Željezo

izotop	zast.	v.p.r.	n.r.	e.r. MeV	p.r.
⁵⁴Fe	5,8%	stabilni izotor sa 28 neutrona
⁵⁵Fe	(veš.)	2,73 godina	z.e.	0,231	⁵⁵Mn
⁵⁶Fe	91,72%	stabilni izotor sa 30 neutrona
⁵⁷Fe	2,2%	stabilni izotor sa 31 neutrona
⁵⁸Fe	0,28%	stabilni izotor sa 32 neutrona
⁵⁹Fe	(veš.)	44,503 dana	β^-	1,565	⁵⁹Co
⁶⁰Fe	(veš.)	1,5×10⁶ godina	β^-	3,978	⁶⁰Co

Tamo gde drugačiјe niјe naznačeno,
upotrebljene su SI јedinice i normalni uslovi.

Obјašnjenja skraćenica:

zast.=zastupljenost u prirodi,
v.p.r.=vreme polu raspada,
n.r.=način raspada,
e.r.=energiјa raspada,
p.r.=proizvod raspada,
z.e=zarobljavanje elektrona

Željezo (ijek.) ili železo (ek.), odn. gvožđe (Fe, latinski ferrum), je metal VIIIB grupe. Postoji 16 izotopa željeza čije se atomske mase nalaze između 49 - 63. Postojani izotopi su: 54, 56, 57 i 58, a najzastupljeniji je izotop 56 (91%).

Simbol Fe dolazi od ferrum, latinskog naziva za željezo. Ferat je naziv za željezo u anionskom kompleksu. Telursko željezo je naziv za elementarno željezo, koje je nastalo u Zemljinoj kori.
Željezo, kad je potpuno čisto, srebrnkastog je sjaja i mekano. Poznato je od pradavnih vremena, a danas sigurno najvažniji tehnički metal koji se upotrebljava na mnogo načina. Najvažnije je od svih metala i uglavnom se koristi kao čelik, u kojem ima ugljika (do 2,06%). Željezo hrđa na vlažnom zraku i otapa se u razrijeđenim kiselinama. Željezo je prijelazni metal 8. skupine periodnog sustava elemenata.

Željezo u prirodi najčešće dolazi kao mineral magnetit. Kristalizira u obliku crnih kubičnih kristala.
U Zemljinoj kori najrasprostranjeniji metalni element i po masenom udjelu odmah je iza aluminija. U Zemljinoj kori udio je željeza oko 5%, a u cijeloj Zemlji se računa da je 37%. Najdublja unutrašnjost Zemlje se pretežno od njega i sastoji. Koncentracija željeza u morima je vrlo mala (oko 4x10⁻³ ppm). Elementarno željezo se u prirodi nalazi samo kao meteorno, dospjelo na zemlju iz Svemira i telurno prisutno u Zemljinoj kori od iskonskih vremena. Prisutnost željeza utvrđena je i u sastavu Sunca, Mjesečevim stijenama i drugim nebeskim tijelima gdje ga ima oko 14,3%, kako svjedoče meteoriti pali na Zemlju od kojih se polovina sastoji pretežno od željeza.
Na površini Zemlje prirodno željezo je samo izuzetno u elementarnom stanju (telurno željezo na otoku Disko, zapadno od Grenlanda).

Svojstva

Glavni članci: Alotropije željeza i Izotopi željeza

U elementarnom stanju čisto je željezo: srebrnobijeli, razmjerno mekan, kovan (kovak) metal, kemijski dosta otporan. Također, ono je i feromagnetično, što znači da zadržava magnetska svojstva i prestankom djelovanja magnetskog polja.
Željezo je kemijski vrlo reaktivno i kao neplemeniti metal otapa se u neoksidirajućim kiselinama. Na zraku je vrlo nestabilno i relativno brzo oksidira (korozija). U oksidirajućim kiselinama (koncentriranoj sumpornoj i dušičnoj kiselini) površina željeza se ne otapa, nego pasivizira stvaranjem zaštitnog sloja. Kristalna mu se struktura mijenja s promjenom temperature.

Čisto elementarno željezo (Fe°) ima 3 kristalne forme (alotropske modifikacije):

alfa-željezo (α-Fe) ili ferit, stabilno ispod 906 °C s volumno centriranom kubičnom kristalnom strukturom magnetično je, a u čvrstom stanju može otopiti vrlo malo ugljika;
gama-željezo (γ-Fe) ili austenit, stabilno između 906 i 1403 °C s nemagnetičnom plošno centriranom kubičnom kristalnom strukturom; nemagnetično je i u čvrstom stanju može otopiti mnogo ugljika;
delta-željezo (δ-Fe) stabilno iznad 1403 °C s volumno centriranom kubičnom kristalnom strukturom.^[1]

Alfa-željezo je feromagnetično do Curieve temperature od 770 °C (1043 K). Pri temperaturi 770 °C gubi feromagnetska svojstva, ali ne mijenja strukturu, pa se ponekad pogrešno naziva i beta-željezo.

Željezo ima 9 izotopa (maseni broj od 52 do 60) i četvrti je element po udjelu u zemljinoj kori. U prirodi se željezo nalazi kao smjesa četiri stabilna izotopa: željezo-54 (5,8%), željezo-56 (91,72%), željezo-57 (2,2%) i željezo-58 (0,28%), a ostali su izotopi radioaktivni, s kratkim vremenom poluraspada, osim izotopa željezo-60 (t_1/2 = 3x10⁵ godina). Izotop željezo-56 poznat je kao nuklid s najstabilnijom jezgrom, jer ima najveću nuklearnu energiju vezanja.

Kao biogeni element, željezo spada u grupu esencijalnih elemenata gdje sudjeluje u prijenosu kisika. Željezo je važno za život biljaka i životinja i nalazi se u sastavu hemoglobina i kloroplasta u krvi, pa ga mora sadržavati hrana toplokrvnih životinja, kao i zemlja u kojoj rastu biljke. U organizmu odraslog čovjeka ima oko 5,85 grama željeza; od toga je 55% vezano za hemoglobin, 10% ga je u mioglobinu i 17% u staničnim heminima; oko 17% željeza nalazi se i u drugim organima (kao feritin i hemosiderin). Preparati željeza ubrajaju se u najstarija ljekovita sredstva; bili su poznati već u rimsko vrijeme. Danas se željezo u obliku topljivih ferosoli najviše upotrebljava za liječenje raznih oblika anemija. Manjak željeza dovodi do anemije, a višak može izazvati oštećenje jetre i bubrega. Za neke spojeve željeza se sumnja da su kancerogeni.^[2]

Sitnije čestice željeza mogu na zraku i gorjeti, pri čemu frcaju iskre usijanog oksida, a u sasvim finom razdjeljenju željezo je i piroforno, tj. samozapaljivo na zraku. S usijanim željezom vodena para reagira uz postanak oksida Fe₃O₄ (magnetit) i vodika. Na visokoj temperaturi željezo se direktno spaja s klorom i sa sumporom. U razrijeđenim se kiselinama tehničko željezo lako otapa. Koncentrirana sumporna kiselina ga ne nagriza (stoga se ona može spremati i prevoziti u željeznim posudama), a u koncentriranoj dušičnoj kiselini željezo postaje pasivno.
Željezo izravno reagira s većinom nemetala pri umjerenim temperaturama. Osim s kisikom reagira s ugljikom, sumporom, klorom, fosforom i drugima.

Kemijski spojevi željeza

Oksidacijska stanja	Predstavnici kemijskih spojeva
−2	rijetki - Na₂[Fe(CO)₄]; atomska ljuska d10
−1	rijetki – [Fe₂(CO)₈]²; atomska ljuska d9
0	[Fe(CO)5]; atomska ljuska d8
1	rijetki – Na₂[Fe(NO)(OH₂)₅]; atomska ljuska d7
2 (dvovalentno željezo)	FeO, FeS₂, Fe(OH)₂, [Fe(OH₂)₆]² + (voda), FeF₂, [Fe(η-C₅H₅)₂] itd.; atomska ljuska d6
3 (trovalentno željezo)	Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeF₃, FeCl₃, Fe(OH)(O), [Fe(OH₂)₆]³+ (voda) itd.; atomska ljuska d5
4	rijetko, neki kompleksi; atomska ljuska d4
5	[FeO₄]³ (?); atomska ljuska d3
6	K₂[FeO₄]; atomska ljuska d2

U kemijskim spojevima je željezo najčešće dvovalentno ili trovalentno (fero- i feri- spojevi).

Željezo pravi spojeve u kojima ima oksidacijski broj +2, +3 i +6, a u najvažnijima i najvećem broju spojeva ima oksidacijski broj +2 (fero) i +3 (feri). Stanje +2 je najstabilnije. Šesterovalentno željezo je ferat ion FeO₄ - koji je postojan samo u lužnatom mediju, a u kiselom mediju se raspada na Fe³+ i kisik, uz nešto ozona.^[3]

Nestabilniji Fe²⁺ ion u vodenoj se otopini u prisustvu kisika lako oksidira u Fe³⁺ ion.
Željezo zbog svog negativnog standardnog elektrodnog potencijala Fe2+/Fe, otapa se u kiselinama uz razvijanje vodika.
Ioni Fe²⁺ i Fe³⁺ imaju izraženu sposobnost stvaranja kompleksa koordinacijskog broja 6. Otopina iona Fe²⁺ je svijetlo zelene boje. Otopina iona Fe³⁺ je žute boje, osim bromida koji je crvene. Dimetil-glioksim oboji otopinu Fe²⁺ iona u crveno.^[4]

Željezovi spojevi s kisikom

Od željezovih oksida važni su:

Željezov(III) oksid (Fe₂O₃) i fero-feri-oksid (Fe₃O₄ x Fe₂O₃), koji nastaje kao crveni prah kad se žari Fe(OH)₃, Fe(NO₃)₂ ili Fe₂(SO₄)₃. Kao mineral, hematit tvori više ili manje guste stijene, mjestimice i velike crvene kristale. Glavna je sastojina željeznih boja (caput mortuum, kolkotar, oker).
Feri-fero-oksid, Fe₃O₄ = FeO x Fe₂O₃, nastaje pri žarenju željeza i željeznih oksida na višim temperaturama. Kao magnetit najvažnija je ruda (mineralne sirovine), a od njega se prave i elektrode za tehničku elektrolizu. Sastojina je termitne smjese.
Željezov(II) hidroksid, Fe(OH)₂, ispada kao bijeli do svijetlozeleni talog kad se otopini soli dvovalentnog željeza u odsutnosti kisika doda lužina. Na zraku lako prelazi u smeđecrveni željezov(III) hidroksid, Fe(OH)₃. Taj se taloži (s promjenjivim količinama apsorbirane vode) kao crvenosmeđi hladetinasti talog, kad se otopini soli trovalentnog željeza doda lužina. Sastojina je različitih minerala i stijena (hidrohematit, turgit, limonit, ksantosiderit, getit, stilpnosiderit, oker, lepidokrokit).

Berlinsko modrilo je pigment kemijske formule Fe₇(CN)₁₈.

Hematit je željezov oksidni mineral, kemijske formule α-Fe₂O₃, najstabilniji je i najrasprostranjeniji od svih željezovih oksida.

Magnetit, kemijska formula Fe₃O₄, je crni ferimagnetički željezov oksid.

Željezovi spojevi s dušikom

Željezov(II) nitrat, Fe(NO₃)₂, nastaje kada se željezo otapa u razrijeđenoj dušičnoj kiselini koja je potrebno da bude vruća. Hladna koncentrirana HNO₃ ne otapa željezo jer na površini nastaje zaštitni sloj oksida.

Kristalizira iz otopine sa 6 ili 9 molekula vode u bezbojnim kristalima koji se otapaju u vodi i zbog hidrolize daju smeđu otopinu. Upotrebljava se u medicini kao adstringens protiv krvarenja u želucu i crijevima. Također služi za otežavanje svile, za štavljenje kože, kao močilo u bojadisarstu i bojadisarskom tisku, za proizvodnju berlinskog modrila i dr. Željezov(II) nitrat otopljen u vodi otopina poprimi zelenu boju.

Željezov(III) nitrat, željezova je sol kemijske formule Fe(NO₃)₃. Budući je higroskopan, često se nalazi u nonahidratnom obliku, Fe(NO₃)₃ x 9H₂O), koji je kristalna tvar bezbojne do blijedo ljubičaste boje. Nastaje reakcijom željeza ili željezovih oksida s dušičnom kiselinom.

Željezovi spojevi s ugljikom

Željezov karbid ili cementit, F₃C, vrlo tvrd i krt spoj, sastojina je tehničkog željeza koja uzrokuje njegovu tvrdoću.
Željezov(II) karbonat (FeCO₃, siderit) je poznata karbonatna ruda željeza, nalazi se u prirodi kao mineral siderit.

Nastaje kao bijel amorfan talog kad se otopina soli dvovalentnog željeza (bilo koje željezove(II) soli) pomiješa s otopinom sode bikarbone.

Na zraku gubi ugljikov dioksid i oksidira se na Fe₂O₃.

U vodi ima topljivost: 3,13 x 10^-11. U vodi koja sadrži otopljeni ugljikov dioksid polako se otapa u obliku hidrokarbonata (Fe(HCO3)2), sastojaka mnogih temeljnih i mineralnih voda. Tako nastaju mineralne vode (voda koja sadržava ugljikov dioksid), željezovite kiselice. Iz njih se u dodiru sa zrakom taloži smeđi oksidihidrat, pa stoga prirodne vode s mnogo željeza nisu prikladne za piće i u industrijske svrhe.

Željezovi spojevi s halogenim elementima

Željezovi(II) halogenidi su FeBr₂, FeF₂, FeI₂ i FeCl₂ i svi su topljive soli, dok su željezovi(III) halogenidi FeF₃, FeCl₃ i FeBr₃, od kojih je željezov(III) fluorid neznato topljiv.
Željezov(II) klorid, FeCl₂ x 4H₂O, tvori modrozelene monoklinske kristale koji se na zraku raskvasuju i topljivi su u vodi; dobiva se otapanjem željeza u klorovodičnoj kiselini ili direktnom sintezom iz elemenata. Služi kao reducens u proizvodnji bojila, kao sredstvo za reduciranje. Iskristalizira kao hidrat iz otopine dobivene otapanjem željeza u solnoj kiselini. Razrijeđena otopina je žuta, a koncentriranije budu crvene. Bezvodni se dobije grijnjem željeza u atmosferi klorovodika. Dobiva se otapanjem željeza u klorovodičnoj kiselini ili direktnom sintezom iz elemenata. Željezo na zraku brzo zahrđa jer je vlažno i puno elektrolita. Otud zelena boja željezovim(II) solima, osim hidroksida i sulfida.
Željezov(III) klorid heksahidrat (ili tetrahidrat, FeCl₃ x 6 H₂O). Hidratiziran je žute boje. Na zraku se raskvasuje, pa je lako topljiv u vodi, alkoholu i eteru. Rabi se kao kemijski reagens, kao koagulans u čišćenju površinskih voda, oksidacijsko i kondenzacijsko sredstvo, kao prenosilac klora u sintezi bojila, močilo u bojadisarstvu pri bojenju tekstila, za nagrizanje metala (izradba tiskanih pločica u elektrotehnici), u medicini kao adstrigens (vata za zaustavljanje krvarenja rana), itd..

Dolazi u trgovinu u obliku prljavožutih kristalnih gruda (obično kao heksahidrat - sa 6 molekula vode).

Bezvodni klorid je higroskopna tvar. Nastaje žarenjem željeza u struji suhog klora ili otapanjem željeza u klorovodičnoj kiselini uz uvođenje klora. Kristalizira iz vodene otopine dobivene otapanjem željezovog(III) oksida u solnoj kiselini.

Željezovi spojevi sa sumporom

Željezo(II) sulfid (FeS) u prirodi dolazi kao mineral pirhotin (brončane boje), dobiva se u obliku tamnosivih ili crnih gruda, ploča ili štapića s metalnim sjajem time što se rastavljena smjesa željeza i sumpora lijeva na odgovarajuću površinu ili u kalup; u razrijeđenim kiselinama otapa se uz razvijanje sumporovodika H2S, pa se u laboratoriju upotrebljava za dobivanje toga plina.

Sulfid ion (S₂^-) taloži crni talog u neutralnoj otopini, koji nije topljiv u vodi, ali je topljiv u kiselinama:

Fe²⁺ + S^2- --> FeS

FeS + 2 H⁺ --> Fe²⁺ + H₂S

Željezov disulfid (FeS₂) poznata je sulfidna ruda željeza i vrlo je raširen u prirodi kao mineral pirit (manje kao markazit) koji je zlatnožute boje s metalnim sjajem. Iz njega se prženjem dobiva sumporov dioksid za proizvodnju sulfita (time i sumporaste kiseline) i sulfatne kiseline.

1. Sumporovodik u kiseloj otopini reducira željezo uz izlučivanje sumpora:

2 Fe³⁺ + H₂S <--> 2 Fe²⁺ + S₂H⁺

2. Amonijev sulfid ((NH₄)₂S) taloži crni talog koji je topljiv u kiselini:

2 Fe³⁺ + 3S^2- <--> Fe₂S₃

Fe₂S₃ + 6 HCl --> 2 FeCl₃ + 3 H₂S

Željezov(II) sulfat, FeSO₄ x 7H₂O, dobiva se u obliku svijetlozelenih monoklinih prizama iz otopine željeza u sumpornoj kiselini; u tehnici se dobiva i oksidacijom pirita na vlažnom zraku, a otpada u znatnim količinama kao sporedni proizvod pri cementaciji bakra, pri dobivanju kositra, pri proizvodnji krom alauna i titanskog bjelila; najvažnija je tehnička željezna sol i služi za dobivanje drugih spojeva željeza, također za proizvodnju tinte, za uništavanje štetnika (insekticid) i korova, u bojadisarstvu i kožarstvu, za dezinfekciju i dezodorizaciju, za konzerviranje drveta, u veterinarskoj medicini kao adstringens itd.
Željezov(III) sulfat, Fe₂(SO4)₃, tvori bijeli ili sivobijeli prah koji se u vodi polako topi, a na zraku se raskvasuje dajući smeđu tekućinu; dobiva se tako da se kisela otopina zelene galice oksidira dušičnom kiselinom; služi kao močilo u bojadisarstu, u proizvodnji berlinskog modrila i željeznih alauna, koji se upotrebljavaju u bojadisarstvu, fotografiji i kemijskoj analizi.
Amonijev željezov(II) sulfat heksahidrat (NH₄)₂Fe(SO₄) x 36H₂O poznat je kao Mohrova sol.

Organski željezovi spojevi

Željezov(II) acetat, (CH₃COO)₂Fe x 4H₂O (ili Fe(C₂H₃O₂)₂ ili Fe(CH₃COO)₂) dobiva se otapanjem željeza u octenoj kiselini, a upotrebljava se u bojadisarstvu kao močilo i u medicini kao adstringens.

2CH₃COOH + Fe --> (CH₃COO)₂ Fe + H₂

Željezov(III) acetat (Fe(CH₃COO)₃) u vodi tvori crveni talog. Inače tako se općenito dokazuje Fe₂O₃ (--> 6CH₃COOH + 2Fe --> 2(CH₃COO)₃Fe + 3H₂)
Željezov amonijev oksalat, (NH₄)₃Fe(C₂O₄) x 3H₂O, zeleni, u vodi lako topljivi kristali koji na svjetlu gube oksalnu kiselinu oksidacijom na CO₂, pri čemu trovalentno željezo prelazi u dvovalentno. To se svojstvo upotrebljava za mjerenje količine svjetla i za kopiranje nacrta i sl. U istu svrhu, a i kao lijek protiv slabokrvnosti, upotrebljava se i željezov(II) citrat.

Upotreba

Željezo je najkorišteniji od svih metala i njegova proizvodnja čini 95% (maseno) od ukupne svjetske proizvodnje metala. Razlog tome je kombinacija niske cijene i pogodnih fizičkih svojstava, zbog čega je željezo neizostavni materijal u automobilskoj industriji, brodogradnji i graditeljstvu.

Tehničko željezo predstavlja redovito leguru željeza s većim ili manjim količinama ugljika, silicija, mangana, sumpora i fosfora, pa mu svojstva uvelike ovise o količini tih sastojina, odnosno primjesa. Dodacima drugih metala, kao kroma, titanija, molibdena, nikla, tantala, vanadija, kobalta, niobija, volframa i dr., svojstva željeza se mogu i dalje modificirati u širim granicama nego bilo kojeg drugog tehničkog metala. Stoga danas ima na tisuće vrsta tehničkih željeza za najrazličitije namjene. Tehničko željezo, osim vrsta koje su posebnim dodacima (napose nikla i kroma) učinjene kemijski otpornima (nehrđajući čelik), kemijski je manje otporno nego čisto. Ono na vlažnom zraku hrđa, tj. prevlači se slojem hidroksida koji ne štiti metal od daljeg nagrizanja. Željezo grijano na višu temperaturu pokriva se crvenom prevlakom oksida Fe₃O₄.

Primjena željeza je prvenstveno u obliku čelika.

Oko godine 400. sagrađen je željezni stup u Delhiju, visok 7 metara i težak više od 6 tona, koji i dan danas odolijeva monsunskim kišama i koroziji.

Čelik

Glavni članak: Čelik

Primjena željeza je prvenstveno u obliku čelika, a manje kao sirovog ili lijevanog željeza. Čelik je legura željeza s 0,05 do 2,06% ugljika. To je najvažniji tehnološki i konstrukcijski materijal, a do danas je poznato više od tisuću vrsta čelika. Odlikuju se velikom čvrstoćom, tvrdoćom, žilavošću, mogućnošću lijevanja i mehaničke obrade, te velikom elastičnošću.

Povijest

Glavni članak: Povijest metalurgije željeza

Arheološki dokazi upotrebe "meteoritskog željeza" za izradu sitnog nakita i oružja sežu do 5. tisućljeća pr.Kr., u današnjem Iranu i vrhovi koplja, koji datiraju iz 4. tisućljeća pr.Kr. iz drevnog Egipta. Zapisi hijeroglifima iz 2. stoljeća pr.n.e govore o "crvenom balonu s neba", što se odnosi na meteoritsko željezo. Ovo se je željezo koristilo kao ukrasni dio na vrhovima koplja. To željezo ljudi tada nisu dobivali lijevanjem ili taljenjem željeznih ruda, nego su ga obrađivali kao što su obrađivali kamen.

Negdje između 3. i 2. tisućljeća pr. Kr. pronalaze se ostaci obrađenog željeza u području Mezopotamije, Anatolije i Egipta. Ovakvi rani počeci obrađenog željeza razlikuju se od željeza meteoritskog porijekla, jer ne sadrže nikal u svom sastavu. Čini se da su ljudi tada ovo željezo koristili isključivo u religijske svrhe, a željezo je tada bilo vrijednije od zlata i vjerojatno je nastalo kao višak kod proizvodnje bronce.

Između 16. i 12. stoljeća pr. Kr. željezo se počinje snažnije koristiti; doduše i u to vrijeme bronca je se još uvijek snažno koristila. No od 1200. pr. Kr. počinje prijelaz brončanog doba u željezno doba. Smatra se da ovaj prijelaz ljudskog društva nije potaknula premoć i kvaliteta jednog materijala nad drugim, nego nedostatak kositra (koji je naime neophodan za dobivanje bronce). Ovi prvi koraci obrade željeza na počecima željeznog doba uključivali su i korištenje drvenog ugljena tijekom obrade, a rezultat ovakve obrade željeza bio je prvi proizvedeni čelik (površinski sloj željeza). Hlađenjem ovako obrađenog željeza (u pravilu pomoću neke tekućine) dobiveni materijal dobivao je elastičnost i čvrstoću, koja je bila nadmoćna osobinama nad broncom.

Željezo se počelo dobivati iz ruda, najvjerojatnije hematita (Fe₂O₃), oko 1500. pr. Kr., najprije u Anatoliji, današnjoj Maloj Aziji, kao tzv. “spužvasto željezo”. U to vrijeme, zbog nedovoljne temperature primitivnih peći, nije bilo moguće dobivanje lijevanog željeza, već je nastajalo “spužvasto željezo”, koje se kovanjem pretvaralo u upotrebljiv metal. Nalazišta u Uru (Irak), te u Egiptu svjedoče o ranom dobivanju željeza iz ruda. Željezo je u to vrijeme bilo nevjerojatno važan strateški materijal. Smatra se, da je pleme Hetita iz Male Azije postiglo svoju veliku vojnu moć upravo zbog rane proizvodnje željeznog oružja. U to je vrijeme cijena željeza bila veća od cijene zlata, a način njegovog dobivanja čuvao se kao najstroža tajna.

U staroj Grčkoj željezno doba počinje oko 1300. pr. Kr., a 1200. pr. Kr. željezo je već poznato u čitavom “starom svijetu”. Očvršćavanje željeza zakaljivanjem bilo je poznato oko 900. pr. Kr, a također i oporavljanje (popuštanje) zagrijavanjem. O tome svjedoče nalazi i pisani dokumenti iz Rima, Halstatta (Njemačka) i La Tene (Francuska).

Željezo je čovjeku bilo poznato već u prapovijesnim vremenima, a danas je ono kudikamo najvažniji tehnički metal. Od njega se prave mostovi, željeznice, strojevi, brodovi, građevine, itd. kao i bezbroj sitnica potrebnih u svakodnevnom životu: igle, čavli, vijci, pera, kvačice za spise, kutije za konzerve itd.

Dobivanje željeza

Za dobivanje željeza danas se uglavnom koriste oksidne, a rjeđe karbonatne rude. Crvena željezna ruda sadrži mineral hematit. Druge rude sadrže mineral magnetit, koji je crne boje i magnetičan. Željezo rijetko nalazimo u elementarnom obliku koji se nalazi u okolici vulkana i u meteorima. Velike količine željeza korištene od željeznog doba, u prvom tisućljeću prije Krista, dobivene su taljenjem željeznih minerala, kao što je hematit.

Iz oksidnih ruda željezo se dobiva redukcijom ruda koksom, odnosno ugljikovim(II) oksidom (ugljikov monoksid) u visokim pećima. Iz ruda koje su siromašne željezom (npr. limonita), željezo se dobiva tzv. kiselim taljenjem i Kruppovim postupkom.

Dobivanje željeza u visokim pećima

Kroz gornji otvor visoke peći (grotlo), peć se naizmjenično puni slojevima koksa i rude s talioničkim dodacima. Ovisno o rudi, talionički dodatak je vapnenac ili dolomit (ako su rude kisele, jer jalovine sadrže silikate i aluminijev oksid) ili kvarcni pijesak (ako su rude alkaline, jer jalovine sadrže kalcijev oksid). Najdonji sloj koksa se zapali, a dovodi mu se vruć zrak (do 800 °C) obogaćen kisikom. Pri tom koks izgara dajući najprije CO₂, a zatim prolaskom kroz sljedeći sloj koksa prelazi u CO:

2 C + O₂ → 2 CO

Nastali ugljikov(II) oksid (ugljikov monoksid) glavno je redukcijsko sredstvo koje postupno, ovisno o temperaturi pojedinih zona peći, sve više reducira okside željeza, dok konačno ne nastane tzv. spužvasto željezo, a sve reakcije se sumarno mogu svesti na:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Reakcijama oslobođeni CO₂ (koji nastaje raspadom karbonata) reagira s ugrijanim koksom dajući ponovo CO, koji se u manje vrućim dijelovima peći raspada na CO₂ i fino dispergirani ugljik, koji se otapa u spužvastom željezu. Ugljik tako snizuje talište reduciranog željeza na 1100 - 1200 °C. Rastaljeno željezo se, zbog veće gustoće, slijeva polagano u donji dio peći i skuplja se na dnu odakle se ispušta u kalupe ili vagonete kojima se odvozi na daljnju preradu. Tekuća i lakša troska pliva na rastaljenom željezu i ispušta se kroz nešto više smješten ispust.

Proizvodi koji nastaju u visokoj peći su:

Sirovo željezo. Polaganim hlađenjem dobiva se sivo sirovo željezo iz kojeg se izlučio grafit. Naglim hlađenjem dobiva se bijelo sirovo željezo iz kojeg se grafit nije stigao izlučiti. Međutim, sirovo željezo obično se ne hladi nego odmah prerađuje u čelike.
Troska ili zgura, koja je uglavnom kalcijev alumosilikat, upotrebljava se za proizvodnju cementa i kao izolacijski materijal.
Grotleni plin nastaje kao proizvod navedenih procesa gorenja, a sastoji se od dušika, ugljikovog dioksida, ugljikovog monoksida, vodika i metana. Koristi se za zagrijavanje zraka koji se upuhuje u peć.

Sirovo željezo

Sirovo željezo je zbog većeg sadržaja nečistoća i ugljika, jako krhko i nepodesno za obradu ili primjenu. Može se koristiti samo za lijevanje najgrubljih masivnih predmeta (npr. postolja), koji nisu mehanički ili toplinski opterećeni. Da bi se dobilo kvalitetnije željezo ili čelik, sirovo se željezo prerađuje, što uključuje smanjenje sadržaja svih primjesa i podešavanje željenog sadržaja ugljika, koji bitno određuje kvalitetu čelika. Čelikom se smatra legura željeza od 0,05 do 2,06% ugljika. Pročišćeno sirovo željezo koje sadrži više od 1,7%, a manje od 2,5% ugljika obično zovemo lijevano željezo, a koristi se za izradu masivnijih željeznih odljevaka za razna postolja, nosače, kostrukcijsko i građevinsko željezo itd. Mješanjem sirovog željeza s talinom kvarcnog pijeska i pretaljivanjem te smjese u pećima obloženim Fe₂O₃, u talini se dobiva spužvasto, porozno željezo, u kojem prisutni Fe₂O₃ oksidira većinu primjesa. Dobiva se tzv. profilno željezo jer se direktno iz peći, pod tlakom koji istiskuje silikatnu masu s otopljenim primjesama, izvlače profilni proizvodi željeza (cijevi, tračnice, šipke itd.).

Primjese znatno utječu na fizikalna svojstva željeza. Talište čistog željeza je 1535 °C, a željeza sa svega 0,83% ugljika 740 °C. Sastav sirovog željeza:

w(Fe) = 90%,
w(C) = 2 - 5%,
w(Si) = 0,2 – 4%,
w(P) = 0,1 – 3%,
w(Mn) = 1,5 – 6%,
w(S) = 0,01 – 0,05%.

Proizvodnja čelika

Postoji više postupaka prerade željeza u čelike, a najčešći su:^[5]

neposrednim propuhivanjem kisika ili zraka obogaćenog kisikom kroz rastaljeno željezo u konverterima. Najviše se koriste Bessemerov i Thomasov postupak. Razlikuju se u tome što se Thomasovim postupkom iz sirova željeza može ukloniti i fosfor.
posrednom oksidacijom koja se provodi u Siemens - Martinovim pećima. Kod ovog postupka oksidaciju vrši kisik iz plinova iznad taline.
LD postupkom s čistim kisikom (99,9%), u kojem se kisik ne provodi kroz talinu, nego provodi kroz vodom hlađenu kapljastu cijev, koja seže do jednog metra iznad taline. Danas se ovaj postupak sve više primjenjuje.
elektrolučni postupak u kojem se sirovo željezo tali električnim lukom. Ovo je moderniji postupak dobivanja legiranih čelika u kojima je udio drugih metala veći od 5%.

Nalazišta

Željeza ima u sastavu Mjeseca, Sunca i drugih nebeskih tijela kao i na Zemlji gdje je najrasprostranjeniji metal. Zemljina se jezgra najvećim dijelom sastoji od kovinasta željeza, s nešto nikla, a upravo taj sastav željeza u vanjskoj tekućini jezgre i u njezinim čvrstim unutrašnjim dijelovima daje Zemlji njezino magnetno polje. Može se naći kao i mineral, ali rijetko, jer željezo se spremno spaja s kisikom i vodom pa stvara okside i druge minerale. Povremeno se nalazi u nekim promijenjenim bazaltima, gdje su željezni minerali svedeni na urođeno željezo.

Željezni cvijet ili željezni šešir nazivaju rudari dijelove ležišta željezne rude (pirita, hematita, magnetita, siderita), gdje su one prešle u limonite.

U prirodi (na mnogim mjestima Zemljine površine) spojeno se željezo nakupilo u većim koncentracijama, a stijene koje sadržavaju 20% i više željeza mogu služiti kao željezne rude. Najčešće i najvažnije rude od njih sadržavaju minerale hematit (Fe₂O₃ x H₂O), najmanje zastupljen limonit (FeO(OH) x nH₂O) i magnetit (Fe₃O₄) koje su oksidne rude, te vrlo rašireni pirit (FeS₂) koji je sulfidna ruda, te siderit (FeCO₃) koja je karbonatna ruda. Vivijanit je kristal, željezni fosfat. Željezo još nalazimo i u silikatnim rudama (spojevima).

Sve rude se moraju pržiti prije preradbe u sirovo željezo da prijeđu u oksid. Iz rude se sirovo željezo dobiva preradbom u visokoj peći. Tako dobiveno sirovo željezo upotrebljava se manjim dijelom za proizvodnju predmeta lijevanjem, a većim dijelom prerađuje se u čelik.

Zanimljivosti

Za dobivanje 1 tone sirovog željeza potrebno je: 1,65 t rude s dodatcima, 0,5 t koksa, 1,5 – 2,5 t vrućeg zraka i 10 m³ vode za hlađenje. Pritom još nastaje: 0,3 t troske, 3 - 3,5 t grotlenih plinova i prašine.
Eiffelov toranj sagrađen je 1889. Povodom svjetske izložbe u Parizu. Iako je Aleksandar Gustav Eiffel (1832.-1923.) imao najviše usjeha u projektiranju čeličnih mostova, njegov najznačajniji projekt je poznati pariški čelični toranj koji je po njemu dobio ime. Sa četiri rešetkasta nosača uzdiže se do visine oko 300 metara, a teži 9 700 tona. Čelični nosači spajaju tri platforme na visinama 58, 116 i 276 metara koje su posjetiteljima pristupačne dizalom ili stubama. S jedne od turistički najpoznatijih građevina na svijetu pruža se pogled oko 140 km u daljinu. Na tornju se nalazi meteorološka postaja, a služi i kao antenski stup.

Izvori

Hrvatska enciklopedija, Broj 11 (Tr-Ž), str. 400.. Za izdavača: Leksikografski zavod Miroslav Krleža, Zagreb 2000.g. ISBN 953-6036-32-0.

↑ [1] Arhivirano 2014-07-04 na Wayback Machine-u "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.
↑ [2] "Elementi u tragovima - željezo", Iz knjige: prof. dr. Roko Živković "Dijetoterapija", www.zzjzpgz.hr, 2011.
↑ [3] "ŽELJEZO, Fe", www.pse.pbf.hr, 2011.
↑ Hrvatska enciklopedija (LZMK); broj 11 (Tr-Ž), str. 478. Za izdavača: Leksikografski zavod Miroslav Krleža, Zagreb 2009.g. ISBN 978-953-6036-41-7
↑ "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.