Гвожђе или железо (Fe), метал је VIIIB групе.
група хемијских елемената">VIIIB групе. Има 16 изотопа чије се атомске масе налазе између 49 — 63. Постојани изотопи су: 54, 56, 57 и 58. Најзаступљенији је изотоп 56 (91%). Симбол Fe долази од лат. ferrum назива за гвожће. Ферат је назив за гвожђе у анјонском комплексу. Телурско гвожђе је назив за елементарно гвожђе, које је настало у Земљиној кори.
Потпуно чисто гвожђе је мекан метал сребрнкастог сјаја. Познато је од прадавних времена, а данас је вероватно најважнији технички метал који налази мноштво облика примене. Оно се првенствено користи у виду челика, у којем је угљеник заступљен са до 2,06%. Гвожђе рђа на влажном ваздуху и раствара се у разређеним киселинама.
Гвожђе се у природи најчешће налази као минерал магнетит, који је кристализован се у облику црних кубних кристала. Оно је један од најраспросрањенијих металних елемената у Земљиној кори, где је по масеном уделу одмах је иза алуминијума. У Земљиној кори је удео гвожђа око 5%, а у целој Земљи се претпоставља да је 37%. Унутрашњост Земље се претежно састоји од гвожђа. Концентрација гвожђа у морима је врло мала (око 4x10−3 ppm). Елементарно гвожђе се у природи налази као метеоритско које је доспело на земљу из Свемира, и као телурно које је присутно у Земљиној кори од исконских времена. Познато је да је гвожђе присутно у саставу Сунца, месечевим стенама и другим небеским телима, где га има око 14,3%, што сведоче метеорити пали на Земљу од којих се половина састоји претежно од гвожђа.
На површини Земље природно гвожђе се веома ретко налази у елементарном стању (на пример телурно гвожђе на Диско, западно од Гренланда).
У елементарном стању чисто гвожђе је сребрнобели, релативно мекан и кован метал. Такође, оно је и феромагнетично, што значи да задржава магнетска својства и након престанка деловања магнетског поља.
Гвожђе је хемијски врло реактивно и као неплеменити метал раствара се у неоксидирајућим киселинама. На ваздуху је врло нестабилно и релативно брзо се оксидује (кородира). У оксидирајућим киселинама (концентрираној сумпорној и азотној киселини) површина гвожђа се не раствара, него се пасивизира стварањем заштитног слоја.
Гвожђе има 9 изотопа (масени број од 52 до 60) и четврти је елемент по уделу у земљиној кори. У природи се гвожђе налази као смеша четири стабилна изотопа: гвожђе-54 (5,8%), гвожђе-56 (91,72%), гвожђе-57 (2,2%) и гвожђе-58 (0,28%), а остали су изотопи радиоактивни, с кратким временом полураспада, осим изотопа гвожђе-60 (t1/2 = 3x105 година). Изотоп гвожђе-56 познат је као нуклид с најстабилнијом језгром, јер има највећу нуклеарну енергију везивања.
Као биогени елемент, гвожђе спада у групу есенцијалних елемената где учествује у преносу кисеоника. Гвожђе је важно за живот биљака и животиња и налази се у саставу хемоглобина и хлоропласта у крви, па мора бити садржано у храни топлокрвних животиња, као и тлу у коме расту биљке. У организму одраслог човека има око 5,85 грама гвожђа; од тога је 55% везано за хемоглобин, 10% је у миоглобину и 17% у ћелијским хеминима; око 17% гвожђа се налази и у другим органима (као феритин и хемосидерин). Препарати гвожђа убрајају се у најстарија лековита средства; били су познати већ у римско време. Данас се гвожђе у облику растворних феросола највише употребљава за лечење разних облика анемије. Мањак гвожђа доводи до анемије, а вишак може изазвати оштећење јетре и бубрега. За нека једињења гвожђа се претпоставља да су канциногена.
Ситније честице гвожђа могу сагоревати у ваздуху, при чему се јављају искре усијаног оксида, а у сасвим фином раздељењу гвожђе је и пирофорно, тј. самозапаљиво на ваздуху. С усијаним гвожђем водена пара реагује уз настанак оксида Fe3O4 (магнетит) и водоника. На високој температури гвожђе се директно спаја с хлором и са сумпором. У разређеним се киселинама техничко гвожђе се лако раствара. Концентрисана сумпорна киселина не нагриза гвожђе (стога се она може одлагати и превозити у жељезним посудама), а у концентрованој азотној киселини гвожђе постаје пасивно.
Гвожђе директно реагује с већином неметала при умереним температурама. Осим с кисеоником реагује с угљеником, сумпором, хлором, фосфором и другима.
Гвожђе се јавља у 4 алотропске модификације: α, ß, γ и δ гвожђе. Његова кристална структура се мења с променом температуре.
α железо поседује просторно (запремински) центрирану кубну кристалну решетку, а стабилно је у температурском интервалу између 723 °C и 770 °C. Ова алотропска модификација железа одликује се феромагнетичним особинама.
У температурском интервалу од 770 до 906 °C железо и даље има просторно (запремински) центрирану кубну кристалну решетку, међутим изнад 770 °C одликује се парамагнетним својствима. Због разлике у физичким карактеристикама, користи се друга ознака — ß железо.
Изнад температуре од 906 °C па све до 1401 °C железо карактерише површински центрирана кубна кристална решетка. Ова алотропска модификација означава се као γ железо.
Између 1401 °C и 1539 °C железо се поново одликује просторно (запремински) центрираном кубном кристалном решетком и назива се δ железо. Разлика између α и δ железа јесте у параметру кристалне решетке.
Изнад 1539 °C железо више не поседује кристалну решетку већ се налази у течном стању — у стању растопа.
Оксидациона стања | Представници хемијских једињења |
---|---|
−2 | ретки — Na2[Fe(CO)4]; атомска љуска d10 |
−1 | ретки – [Fe2(CO)8]2; атомска љуска d9 |
0 | [Fe(CO)5]; атомска љуска d8 |
1 | ретки – Na2[Fe(NO)(OH2)5]; атомска љуска d7 |
2 (двовалентно гвожђе) | FeO, FeS2, Fe(OH)2, [Fe(OH2)6]2 + (voda), FeF2, [Fe(η-C5H5)2] итд.; атомска љуска d6 |
3 (тровалентно гвожђе) | Fe2O3, Fe3O4, FeF3, FeCl3, Fe(OH)(O), [Fe(OH2)6]3+ (вода) итд.; атомска љуска d5 |
4 | ретко, неки комплекси; атомска љуска d4 |
5 | [FeO4]3 (?); атомска љуска d3 |
6 | K2[FeO4]; атомска љуска d2 |
У хемијским једињењима је гвожђе најчешће двовалентно или тровалентно (феро- и фери- једињења).
Гвожђе формира једињења у којима има оксидационе бројеве +2, +3 и +6, а у најважнијима и највећем броју једињења има оксидацијски број +2 (феро) и +3 (фери). Стање +2 је најстабилније. Шестовалентно гвожђе је фератни јон FeO4 — који је постојан само у алкалном медију, а у киселом медију се распада на Fe3+ и кисеоник, уз нешто озона.
Нестабилнији Fe2+ јон у се воденом раствору у присуству кисеоника лако оксидује у Fe3+ јон.
Гвожђе због свог негативног стандардног електродног потенцијала Fe2+/Fe, раствара се у киселинама уз развијање водоника.
Јони Fe2+ и Fe3+ имају изражену способност стварања комплекса координацијског броја 6. Раствор јона Fe2+ је светлозелене боје. Раствор јона Fe3+ је жуте боје, осим бромида који је црвене. Диметил-глиоксим обоји раствор Fe2+ јона црвено.
Од оксида гвожђа важни су:
Гвожђе је најкоришћенији од свих метала и његова производња чини 95% (масено) од укупне светске производње метала. Разлог томе је комбинација ниске цене и погодних физичких својстава, због чега је гвожђе неизоставни материјал у аутомобилској индустрији, бродоградњи и грађевинарству.
Техничко гвожђе представља распрострањену легуру гвожђа с већим или мањим количинама угљеника, силицијума, мангана, сумпора и фосфора. Својства материјала у великој мери зависе од количине тих састојака, односно примеса. Додацима других метала, као што су хром, титанијум, молибден, никл, тантал, ванадијум, кобалт, ниобијум, волфрам и др., својства гвожђа се могу даље модификовати у ширим границама него било којег другог техничког метала. Стога данас има на хиљаде врста техничких гвожђа за најразличитије намене. Техничко гвожђе, осим врста које су посебним додацима (првенствено никла и хрома) учињене хемијски отпорнима (нерђајући челик), хемијски је мање отпорно од чистог гвожђа. Оно на влажном ваздуху рђа, тј. превлачи се слојем хидроксида који не штити метал од даљег нагризања. Гвожђе загрејано на вишу температуру се покрива црвеном превлаком оксида. Fe3O4.
Гвожђе се првенствено користи у облику челика, и у мањој мери као сирово или ливено гвожђе. Челик је легура гвожђа с 0,05 до 2,06% угљеника. То је најважнији технолошки и конструкциони материјал, а данас је познато више од хиљаду врста челика. Одликују се великом чврстоћом, тврдоћом, жилавошћу, подесни су за ливење и механичку обраду, и имају знатну еластичност.
Археолошки докази употребе „метеоритског гвожђа“ за израду ситног накита и оружја сежу до 5. миленијума п. н. е. у данашњем Ирану и врхови копља, који датирају из 4. миленијума п. н. е. из древног Египта. Хијероглифски записи из 2. века п. н. е. говоре о „црвеном балону с неба“, што се односи на метеоритско гвожђе. Ово гвожђе се користило као украсни део на врховима копља. Гвожђе се тада није добијало ливењем или топљењем руда гвожђа, него се обрађивало на начин на који се обрађивао камен.
Негде између 3. и 2. миленијума п. н. е. ушла је у употребу обрада гвожђа у подручју Месопотамије, Анатолије и Египта. Овакви рани почеци обрађеног гвожђа разликују се од гвожђа метеоритског порекла, јер не садрже никл у свом саставу. Чини се да су људи у то време користили гвожђе искључиво у религијске сврхе, и оно је тада било вредније од злата и вероватно је настало као нуспродукт производње бронзе.
Између 16. и 12. века п. н. е. гвожђе се почиње снажније користити; додуше и у то време бронза је још увек била у широкој употреби. Од 1200. п. н. е. почиње прелаз бронзаног доба у гвоздено доба. Сматра се да овај прелаз људског друштва није подстакла премоћ и квалитета једног материјала над другим, него недостатак калаја (који је неопходан за формирање бронзе). Ови први кораци обраде гвожђа на почецима гвозденог доба укључивали су и кориштење дрвеног угљена током обраде, а резултат овакве обраде гвожђа био је први произведени челик (површински слој гвожђа). Хлађењем овако обрађеног гвожђа (по правилу помоћу неке течности) добијени материјал је добијао еластичност и чврстоћу, која је била супериорна у односу на особине бронзе.
Гвожђе се почело добијати из руда, највероватније хематита (Fe2O3), око 1500. п. н. е., најпре у Анатолији, данашњој Малој Азији, као тзв. „порозно гвожђе“. У то време, због недовољне температуре примитивних пећи, није било могуће добијање ливеног гвожђа, већ је настајало порозно гвожђе, које се ковањем претварало у употребљив метал. Налазишта у Уру (Ирак), те у Египту сведоче о раном добијању гвожђа из руда. Гвожђе је у то време било невероватно важан стратешки материјал. Сматра се, да је племе Хетита из Мале Азије постигло своју велику војну моћ управо због ране производње гвозденог оружја. У то је време цена гвожђа била већа од цене злата, а начин његовог добијања чувао се као најстрожа тајна.
У старој Грчкој гвоздено доба почиње око 1300. п. н. е, а 1200. п. н. е. гвожђе је већ познато у читавом “старом свету”. Очвршћавање гвожђа закаљивањем било је познато око 900. п. н. е, а такође и опорављање (попуштање) загревањем. О томе сведоче налази и писани документи из Рима, Халстата (Немачка) и Ла Тене (Француска).
Гвожђе је човеку било познато већ у праисторијским временима, а данас је оно далеко најважнији технички метал. Од њега се праве мостови, жељезнице, машине, бродови, грађевине, итд. као и безброј ситница потребних у свакодневном животу: игле, ексери, завртњи, кајле, спајалице за документе, кутије за конзерве итд.
За добивање гвожђа данас се углавном користе оксидне, а ређе карбонатне руде. Црвена гвоздена руда садржи минерал хематит. Друге руде садрже минерал магнетит, који је црне боје и магнетичан. Гвожђе се ретко налази у елементарном облику, који је присутан у близини вулкана и у метеорима. Знатне количине гвожђа су кориштене од гвозденог доба. У првом миленијуму п. н. е. гвожђе се добијало топљењем минерала гвожђа, као што је хематит.
Из оксидних руда, гвожђе се добија редукцијом руда коксом, односно угљеник(II) оксидом (угљен-моноксидом) у високим пећима. Из руда које су сиромашне гвожђем (нпр. лимонита), гвожђе се добија тзв. киселим топљењем и Круповим поступком.
Кроз горњи отвор високе пећи (гротло), пећ се наизменично пуни слојевима кокса и руде с топионичким додацима. Зависно од руде, топионички додатак је кречњак или доломит (ако су руде киселе, јер јаловине садрже силикате и алуминијум оксид) или кварцни песак (ако су руде алкалне, јер јаловине садрже калцијум оксид). Најнижи слој кокса се запали, и доводи се врућ ваздух (до 800 °C) обогаћен кисеоником. При том кокс изгара дајући најпре CO2, а затим проласком кроз следећи слој кокса прелази у CO:
Настали угљеник(II) оксид (угљен-моноксид) главно је редукционо средство које постепено, зависно од температуре појединих зона пећи, све више редукује оксиде гвожђа, док коначно не настане тзв. порозно гвожђе, а све реакције се сумарно могу свести на:
Реакцијама ослобођени CO2 (који настаје распадом карбоната) реагује с угрејаним коксом дајући поново CO, који се у мање врућим деловима пећи распада на CO2 и фино дисперговани угљеник, који се раствара у порозном гвожђу. Угљеник тако снижава тачку топљења редукованог гвожђа на 1100 — 1200 °C. Растопљено гвожђе се, због веће густине полако слива у доњи део пећи и скупља се на дну одакле се испушта у калупе или вагонете којима се одвози на даљњу прераду. Течна и лакша троска плива на растаљеном гвожђу и испушта се кроз нешто више смештен испуст.
Производи који настају у високој пећи су:
Сирово гвожђе је због већег садржаја нечистоћа и угљеника, јако крто и неподесно за обраду или примену. Може се користити само за ливење најгрубљих масивних предмета (нпр. постоља), који нису механички или топлотно оптерећени. Да би се добило квалитетније гвожђе или челик, сирово гвожђе се прерађује, што укључује смањење садржаја свих примеса и подешавање садржаја угљеника у гвожђу, који битно одређује квалитет челика. Челиком се сматра легура гвожђа која садржи од 0,05 до 2,06% угљеника. Пречишћено сирово гвожђе које садржи више од 1,7%, а мање од 2,5% угљеника обично се назива ливено гвожђе, а користи се за израду масивнијих гвоздених одливака за разна постоља, носаче, конструкцијско и грађевинско гвожђе итд. Мешањем сировог гвожђа с растопом кварцног песка и претапањем те смеше у пећима обложеним Fe2O3, у растопу се добија порозно гвожђе, у којем присутни Fe2O3 оксидује већину примеса. Добија се тзв. профилно гвожђе јер се директно из пећи, под притиском који истискује силикатну масу с отопљеним примесама, извлаче профилни производи гвожђа (цеви, шине, шипке итд.).
Примесе знатно утичу на физичка својства гвожђа. Тачка топљења чистог гвожђа је 1535 °C, а гвожђа са свега 0,83% угљеника 740 °C. Састав сировог гвожђа:
Постоји више поступака прераде гвожђа у челике, а најчешћи су:
Рециклирање метала је процес поновног кориштења металних материјала, понајвише алуминијума и челика. Сви производи сачињени од алуминијума и челика у великом се уделу могу рециклирати, а рециклирањем истих сировина штеди се до 95% енергије потребне за производњу нових материјала. Метали имају јако велики постотак поновне искористивости, а понајвише челик – до 100%.
Гвожђа има у саставу Месеца, Сунца и других небеских тела као и на Земљи, где је најраспрострањенији метал. Земљино језгро се највећим делом састоји од гвожђа, с нешто никла, а управо тај састав гвожђа у спољашњој течности језгра и у његовим чврстим унутрашњим деловима даје Земљи магнетно поље. Гвожђе се може се наћи и минерала, мада је то ретко случај јер гвожђе с лакоћом реагује с кисеоником и водом стварајући оксиде и друге минерале. Повремено се налази у неким промењеним базалтима, где су гвоздени минерали сведени на урођено гвожђе.
Гвоздени цвет или гвоздени шешир су рударски називи за делове лежишта руде гвожђа (пирита, хематита, магнетита, сидерита), где су оне прешле у лимоните.
У природи (на многим местима Земљине површине) гвожђе се накупило у већим концентрацијама, а стене које садрже 20% и више гвожђа могу служити као руде гвожђа. Најчешће и најважније су оксидне руде које садрже минерале хематит (Fe2O3 x H2O), најмање заступљен лимонит (FeO(OH) x nH2O) и магнетит (Fe3O4), те врло распрострањени пирит (FeS2) који је сулфидна руда, сидерит (FeCO3) који је карбонатна руда. Вивијанит је кристал, гвоздени фосфат. Гвожђе се налази и у силикатним рудама (једињењима).
Све руде се морају пржити пре прераде у сирово грожђе да пређу у оксиде. Из руде се сирово гвожђе добија прерадом у високој пећи. Тако добивено сирово гвожђе се употребљава мањим делом за производњу предмета ливењем, а већим делом се прерађује у челик.
Железо је неопходно за очување здравља. Атом железа се налази у многим ензимима: хемоглобину, миоглобину... Потребе за гвожђем се разликују у зависности од старости, тежине, пола, здравља минималне количине које је потребно дневно унети крећу се у широким оквирима. Код одраслих особа од 10 милиграма дневно до 20 код жена, док је за време дојења потребно 30. Иако човеков организам има солидне механизме за регулацију количине гвожђа, у неким ситуацијама може доћи до обољења хемохроматозе. То обољење се јавља услед превелике дозе гвожђа у организму. Велике количине гвожђа(II) су отровне. Соли гвожђа(III-VI) су безопасне, зато што их организам не апсорбује.
Правилна концентрација гвожђа у крви:
This article uses material from the Wikipedia Српски / Srpski article Гвожђе, which is released under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 license ("CC BY-SA 3.0"); additional terms may apply (view authors). Садржај је доступан под лиценцом CC BY-SA 4.0 осим ако је другачије наведено. Images, videos and audio are available under their respective licenses.
®Wikipedia is a registered trademark of the Wiki Foundation, Inc. Wiki Српски / Srpski (DUHOCTRUNGQUOC.VN) is an independent company and has no affiliation with Wiki Foundation.