeklo, ki v večini pogojev ne rjavi.

Železo v prahu lahko reagira z žveplom in nastane železov(II) sulfid, trda črna trdna snov. Železo reagira tudi s halogeni, tako da nastanejo železovi(III) halogenidi, kot je železov(III) klorid. Železo reagira s hidrohalnimi kislinami, tako da nastanejo železovi(II) halogenidi, kot je železov(II) klorid.

Kemične spojine

Železo tvori kemične spojine z drugimi elementi. Običajno drugi element oksidira železo. Včasih odvzame dva elektrona, včasih pa tri. Spojine, v katerih ima železo dva odvzeta elektrona, se imenujejo železove spojine. Spojine, v katerih ima železo tri elektrone, se imenujejo železove spojine. Železove spojine imajo železo v oksidacijskem stanju +2. Železove spojine imajo železo v oksidacijskem stanju +3. Železove spojine so lahko črne, rjave, rumene, zelene ali vijolične.

Železove spojine so šibki reducenti. Veliko jih je zelenih ali modrih. Najpogostejša železova spojina je železov sulfat.

Železove spojine so oksidanti. Veliko jih je rjave barve. Najpogostejša železova spojina je železov oksid, ki je enak rji. Eden od razlogov, zakaj železo rjavi, je, da je železov oksid oksidant. Oksidira železo in rjavi tudi pod barvo. Zato lahko ob majhni praski v barvi zarjavi celotna stvar.

Železove (II) spojine

Spojine v oksidacijskem stanju +2 so šibki reducenti. Običajno so svetle barve. Reagirajo s kisikom v zraku. Znane so tudi kot železove spojine.

• železov(II) sulfid, svetleča kemikalija, ki v reakciji s kislinami sprošča vodikov sulfid, ki ga najdemo v zemlji.
• Železov(II) sulfat, modrozelena kristalinična kemikalija, ki nastane z reakcijo žveplove kisline z jeklom in se uporablja za zmanjšanje strupov, kot je kromat v betonu.
• Železov(II) klorid, bledo zelena kristalinična kemikalija, ki nastane z reakcijo klorovodikove kisline z jeklom
• Železov(II) hidroksid, temnozelen prah, ki nastane z elektrolizo vode z železovo anodo, reagira s kisikom in postane rjav.
• Železov(II) oksid, črn, vnetljiv, redek

Mešano oksidacijsko stanje

Te spojine so redke; le ena je pogosta. Najdemo jih v zemlji.

• Železov(II,III) oksid, črn mineral, ki se uporablja kot železova ruda, vsebuje železo v oksidacijskem stanju +2 in +3.

Železove(III) spojine

Spojine v oksidacijskem stanju +3 so običajno rjave. So oksidanti. So jedke. Znane so tudi kot železove spojine.

• Železov(III) oksid, rja, rdeče-rjava barva, raztaplja se v kislini
• Železov(III) klorid, strupen in jedek, se raztopi v vodi v temno rjavo kislo raztopino. Nastane z reakcijo železa s klorovodikovo kislino in oksidacijskim sredstvom
• železov(III) nitrat, svetlo vijolične barve, jedek, uporablja se za jedkanje
• Železov(III) sulfat, redek, svetlo rjav, raztaplja se v vodi. Nastane z reakcijo železa z žveplovo kislino in oksidacijskim sredstvom.

V vesolju je veliko železa, ker je končna točka jedrskih reakcij v velikih zvezdah. To je zadnji element, ki nastane, preden se ob silovitem razpadu supernove železo razprši v vesolje.

Ta kovina je glavna sestavina Zemljinega jedra. Blizu površja jo najdemo kot železovo ali železovo spojino. Nekateri meteoriti vsebujejo železo v obliki redkih mineralov. Običajno najdemo železo v zemlji kot hematitno rudo, ki je v veliki meri nastala v času velikega oksigenacijskega dogodka. Železo lahko iz rude pridobivamo v plavžu. Nekaj železa najdemo v obliki magnetita.

V mesu so železove spojine. Železo je bistveni del hemoglobina v rdečih krvničkah.

Železo izdelujejo v velikih tovarnah, imenovanih železarne, z redukcijo hematita z ogljikom (koksom). To poteka v velikih posodah, imenovanih plavži. Visoka peč je napolnjena z železovo rudo, koksom in apnencem. V peč se vpihuje zelo vroč zrak, ki povzroči, da se koks zažge. Zaradi izjemne vročine ogljik reagira z železovo rudo, odvzame kisik iz železovih oksidov in nastane ogljikov dioksid. Ogljikov dioksid je plin in zapusti zmes. V železo je vmešanega nekaj peska. Apnenec, ki je sestavljen iz kalcijevega karbonata, se pri veliki vročini spremeni v kalcijev oksid in ogljikov dioksid. Kalcijev oksid reagira s peskom v tekočino, ki se imenuje žlindra. Žlindra se odcedi, tako da ostane le železo. Po reakciji ostane čisto tekoče železo v plavžu, kjer se po ohladitvi lahko oblikuje in strdi. Skoraj vse železarne so danes del jeklarn, iz skoraj vsega železa pa se izdeluje jeklo.

Železo je mogoče obdelati na več načinov. Železo lahko strdimo tako, da kos kovine segrejemo in ga poškropimo s hladno vodo. Zmehčamo ga lahko tako, da ga segrejemo in pustimo, da se počasi ohladi. Lahko ga tudi stisnemo z močno stiskalnico. Lahko se vleče v žice. Lahko se valja, da nastane pločevina.

V Združenih državah Amerike so večino železa vzeli iz zemlje v Minnesoti in ga nato z ladjami poslali v Indiano in Michigan, kjer so iz njega izdelali jeklo.

Kot kovina

Železo se uporablja več kot katera koli druga kovina. Je močno in poceni. Iz njega izdelujejo stavbe, mostove, žeblje, vijake, cevi, nosilce in stolpe.

Železo ni zelo reaktivno, zato ga je enostavno in poceni pridobivati iz rud. Ko je iz njega izdelano jeklo, je zelo močno in se uporablja za ojačitev betona.

Obstajajo različne vrste železa. Lito železo je železo, izdelano na način, opisan v članku zgoraj. Je trdo in krhko. Uporablja se za izdelavo stvari, kot so pokrovi za odtoke, pokrovi jaškov in bloki motorjev (glavni del motorja).

Jeklo je najpogostejša oblika železa. Jekla so na voljo v več oblikah. Blago jeklo je jeklo z nizkim odstotkom ogljika. Je mehko in se zlahka upogiba, vendar ne poči zlahka. Uporablja se za žeblje in žice. Ogljikovo jeklo je trše, vendar bolj krhko. Uporablja se v orodjih.

Obstajajo tudi druge vrste jekla. Nerjaveče jeklo je zaradi vsebnosti kroma odporno na rjo, zlitine niklja in železa pa lahko ostanejo močne pri visokih temperaturah. Druga jekla so lahko zelo trda, odvisno od dodanih zlitin.

Kovano železo se zlahka oblikuje in uporablja za izdelavo ograj in verig.

Zelo čisto železo je mehko in zlahka rjavi (oksidira). Je tudi precej reaktivno.

Kot spojine

Železove spojine se uporabljajo za več stvari. Železov(II) klorid se uporablja za čiščenje vode. Uporablja se tudi železov(III) klorid. Železov(II) sulfat se uporablja za redukcijo kromatov v cementu. Nekatere železove spojine se uporabljajo v vitaminih.

Pomanjkanje železa je najpogostejša prehranska pomanjkljivost na svetu.

Naše telo potrebuje železo, da pomaga kisiku priti do mišic, saj je osnova nekaterih bistvenih makromolekul v našem telesu, kot je hemoglobin, ki omogočajo boljše delovanje. Številna žita imajo dodano nekaj železa (kovinski element železo). Žitom je dodano v obliki drobnih kovinskih opilkov. Včasih je te drobce mogoče celo videti, če vzamemo izredno močan magnet in ga položimo v škatlo. Magnet bo te koščke železa pritegnil. Uživanje teh majhnih kovinskih ostružkov ni škodljivo za naše telo.

Železo je telesu najbolj dostopno, če je dodano aminokislinam - v tej obliki je železo deset- do petnajstkrat bolj prebavljivo kot v obliki elementa. Železo je tudi v mesu, na primer v zrezkih. Železo, ki ga zagotavljajo prehranska dopolnila, je v obliki kemikalije, kot je železov(II) sulfat, ki je poceni in se dobro absorbira. Telo ne bo sprejelo več železa, kot ga potrebuje, in običajno ga potrebuje zelo malo. Železo v rdečih krvničkah se reciklira s sistemom, ki razgrajuje stare celice. Izguba krvi zaradi poškodbe ali okužbe s paraziti je lahko resnejša.

Železo je strupeno, če ga v telo vnesemo večje količine. Če ljudje (zlasti otroci) vzamejo preveč železovih tablet, zbolijo. Obstaja tudi genetska motnja, ki škoduje uravnavanju ravni železa v telesu.

Obstajajo kemikalije, ki se vežejo z železom in jih lahko predpišejo zdravniki.

• Alotropi železa
• Železove spojine
• Železna doba