Železo

Vlastnosti železa link

Čisté železo je striebrolesklý, pomerne mäkký, kujný a ťažný kov. Je feromagnetické, takže ho priťahuje magnet a samo sa dá zmagnetizovať. Túto vlastnosť stráca nad teplotou 770 °C, ktorá sa nazýva Curieho teplota.

Železo patrí medzi neušľachtilé kovy. V zriedených kyselinách sa rozpúšťa za vzniku vodíka a železnatej soli:

\( \ce{Fe + 2 HCl -> FeCl2 + H2} \)

V koncentrovanej kyseline dusičnej a sírovej sa železo pasivuje, pokryje sa súvislou vrstvou oxidu, ktorá bráni ďalšej reakcii. Na vlhkom vzduchu však koroduje.

Výroba železa link

Železo je najdôležitejší technický kov. Vyrába sa vo vysokej peci redukciou rúd, najmä hematitu a magnetitu, koksom. Koks slúži ako palivo aj ako redukovadlo. Produktom je surové železo, ktoré obsahuje 3 až 5 % uhlíka a ďalšie prímesi, najmä kremík, mangán, fosfor a síru. Surové železo je tvrdé a krehké, nedá sa kuť, preto sa ďalej spracúva na oceľ alebo liatinu. Na Slovensku sa železná ruda, najmä siderit, ťažila v Spišsko-gemerskom rudohorí, napríklad v Rudňanoch do roku 1992.

Vysoká pec link

Vysoká pec sa plní zhora striedavo koksom, železnou rudou a troskotvornou prísadou, najčastejšie vápencom (obr. – 6). Táto zmes, nazývaná vsádzka, postupne klesá šachtou pece (obr. – 8). Zdola sa proti nej cez dýzy vháňa horúci vzduch (obr. – 1). Koks v ňom horí na oxid uhličitý a uvoľňuje teplo, ktoré pec potrebuje:

\( \ce{C + O2 -> CO2} \)

Oxid uhličitý reaguje s rozžeraveným koksom na oxid uhoľnatý:

\( \ce{CO2 + C -> 2 CO} \)

V hornej, chladnejšej časti pece sa vsádzka predhrieva a vápenec sa rozkladá na oxid vápenatý a oxid uhličitý (obr. – 5). Nižšie oxid uhoľnatý postupne redukuje oxidy železa až na kov (obr. – 4 a 3). Tento dej sa nazýva nepriama redukcia:

\( \ce{3 Fe2O3 + CO -> 2 Fe3O4 + CO2} \)

Vzniknutý oxid železnato-železitý sa redukuje na oxid železnatý:

\( \ce{Fe3O4 + CO -> 3 FeO + CO2} \)

Oxid železnatý sa redukuje na železo:

\( \ce{FeO + CO -> Fe + CO2} \)

V dolnej, najteplejšej časti pece redukuje oxid železnatý priamo uhlík z koksu. Je to priama redukcia:

\( \ce{FeO + C -> Fe + CO} \)

Železo sa tu roztaví a ako surové železo steká na dno pece (obr. – 10). Oxid vápenatý sa zlučuje s oxidom kremičitým z hlušiny na trosku, kremičitan vápenatý CaSiO₃ (obr. – 9). Troska má menšiu hustotu ako železo, pláva na ňom a chráni ho pred oxidáciou. Surové železo aj troska sa z pece periodicky vypúšťajú. Vysokopecný plyn odchádzajúci z hornej časti pece (obr. – 7) obsahuje oxid uhoľnatý, preto sa spaľuje v ohrievačoch, ktoré predhrievajú vháňaný vzduch (obr. – 11).

Oceľ a liatina link

Väčšina surového železa sa spracúva na oceľ. Pri výrobe ocele sa obsah uhlíka zníži pod 2 % a kyslík odstráni aj prímesi kremíka, mangánu a fosforu. Tento dej sa nazýva skujňovanie. Dnes prebieha najmä v kyslíkových konvertoroch, do ktorých sa vháňa kyslík, a v elektrických peciach, v ktorých sa taví oceľový šrot. Oceľ je kujná a dá sa valcovať, ťahať a zvárať. Prídavkom ďalších kovov vznikajú legované ocele, napríklad nehrdzavejúca oceľ s chrómom a niklom.

Liatina obsahuje viac ako 2 % uhlíka, zvyčajne 2 až 4 %. Je tvrdá a krehká, ale dobre sa odlieva, preto sa z nej vyrábajú radiátory, kanalizačné poklopy a bloky motorov. Najväčšími výrobcami ocele na Slovensku sú košická huta Nippon Steel Slovakia, do októbra 2026 U. S. Steel Košice, a Železiarne Podbrezová.

Korózia železa a ochrana pred ňou link

Na vlhkom vzduchu železo koroduje, teda hrdzavie. Pôsobením kyslíka a vody vzniká hrdza, ktorú tvorí hydratovaný oxid železitý Fe₂O₃·xH₂O. Vrstva hrdze je pórovitá a odlupuje sa, preto železo pred ďalšou koróziou nechráni. Koróziu urýchľujú soli rozpustené vo vode, napríklad posypová soľ na cestách, kyslé prostredie a styk železa s ušľachtilejším kovom. Na povrchu železa vtedy vznikajú drobné galvanické články.

Železné predmety sa pred koróziou chránia nátermi alebo tenkou vrstvou iného kovu. Pri pozinkovaní chráni železo vrstva zinku. Zinok je neušľachtilejší ako železo, preto pri poškodení vrstvy koroduje namiesto železa. Na rovnakom princípe chránia trupy lodí pripojené bloky zinku a potrubia v zemi bloky zinku alebo horčíka. Pocínované železo, napríklad v konzervách, chráni cín len dovtedy, kým je jeho vrstva celistvá. Odolnosť proti korózii majú aj nehrdzavejúce ocele s chrómom.

Zlúčeniny železa link

Železo tvorí zlúčeniny najmä s oxidačnými číslami II a III. Vodné roztoky železnatých solí sú bledozelené, farbu im dáva katión [Fe(H₂O)₆]²⁺. Kyslík zo vzduchu ich pomaly oxiduje na stálejšie železité zlúčeniny, ktorých roztoky sú žltohnedé.

Oxidy a hydroxidy železa link

Po pridaní hydroxidu k roztoku železnatej soli sa vyzráža biely hydroxid železnatý. Na vzduchu sa rýchlo oxiduje a hnedne, lebo vzniká červenohnedý hydroxid železitý:

\( \ce{4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O -> 4 Fe(OH)3} \)

Červenohnedý oxid železitý Fe₂O₃ sa v prírode vyskytuje ako hematit, hlavná ruda železa. Používa sa ako červený pigment a ako leštiaci prostriedok. Čierny oxid železnato-železitý Fe₃O₄ tvorí minerál magnetit, ktorý je magnetický.

Síran železnatý link

Heptahydrát síranu železnatého FeSO₄·7H₂O, nazývaný zelená skalica, tvorí bledozelené kryštály rozpustné vo vode. Vyrába sa rozpúšťaním železného odpadu v zriedenej kyseline sírovej:

\( \ce{Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2} \)

Používa sa pri úprave vody, ako moridlo a pri výrobe atramentov. Na vzduchu sa pomaly oxiduje. Stálejšia je podvojná soľ Mohrova soľ (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O, ktorá sa preto používa v odmernej analýze.

Chlorid železitý link

Chlorid železitý FeCl₃ vzniká priamym zlučovaním železa s chlórom:

\( \ce{2 Fe + 3 Cl2 -> 2 FeCl3} \)

Z roztokov kryštalizuje žltohnedý hexahydrát FeCl₃·6H₂O. Chlorid železitý je oxidovadlo, ktoré rozpúšťa meď, preto sa používa pri leptaní plošných spojov. Pri úprave vody zráža nečistoty ako koagulant.

Kyanokomplexy a dôkaz iónov železa link

Hexakyanidoželeznatan draselný K₄[Fe(CN)₆], nazývaný žltá krvná soľ, tvorí svetložlté kryštály. Kyanidové ligandy sú v ňom pevne viazané na železo, preto je na rozdiel od kyanidov len málo toxický. Oxidáciou chlórom vzniká tmavočervený hexakyanidoželezitan draselný K₃[Fe(CN)₆], nazývaný červená krvná soľ:

\( \ce{2 K4[Fe(CN)6] + Cl2 -> 2 K3[Fe(CN)6] + 2 KCl} \)

Obe soli slúžia na dôkaz iónov železa. Žltá krvná soľ dáva so železitými iónmi tmavomodrú zrazeninu berlínskej modrej, ktorá sa používa aj ako pigment. Červená krvná soľ dáva rovnako sfarbenú zrazeninu so železnatými iónmi. Železité ióny sa dokazujú aj tiokyanatanom draselným, s ktorým tvoria krvavočervený roztok.

Biologický význam železa link

Železo je biogénny prvok. Je súčasťou hemoglobínu, červeného krvného farbiva, ktoré prenáša kyslík z pľúc do tkanív. Kyslík sa v ňom viaže na atóm železa v héme. Železo obsahuje aj myoglobín, ktorý uchováva kyslík vo svaloch, a cytochrómy, ktoré prenášajú elektróny pri bunkovom dýchaní. Nedostatok železa sa prejavuje málokrvnosťou (anémiou, staršie chudokrvnosťou). Nadbytok železa sa v tele ukladá a poškodzuje orgány.