Objav: Staroveké civilizácie (Egypt, Mezopotámia) (cca 3500 p.n.l.)
Izolácia: Chetiti (cca 1500 p.n.l.)
T. topenia
1538 °C
T. varu
2861 °C
Kľúčové vlastnosti
Atómová hmotnosť
55.8452 u
Atómový polomer
140 pm
Hustota
7874 kg/m³
Elektronegativita
1.83
Ionizačná energia
762.5 kJ/mol
Elektrónová afinita
14.785 kJ/mol
Elektrónová konfigurácia
Výskyt v prírode
Zlúčeniny a minerály
Načítavajú sa molekulárne štruktúry...
Základná charakteristika
- Bolo známe v staroveku (nálezy meteorického železa okolo 3500 pred Kr. v Egypte; tavenie z rudy od 1500 pred Kr. v Malej Ázii).
- Je to striebrosivý, kujný a ťažný kov, stredne reaktívny.
- Vyskytuje sa v niekoľkých alotropických modifikáciách (napr. α-železo/ferit stabilné za bežných podmienok, γ-železo/austenit pri vyšších teplotách).
- Patrí medzi prechodné prvky a vykazuje feromagnetické vlastnosti (je priťahované magnetom a samo sa môže zmagnetizovať).
- Na vlhkom vzduchu koroduje (hrdzavie) za vzniku hydratovaných oxidov železa; táto vrstva nie je pasivujúca.
- Koncentrovaná kyselina dusičná ho pasivuje (vytvára ochrannú vrstvu oxidu). V neoxidujúcich kyselinách (napr. zriedená H₂SO₄, HCl) sa rozpúšťa za vzniku solí Fe(II) (bez prístupu vzduchu) alebo Fe(III).
- Najbežnejšie oxidačné stavy sú +II (železnaté zlúčeniny, často zelenkasté) a +III (železité zlúčeniny, často hnedožlté až červenohnedé).
- V oxidačných stavoch +II a +III tvorí komplexy najčastejšie s koordinačným číslom 6 a oktaedrickou geometriou (napr. hexakyanoželeznatan draselný K₄[Fe(CN)₆] alebo hexakyanoželezitan draselný K₃[Fe(CN)₆]).
- V niektorých komplexoch, napr. s chloridovými ligandmi, môže mať Fe(II) alebo Fe(III) koordinačné číslo 4 a tetraedrickú geometriu (napr. anión tetrachloroželezitanový [FeCl₄]⁻).
- V nulovom oxidačnom stave tvorí napr. pentakarbonyl železa [Fe(CO)₅] s koordinačným číslom 5 a trigonálno-bipyramídovou geometriou.
- Väčšina železa je na Zemi uzavretá v jadre, no aj tak tvorí v zemskej kôre až 5,0 % hmotnosti, vďaka čomu je štvrtým najrozšírenejším prvkom (po O, Si, Al) a zároveň druhým najrozšírenejším kovom (po Al).
- V prírode sa vyskytuje najmä vo forme rúd ako hematit (Fe₂O₃), magnetit (Fe₃O₄), limonit (Fe₂O₃·nH₂O), siderit (FeCO₃) a pyrit (FeS₂). Čisté železo sa vyskytuje veľmi vzácne, jeho prirodzeným zdrojom sú najmä meteority.
- Je esenciálnym biogénnym prvkom pre prenos kyslíka a bunkové dýchanie. Je centrálnou súčasťou dýchacích pigmentov (hemoglobín, myoglobín, chlorokruorín, erytrokruorín, hemerytrín), iných pigmentov (echinochróm) aj mnohých enzýmov (napr. cytochrómy).
- Je najdôležitejším a najpoužívanejším konštrukčným kovom, základom pre výrobu ocele a liatiny.
- Používa sa na výrobu magnetov, ako katalyzátor v chemickom priemysle (napr. Haber-Boschova syntéza amoniaku).
- Zlúčeniny železa sa využívajú ako pigmenty (napr. oxidy železa), v medicíne (liečba anémie) a pri čistení vôd.
Feromagnetizmus železa zaniká pri teplote 770 °C, ktorá sa nazýva Curieho teplota. Nad Curieho teplotou sa železo stáva paramagnetickým, čo znamená, že stráca svoje silné magnetické vlastnosti. Tento jav je spôsobený zmenou usporiadania magnetických momentov atómov vplyvom tepelnej energie. Jednoducho si to možno predstaviť tak, že ak by ste klinec rozžeravili nad Curieho teplotu, magnet by ho nepriťahoval. Po ochladení pod túto teplotu by sa jeho feromagnetické vlastnosti obnovili a magnet by ho opäť pritiahol.
Výroba a využitie železa, ocele a liatiny link
Železo je najdôležitejším technickým kovom. Jeho hlavné využitie je vo forme zliatin s uhlíkom – ocele a liatiny.
Priemyselná výroba surového železa prebieha vo vysokej peci redukciou jeho oxidických rúd (napr. Fe₂O₃) koksom (uhlíkom). Koks slúži ako redukovadlo (hlavne vo forme CO) a zdroj tepla. Produktom je surové železo, ktoré obsahuje približne 3–5 % uhlíka a ďalšie prímesi (Si, Mn, P, S). Surové železo je tvrdé a krehké, preto sa ďalej spracováva.
Oceľ sa vyrába zo surového železa znížením obsahu uhlíka (typicky pod 1,7–2,14 %) a odstránením nečistôt v procesoch ako je Bessemerov alebo Siemensov-Martinov proces (historicky), alebo modernejšími kyslíkovými konvertormi a elektrickými oblúkovými pecami. Vlastnosti ocele sa ďalej upravujú pridaním legujúcich prvkov (napr. Cr, Ni, Mn, V, Mo), čím vznikajú legované ocele s požadovanými vlastnosťami (nehrdzavejúca, nástrojová, žiaruvzdorná). Oceľ je základným materiálom v stavebníctve (nosníky, výstuže), strojárstve (súčiastky strojov, nástroje), doprave (automobily, lode, železnice) a pri výrobe spotrebného tovaru.
Liatina obsahuje vyšší podiel uhlíka (typicky 2 až 4 %) ako oceľ. Je tvrdá a krehká, ale dobre sa odlieva. Používa sa na výrobu odliatkov, ako sú bloky motorov, radiátory, kanalizačné poklopy a časti strojov.
Zlúčeniny železa sa používajú ako pigmenty, katalyzátory a v medicíne.
Princíp výroby železa vo vysokej peci link
Priemyselná výroba surového železa prebieha v hutníckom zariadení nazývanom vysoká pec. Ide o kontinuálny proces, kde sa striedavo vrství železná ruda (oxidy železa), koks (uhlík, slúži ako palivo a redukovadlo) a troskotvorné prísady (najčastejšie vápenec, CaCO₃) (obr. – 6). Táto zmes, nazývaná vsádzka, postupne klesá v šachte pece (obr. – 8), pričom prechádza rôznymi teplotnými zónami.
- V hornej, chladnejšej časti pece, tzv. predhrievacej zóne (obr. – 5) (teploty okolo 200–500 °C), sa vsádzka predhrieva a suší. Dochádza tu aj k termickému rozkladu vápenca na oxid vápenatý (CaO) a oxid uhličitý (CO₂).
- Nižšie, v redukčnej zóne železitého oxidu (obr. – 4) (cca 500–900 °C), prebieha nepriama redukcia vyšších oxidov železa (napr. Fe₂O₃, Fe₃O₄) oxidom uhoľnatým (CO) na nižšie oxidy, najmä oxid železnatý (FeO). Oxid uhoľnatý vzniká reakciou koksu s CO₂ stúpajúcim z nižších častí pece (CO₂ + C → 2CO).
\( \ce{3Fe2O3 + CO -> 2Fe3O4 + CO2} \)CO
\( \ce{Fe3O4 + CO -> 3FeO + CO2} \)
- V ďalšej, ešte horúcejšej redukčnej zóne železnatého oxidu (obr. – 3) (cca 900–1200 °C), pokračuje redukcia FeO oxidom uhoľnatým na kovové železo.
\( \ce{FeO + CO -> Fe + CO2} \)
S rastúcou teplotou začína prebiehať aj priama redukcia FeO uhlíkom z koksu.\( \ce{FeO + C -> Fe + CO} \)
- Do spodnej časti pece, nazývanej nístej, sa cez dýzy vháňa horúci vzduch (obr. – 1) (cca 800–1200 °C) z Cowperových ohrievačov, niekedy obohatený kyslíkom. Tu koks intenzívne horí, pričom vzniká CO a dosahujú sa najvyššie teploty (až okolo 1800–2000 °C).
- V tejto najhorúcejšej, tzv. taviacej zóne (obr. – 2), sa redukované železo taví a steká na dno pece. Zároveň tu prebieha tvorba trosky. Oxid vápenatý (CaO) z rozloženého vápenca reaguje s kyslými nečistotami z rudy (najmä SiO₂) za vzniku ľahkotaviteľnej trosky (hlavne kremičitanu vápenatého, CaSiO₃).
- Roztavené surové železo (obr. – 10), ktoré je ťažšie, sa zhromažďuje na dne nísteje a periodicky sa odčerpáva (odpichuje).
- Ľahšia roztavená troska (obr. – 9) pláva na povrchu železa, chráni ho pred oxidáciou a tiež sa periodicky odpichuje otvorom umiestneným vyššie.
- Plyny opúšťajúce pec v jej hornej časti (obr. – 7), tzv. kychtové plyny (zmes N₂, CO, CO₂, H₂), sa zbierajú (obr. – 11), čistia a využívajú napríklad na ohrev vzduchu v Cowperových ohrievačoch.
Heptahydrát síranu železnatého link
Heptahydrát síranu železnatého (FeSO₄·7H₂O), známy aj ako zelená skalica, je modrozelená kryštalická látka, rozpustná vo vode. Pripravuje sa napríklad reakciou železa s kyselinou sírovou:
\( \ce{Fe(s) + H2SO4(aq) + 7H2O(l) -> FeSO4*7H2O(s) + H2(g)} \)
Používa sa ako moridlo, pri výrobe atramentov, ako koagulant a v poľnohospodárstve. Známa je aj Mohrova soľ, hexahydrát síranu amónno-železnatého ((NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O), ktorá je na vzduchu stálejšia ako zelená skalica a používa sa v analytickej chémii.
Chlorid železitý link
Chlorid železitý (FeCl₃) je v bezvodom stave tmavohnedá hygroskopická látka. Hexahydrát chloridu železitého (FeCl₃·6H₂O) je žltohnedý. Pripravuje sa priamou chloráciou železa pri zvýšenej teplote:
\( \ce{2Fe(s) + 3Cl2(g) -> 2FeCl3(s)} \)
Používa sa ako koagulant, pri leptaní medi a ako katalyzátor.
Hexakyanidoželeznatan draselný link
Trihydrát hexakyanidoželeznatanu draselného (K₄[Fe(CN)₆]·3H₂O), známy ako žltá krvná soľ, je svetložltá kryštalická látka. Používa sa v analytickej chémii na dôkaz Fe³⁺ (tvorba tzv. berlínskej modrej).
Hexakyanidoželezitan draselný link
Hexakyanidoželezitan draselný (K₃[Fe(CN)₆]), známy ako červená krvná soľ, je tmavočervená kryštalická látka. Pripravuje sa oxidáciou žltej krvnej soli chlórom:
\( \ce{2K4[Fe(CN)6](aq) + Cl2(g) -> 2K3[Fe(CN)6](aq) + 2KCl(aq)} \)
Používa sa v analytickej chémii na dôkaz Fe²⁺ (tvorba Turnbullovej modrej).
Oxid železitý link
Oxid železitý (Fe₂O₃) je červenohnedá pevná látka, známa aj ako dôležitý minerál železa – hematit. Okrem toho, že je hlavnou rudou na výrobu železa a používa sa ako červený pigment, je kľúčový aj pri výrobe špeciálnych magnetických materiálov nazývaných ferity. Práve oxid železitý (Fe₂O₃) tvorí ich základnú zložku, ktorá sa spája s oxidmi iných kovov (napríklad s oxidom nikelnatým, NiO, čím vzniká ferit nikelnatý, NiFe₂O₄) a vytvára tak tieto keramické materiály s dôležitými magnetickými vlastnosťami.
Železany link
Energickou oxidáciou zlúčenín železa(III) v zásaditom prostredí vznikajú železany (M₂FeO₄), kde má železo oxidačný stav +VI. Príkladom je príprava železanu sodného:
\( \ce{Fe2O3 + 3NaClO + 4NaOH -> 2Na2FeO4 + 3NaCl + 2H2O} \)
Sú to silné oxidačné činidlá, stále len v zásaditom prostredí.
