Żelazo (Fe, ) – 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. Domieszka krzemu bądź węgla, związana z procesem otrzymywania metalu z rud żelaza, zwiększa głębokość i szybkość korozji. Od starożytności (najstarsza znana archeologom stal pochodzi z ok. 1800 r. p.n.e.) 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).
Odmiany alotropowe W literaturze żelazu przypisuje się różną liczbę odmian alotropowych.
Dwie odmiany alotropoweLeszek A. Dobrzański: Metaloznawstwo opisowe stopów żelaza, wyd. I, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007, s. 13–15.: 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 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: 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 przez ludzi od czasów prehistorycznych. Czas, w którym żelazo stało się głównym surowcem w wytwarzaniu narzędzi nazywa się epoką żelaza; w Starym Świecie zaczęła się ona ok. 1200 lat p.n.e., zaś w Amerykach i w Australii żelazo poznano dopiero po przybyciu nowożytnych kolonizatorów. Koniec epoki żelaza nastał wraz z początkiem średniowiecza albo w XIII wieku, choć według niektórych trwa do dziś. Żelazo 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.
Stal
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. Najstarsze ślady użycia stali pochodzą z ok. 1800 r. p.n.e.; ówczesna stal była niejednorodna pod względem jakości, ponieważ proces jej wytwarzania (wtedy było to mieszanie żelaza z węglem drzewnym w prymitywnych piecach) był czasochłonny i trudny do kontrolowania. W dzisiejszych czasach 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
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.: czerwony hematyt (Fe2O3); czarny magnetyt (Fe3O4); syderyt (FeCO3); limonit (Fe2O3·nH2O), m.in. w formie rudy darniowej; goethyt (FeO(OH)); piryt (FeS2); arsenopiryt (FeAsS); żelazo rodzime (Fe).
Wydobycie
Podstawowym źródłem produkcji żelaza są rudy żelaza, choć coraz większe znaczenie ma żelazo pozyskiwane z recyklinguCraig J.R., Vaughan D.J., Skinner B.J., 2003: Zasoby Ziemi. PWN, s. 240, 255, 256, 260. .. 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 złóżPaństwowy Instytut Geologiczny, Rudy żelaza, tytanu i wanadu..
Państwa wydobywające najwięcej rud żelaza (2017)(w milionach ton)1 8802 4403 3404 1905 1006 687 638 479 4610 35 Łącznie na świecie 2,4 mld ton
Znaczenie biologiczne żelaza
Żelazo odgrywa ważną rolę w biologii. Mimo znacznego rozpowszechnienia na Ziemi, żelazo należy do mikroelementów – występuje w niewielkich ilościach w składzie organizmów, jest jednak pierwiastkiem niezbędnym do życia dla prawie wszystkich organizmów żywych – drobnoustrojów, roślin i zwierząt, w tym człowiekaSheftel 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..
Jest metalem występującym w wielu ważnych enzymach redoks, odpowiadających za oddychanie komórkowe, utlenianie i redukcję u roślin i zwierząt. W tym też w centrach aktywnych licznych enzymów takich jak: katalaza, peroksydazy oraz cytochromy. Znajduje się też w grupach prostetycznych wielu innych ważnych białek należących do metaloprotein: 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 głównie niedokrwistość z niedoboru żelaza. Według danych WHO 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.
Niedobór żelaza u roślin powoduje zakłócenia przebiegu fotosyntezy i chlorozę młodych liści.
Nadmiar Czasem mimo istniejących mechanizmów regulacyjnych organizmu, może dojść do stanów przeciążenia żelazem. Najważniejszymi schorzeniami związanymi z nadmiarem żelaza w organizmie są hemochromatoza dziedziczna i hemosyderoza. Duże ilości soli żelaza(II) są toksyczne. Związki żelaza(III–VI) są nieszkodliwe, ponieważ słabo się wchłaniają.
Metabolizm żelaza w organizmie ludzkim W organizmie ludzkim żelazo występuje w hemoglobinie, tkankach, mięśniach, szpiku kostnym, białkach krwi, enzymach, ferrytynie, hemosyderynie oraz w osoczu. Przeciętny mężczyzna ma w organizmie 4 gramy żelaza, a kobieta około 3,5 grama.
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. Prawidłowe stężenie żelaza w surowicy krwi„Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej” pod red. Władysława Z. Traczyka i Andrzeja Trzebskiego; Wyd. III zmienione i uzupełnione.: 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 w wątrobie również 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 mięso ryb), wątroba, żółtko jaj, twaróg, orzechy, mleko, warzywa strączkowe, brokuły, krewetki. Szpinak, wbrew obiegowym opiniom, zawiera umiarkowane ilości żelaza na 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 obfitych menstruacjach, 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 z ADHD mających niedobory tego pierwiastka. Rola suplementacji żelaza w tej chorobie nie jest jednak potwierdzona i wymaga dalszych badań.
Zobacz też
żelazokrzem epoka żelaza Atomium
Uwagi
Przypisy
Kategoria:Pierwiastki chemiczne
Kategoria:Artykuły, które powinna mieć każda Wikipedia (od 10 do 30k)