Železo

český názevŽelezo
latinský názevFerrum
anglický názevIron
chemická značkaFe
protonové číslo26
relativní atomová hmotnost55,847
perioda4
skupinaVIII.B
zařazenípřechodné kovy
rok objevu -
teplota tání [°C]1535
teplota varu [°C]2861
hustota [g cm-3]7,86
hustota při teplotě tání [g cm-3]6,98
elektronegativita1,83
standardní el. potenciál [V]-0,04
oxidační stavy-II, I, II, III, IV, V, VI
elektronová konfigurace[Ar]3d6 4s2
atomový poloměr [pm]156
kovalentní poloměr [pm]125
specifické teplo [J g-1K-1]0,44
slučovací teplo [kJ mol-1]13,8
tepelná vodivost [W m-1 K-1]80
elektrická vodivost [S m-1]1.107
měrný el. odpor [10-6 Ω.m]0,101
1. ionizační potenciál [eV]7,9024
2. ionizační potenciál [eV]16,18
3. ionizační potenciál [eV]30,651
tvrdost podle Mohse4
tvrdost podle Vickerse [MPa]608
tvrdost podle Brinella [MPa]490
modul pružnosti ve smyku [GPa]82
modul pružnosti v tahu [GPa]211
Curieův bod [K]1043
skupenství za norm. podmíneks

Chemické vlastnosti a reakce železa

Chemický prvek železo je šedobílý, lesklý, středně tvrdý, feromagnetický kov. Na suchém vzduchu je železo stálé, na vlhkém vzduchu se pokrývá vrstvou hydroxidu. Za vyšší teploty dobře reaguje s chlorem, fosforem a sírou. Má značnou afinitu ke křemíku a kyslíku. Jemně rozptýlené nebo houbovité železo je na vzduchu pyroforní.

Ve zředěných kyselinách se dobře rozpouští za vzniku vodíku a železnaté soli:

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

V koncentrované kyselině sírové a studené zředěné kyselině dusičné reaguje za vzniku železnaté soli bez vývoje vodíku, v koncentrované kyselině dusičné je díky pasivaci nerozpustné:

Fe + 2H2SO4 → FeSO4 + SO2 + 2H2O
4Fe + 10HNO3 → 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Se zředěnou horkou kyselinou dusičnou reaguje za vzniku železité soli, s extrémně zředěnou studenou kyselinou dusičnou reaguje za vzniku železnaté soli a vývoje elementárního dusíku:

Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
5Fe + 12HNO3 → 5Fe(NO3)2 + N2 + 6H2O

Reakcí železa s alkalickými oxidačními taveninami vznikají při teplotě 400°C alkalické železany:

Fe + 2KOH + 3KNO3 → K2FeO4 + 3KNO2 + H2O

Sloučeniny

Ve sloučeninách vystupuje železo téměř vždy jako dvou a trojmocné. Ze sloučenin jednomocného železa je znám např. jodid železný FeI, čtyřmocné železo je známo ze železičitanů [FeO4]4-, šestimocné železo se vyskytuje v sytě červených železanech [FeO4]2-. Železany jsou stabilní pouze v alkalických roztocích nebo jako pevné látky, v neutrálních či kyselých roztocích se železany snadno redukují a působí jako velmi silná oxidační činidla. Železany se připravují oxidací železitých solí chlorem, bromem nebo jiným silným oxidačním činidlem v alkalickém prostředí:

2FeCl3 + 3Cl2 + 16KOH → 2K2FeO4 + 12KCl + 8H2
Fe2O3 + 3KNO3 + 4KOH → 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O

Reakcí železanů s hydroxidy alkalických kovů je možné připravit nestabilní železičitany:

2K2FeO4 + 4KOH → 2K4FeO4 + 2H2O + O2

Reakcí oxidu železitého Fe2O3 s oxidem draselným K2O je možné připravit nestabilní železičnan draselný K3FeO4, což je jedna z mála známých sloučenin železa v oxidačním stupni V. Reakce probíhá při teplotě 450°C za přístupu kyslíku:

Fe2O3 + 3K2O + O2 → 2K3FeO4

V oxidačním stavu 0 se železo vyskytuje např. v pentakarbonylu [Fe(CO)5] nebo teranitrosylu [Fe(NO)4]. V tetrakyrbonylferridu disodném Na2[Fe(CO)4] se vyskytuje i v záporném oxidačním stavu -II.

Vodné roztoky železnatých solí bývají obvykle bezbarvé nebo světle žlutozelené, nerozpustné železnaté sloučeniny jsou rúzně zbarveny, např. černý oxid železnatý FeO, tmavě hnědý sulfid železnatý FeS, žlutý disulfid FeS2, zelený hydroxid železnatý Fe(OH)2, bílý uhličitan železnatý FeCO3 nebo hnědý chroman železnatý FeCrO4. Vodné roztoky železitých solí jsou obvykle žluté či žlutohnědé, existují i železité soli tvořící bezbarvé roztoky, např, síran železitý Fe2(SO4)3 či dusičnan železitý Fe(NO3)3, růžové roztoky tvoří velice dobře rozpustný chloristan železitý Fe(ClO4)3 nebo omezeně rozpustný fluorid železitý FeF3, krvavě červený roztok tvoří thiokyanatan železitý Fe(SCN)3, tmavě zelený roztok tvoří bromid železitý FeBr3. Žluté či hnědé zbarvení má i většina nerozpustných sloučenin trojmocného železa.

Kvalitativní důkaz železnatých iontů se provádí přídavkem hexakyanoželezitanu draselného K3[Fe(CN)6] (červená krevní sůl) - vzniká Turnbullova modř, důkaz železitých iontů se provádí pomocí trihydrátu hexakyanoželeznatanu draselného K4[Fe(CN)6]·3H2O (žlutá krevní sůl) - vzniká berlínská modř.

Kvantitativní stanovení železa se provádí komplexometickou titrací v silně kyselém prostředí (pH=2-3). Indikátorem je 5% roztok kyseliny sulfosalycilové ve vodě, ekvivalentní bod je indikován barevným přechodem z červené na žlutou.

Výskyt železa v přírodě

Železo je druhý nejrozšířenější kov a čtvrtý nejrozšířenější prvek. V zemské kůře se vyskytuje pouze ve formě sloučenin, průměrný obsah železa v zemské kůře je 4,2 % hmot.

Přírodní železo je směsí 4 stabilních izotopů, největší podíl (91,18 %) připadá na izotop 56Fe. Uměle bylo připraveno dalších 20 nestabilních izotopů železa s hmotnostními čísly od 46 do 69.

Nejdůležitější železné rudy

Mezi další minerály železa patří např. ankerit CaFe(CO3)2, heterosit FePO4, strengit FePO4·2H2O, vivianit Fe2(PO4)2·8H2O, andradit Ca3Fe2(SiO4)3, melanterit FeSO4·7H2O, achavalit FeSe, bartonit K3Fe10S14, bernalit Fe(OH)3, ferdisilicit FeSi2, ferotellurit FeTeO4, garavellit FeSbBiS4, gupeiit Fe3Si, kamiokit Fe2Mo3O8, edgarit FeNb3S6 a přibližně 1400 dalších minerálů s obsahem železa.

V přírodě se železo vzácně nachází jako ryzí kov, z minerálů má nejvyšší obsah železa (90,88 % Fe) vzácný nerost siderazot Fe5N2.

Těžba a zásoby

Ověřené zásoby železných rud jsou 800 Gt, toto množství železných rud představuje 230 Gt železa. Nejvyšší zásoby železa má Austrálie (17 Gt Fe), Brazílie (16 Gt Fe), Rusko (14 Gt Fe), Čína (7,2 Gt Fe), Indie (4,5 Gt Fe), Venezuela (2,4 Gt Fe), Kanada (2,3 Gt Fe) a Švédsko (2,2 Gt Fe).

V roce 2012 dosáhla světová těžba železných rud hodnoty 3 Gt, nejvíce železné rudy vytěžila Čína (1,3 Gt), Austrálie (525 Mt), Brazílie (375 Mt), Indie (245 Mt), Rusko (100 Mt), Ukrajina (81 Mt), JAR (61 Mt), USA (53 Mt), Kanada (40 Mt), Írán (28 Mt) a Švédsko (25 Mt).

Výroba železa

Výroba surového železa se provádí redukcí železných ve vysoké peci. Ve vysoké peci probíhá při teplotách 400-1000°C nepřímá redukce železné rudy oxidem uhelnatým. Průběh nepřímé redukce železné rudy ve vysoké peci popisují rovnice:

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
FeO + CO → Fe + CO2

Při teplotách 950-1000°C probíhá ve vysoké peci přímá redukce železné rudy uhlíkem. Průběh přímé redukce ve vysoké peci zobrazují rovnice:

3Fe2O3 + C → 2Fe3O4 + CO
Fe3O4 + C → 3FeO + CO
Fe3O4 + 4C → 3Fe + 4CO
FeO + C → Fe + CO

Surové železo se poté dále zpracovává na ocel v elektrických pecích, konvertorech nebo Martinských pecích.

V roce 2012 dosáhla světová výroba surového železa hodnoty 1,1 Gt, nejvíce surového železa produkuje Čína (670 Mt), Japonsko (82 Mt), Rusko (51 Mt), Jižní Korea (42 Mt), Indie (42 Mt), USA (33 Mt) a Ukrajina (29 Mt).

Velmi čisté práškové železo pro laboratorní účely se připravuje termickým rozkladem pentakarbonylu Fe(CO)5 nebo oxalátu (COO)2Fe.

Praktické využití železa a jeho sloučenin

Čisté železo nemá větší praktický význam. Technické železo (slitina železa s uhlíkem, fosforem, křemíkem a dalšími prvky) je nejdůležitějším konstrukčním materiálem a technickým kovem vůbec.

Některé sloučeniny železa se využívají pro výrobu barviv nebo jako oxidační a desinfekční činidla. Významné je využití železa jako katalyzátoru při výrobě čpavku přímou syntézou z vodíku a dusíku.

Fluorid železnatý FeF2 a fluorid železitý FeF3 se používají k přípravě keramických glazur. Chlorid železnatý FeCl2 slouží jako flokulační činidlo při čištění odpadních vod. Chlorid železitý FeCl3 slouží k jednoduchému důkazu fenolů. Bromid železitý FeBr3 se používá v organické chemii jako bromační činidlo. Jodid železnatý FeI2 je katalyzátorem řady organických reakcí. Dusičnan železitý Fe(NO3)3 je katalyzátorem při výrobě amidu sodného NaNH2. Selenid železnatý FeSe a fosfid Fe3P se používají k výrobě polovodičů. Tetraborid FeB4 je využíván ve výzkumu supravodivosti. V analytické chemii se používá hexahydrát síranu železnato-amonného (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O (Mohrova sůl) jako zdroj stabilních iontů Fe2+. Hexathiokyanatoželezitan železitý Fe[Fe(SCN)6] slouží k důkazu kyslíkatých látek v organické chemii (ferox test). Železany alkalických kovů a železan vápenatý se jako silná oxidační činidla pokusně využívají při čištění vody. Nezastupitelný je význam železa pro lidský organismus - viz železo v potravinách.

Zdroje

TOPlist