Żelazo

Żelazo
mangan ← żelazo → kobalt
– ↑ Fe ↓ ruten 26 Fe
Wygląd
srebrzystobiały
Widmo emisyjne żelaza
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	żelazo, Fe, 26 (łac. ferrum)
Grupa, okres, blok	8, 4, d
Stopień utlenienia	-II, -I, 0, I, II, III, IV, V, VI
Właściwości metaliczne	metal przejściowy
Właściwości tlenków	amfoteryczne
Masa atomowa	55,845(2) u
Stan skupienia	stały
Gęstość	7874 kg/m³
Temperatura topnienia	1538 °C
Temperatura wrzenia	2861 °C
Numer CAS	7439-89-6
PubChem	23925
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny 140 (obl. 156) pm 125 pm Konfiguracja elektronowa [Ar]3d64s2 Zapełnienie powłok 2, 8, 14, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,83 1,64 Potencjały jonizacyjne I 762,5 kJ/mol II 1561,9 kJ/mol III 2957 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 349,6 kJ/mol Ciepło topnienia 13,8 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 7,05 Pa (1808 K) Konduktywność 9,93×106 S/m Ciepło właściwe 440 J/(kg·K) Przewodność cieplna 80,2 W/(m·K) Układ krystalograficzny regularny przestrzennie centrowany (temp. pokojowa) Twardość • w skali Mohsa 4 Prędkość dźwięku 4910 m/s (293,15 K) Objętość molowa 7,09×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 54Fe 5,8% stabilny izotop z 28 neutronami 55Fe {syn.} 2,73 roku w.e. 0,231 55Mn 56Fe 91,72% stabilny izotop z 30 neutronami 57Fe 2,2% stabilny izotop z 31 neutronami 58Fe 0,28% stabilny izotop z 32 neutronami 59Fe {syn.} 44,503 dnia β− 1,565 59Co 60Fe {syn.} 2,62×106 lat β− 3,978 60Co
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich Globalnie Zharmonizowany System Klasyfikacji i Oznakowania Chemikaliów Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według kryteriów GHS. (na podstawie podanej karty charakterystyki) Europejska klasyfikacja substancji oznakowanie ma znaczenie wyłącznie historyczne Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według europejskich kryteriów. (na podstawie podanej karty charakterystyki) NFPA 704 Na podstawie podanego źródła 0 0 0
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Żelazo (Fe, łac. ferrum) – metal z VIII grupy pobocznej o dużym znaczeniu gospodarczym, znane od czasów starożytnych.

Posiada 25 izotopów z przedziału mas 45–69. Trwałe są izotopy 54, 56, 57 i 58. Najwięcej jest izotopu 56 (92%).

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 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).

Odmiany alotropowe

W literaturze żelazu przypisuje się różną liczbę odmian alotropowych:

Dwie odmiany alotropowe:

• 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:

• 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

Oprócz minerałów, duże znaczenie technologiczne mają karbonylkowe kompleksy żelaza, które otrzymuje się z chlorków żelaza i które są katalizatorami licznych reakcji organicznych. Żółty 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.:

disiarczek żelaza(II) - piryt

• 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

W wydobyciu rud żelaza w 2003 roku, wynoszącym ogółem ok. 1 mld ton, przodowały: Chiny (240 mln ton), Brazylia (215 mln ton), Australia (ok. 190 mln ton), Rosja (90 mln ton) i Indie (80 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

Państwa wydobywające najwięcej rud żelaza (2010) (w milionach ton)
Chiny	900
Australia	420
Brazylia	370
Indie	260
Rosja	100
Ukraina	72
Republika Południowej Afryki	55
Stany Zjednoczone	49
Kanada	35
Iran	33
Łącznie na świecie	2,4 mld ton

Znaczenie biologiczne żelaza

Żelazo należy do mikroelementów o decydującym znaczeniu dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. 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. 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. 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. 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:

• 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.

Źródła żelaza: mięso, wątroba, ryby, żółtko jaj, twaróg, orzechy, mleko, warzywa strączkowe, brokuły, krewetki^{[potrzebne źródło]}. Szpinak, wbrew obiegowym opiniom, zawiera umiarkowane ilości żelaza i jest ono w formie słabo przyswajalnej przez człowieka.

Znaczenie w botanice

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

Zobacz też

• żelazokrzem
• epoka żelaza