Żelazo

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, blok8, 4, d
Stopień utlenienia−II, −I, 0, I, II, III, IV, V, VI[3]
Właściwości metalicznemetal przejściowy
Właściwości tlenkówamfoteryczne
Masa atomowa55,845(2) u[a][4]
Stan skupieniastały
Gęstość7874 kg/m³[1]
Temperatura topnienia1538 °C[1]
Temperatura wrzenia2861 °C[1]
Numer CAS7439-89-6
PubChem23925
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

Czyste żelazo jest lśniącym, srebrzystym, dość twardym i stosunkowo trudnotopliwym metalem, który ulega pasywacji[6][7]. 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

W literaturze żelazu przypisuje się różną liczbę odmian alotropowych.

Dwie odmiany alotropowe[8]:

  • 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[9]:

  • 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

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

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

Podstawowym źródłem produkcji żelaza są rudy żelaza, choć coraz większe znaczenie ma żelazo pozyskiwane z recyklingu[10]. 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[11]

Państwa wydobywające najwięcej rud żelaza (2017)
(w milionach ton)[12]
1 Australia880
2 Brazylia440
3 Chiny340
4 Indie190
5 Rosja100
6 Południowa Afryka68
7 Ukraina63
8 Kanada47
9 Stany Zjednoczone46
10 Iran35
Łącznie na świecie2,4 mld ton


Znaczenie biologiczne żelaza

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 jest pierwiastkiem niezbędnym do życia dla prawie wszystkich organizmów żywych – drobnoustrojów, roślin i zwierząt, w tym człowieka[13]. 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.

Żelazo w organizmie ludzkim

Żelazo występuje w organizmie ludzkim w hemoglobinie, tkankach, mięśniach, szpiku kostnym, białkach krwi, enzymach, ferrytynie, hemosyderynie oraz w osoczu[14].

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[15].

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[16]. 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[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

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. Według danych WHO ocenia się, że aż 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[18].

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[19].

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[20] i jest ono w formie słabo przyswajalnej przez człowieka[21].

Znaczenie w botanice

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

Zobacz też

Uwagi

  1. Wartość w nawiasie oznacza niepewność związaną z ostatnią cyfrą znaczącą.

Przypisy

  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. Żelazo (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)
  3. Adam Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, wyd. 5, t. 1–2, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2006, s. 918, ISBN 83-01-13817-3.
  4. Juris Meija i inni, Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 88 (3), 2016, s. 265–291, DOI10.1515/pac-2015-0305 (ang.).c?
  5. 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.).
  6. Pasywacja. Agencja Promocyjna METALE. [dostęp 2014-08-30].
  7. Barbara Surowska: Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozją. Lublin: Politechnika Lubelska, 2002, s. 18.
  8. Leszek A. Dobrzański: Metaloznawstwo opisowe stopów żelaza, wyd. I, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007, s. 13–15.
  9. Włodzimierz Trzebiatowski: Chemia nieorganiczna. Wyd. VIII. Warszawa: PWN, 1978, s. 566–567.
  10. Craig J.R., Vaughan D.J., Skinner B.J., 2003: Zasoby Ziemi. PWN, s. 240, 255, 256, 260. ​ISBN 83-01-14035-6
  11. Państwowy Instytut Geologiczny, Rudy żelaza, tytanu i wanadu.
  12. Iron Ore Statistics and Information, minerals.usgs.gov [dostęp 2020-07-09] (ang.).
  13. 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.
  14. How Much Iron is in the body, Iron Disorders Institute.
  15. Interna Szczeklika. Podręcznik chorób wewnętrznych. Kraków: Medycyna Praktyczna, 2012, s. ?. ISBN 978-83-7430-336-1.
  16. 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.
  17. „Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej” pod red. Władysława Z. Traczyka i Andrzeja Trzebskiego; Wyd. III zmienione i uzupełnione.
  18. WHO | Micronutrient deficiencies, WHO [dostęp 2020-09-12].
  19. 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.
  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.

Media użyte na tej stronie

Disambig.svg
Symbol wieloznaczności
NFPA 704.svg
The "fire diamond" as defined by NFPA 704. It is a blank template, so as to facilitate populating it using CSS.
Flag of India.svg
The Flag of India. The colours are saffron, white and green. The navy blue wheel in the center of the flag has a diameter approximately the width of the white band and is called Ashoka's Dharma Chakra, with 24 spokes (after Ashoka, the Great). Each spoke depicts one hour of the day, portraying the prevalence of righteousness all 24 hours of it.
Iron electrolytic and 1cm3 cube.jpg
Autor: Alchemist-hp (talk) (www.pse-mendelejew.de), Licencja: FAL
Czyste (99,97 %+) kawałki żelaza rafinowanego elektrolitycznie oraz sześcian (1 cm3) wykonany z żelaza o wysokiej czystości (99,9999 % = 6N)
Iron Spectrum.jpg
Spectral lines of Fe, 600lpmm