úvod
Keby zo sveta zrazu zmizlo železo, zrútili by sa mosty a mrakodrapy, zastavili by sa vlaky aj autá a v kuchyni by nezostal ani jeden nôž. Železo a oceľ tvoria viac ako 90 % všetkých kovov, ktoré ľudia vyrobia. Je to lacný, pevný a dobre spracovateľný kov, ktorý má len jednu veľkú slabosť: hrdzavie. V tejto lekcii zistíš, odkiaľ sa železo berie, ako sa vyrába, čím sa líši od ocele a ako ho chrániť pred hrdzou.
teória
Vlastnosti železa
Čisté železo je sivobiely lesklý kov. Je kujné, vedie teplo aj elektrický prúd, horšie však ako meď alebo hliník. S hustotou 7,87 g/cm³ patrí medzi ťažké kovy a topí sa až pri 1 538 °C. Čisté železo je pomerne mäkké, v praxi sa preto takmer vždy používa ako oceľ, teda zliatina s uhlíkom a ďalšími prvkami.
Najznámejšou vlastnosťou železa je, že ho priťahuje magnet. Takéto kovy sú len tri: železo, kobalt a nikel. Kúsok železa sa dá aj zmagnetizovať, stačí ho niekoľkokrát pretrieť magnetom. Magnetom sa dá železo oddeliť zo zmesi s pieskom alebo sírou, čo využíva aj lekcia Chemicky čisté látky a zmesi.
Železo nájdeš v periodickej tabuľke v 4. perióde, uprostred medzi kovmi, ktorým hovoríme prechodné kovy. Patria k nim aj meď, zinok, striebro a zlato. Značka Fe pochádza z latinského slova ferrum. Zlúčeniny, v ktorých má železo oxidačné číslo +II, sa volajú železnaté, zlúčeniny s oxidačným číslom +III železité.
Železo je d-prvok 8. skupiny a 4. periódy s elektrónovou konfiguráciou [Ar] 3d⁶ 4s². Pri vzniku katiónov odovzdá najprv dva elektróny 4s a vznikne Fe²⁺ s konfiguráciou [Ar] 3d⁶. Po odovzdaní ďalšieho elektrónu z orbitálov 3d vznikne Fe³⁺ s konfiguráciou [Ar] 3d⁵. Päť nespárených elektrónov v piatich orbitáloch 3d je veľmi stále usporiadanie, preto sa zlúčeniny železnaté na vzduchu postupne oxidujú na železité (viac v lekcii Výnimky a ióny). Najčastejšie oxidačné čísla železa sú preto +II a +III. V železanoch, ktoré sú silné oxidovadlá, má železo aj oxidačné číslo +VI.
Nespárené elektróny d robia železo feromagnetickým: magnetické momenty atómov sa v malých oblastiach natočia rovnakým smerom. Nad teplotou 770 °C (Curieho teplota) sa toto usporiadanie rozpadne a rozžeravené železo magnet nepriťahuje.
teória
Kde sa železo nachádza
Železo je štvrtý najrozšírenejší prvok zemskej kôry (asi 5 % jej hmotnosti) po kyslíku, kremíku a hliníku. Z neho a z niklu je aj takmer celé zemské jadro. Rýdze železo sa v prírode nachádza len vzácne, väčšinou ako meteoritické železo. Inak je železo viazané v rudách, najčastejšie s kyslíkom:
| ruda | vzorec | obsah železa | poznámka |
|---|---|---|---|
| magnetit | Fe₃O₄ | 72,4 % | čierny, priťahuje ho magnet |
| hematit (krveľ) | Fe₂O₃ | 69,9 % | červený, rozotretý na prach je červený ako krv |
| limonit (hnedeľ) | Fe₂O₃ · n H₂O | do asi 60 % | hnedý, vzniká zvetrávaním iných rúd |
| siderit (ocieľok) | FeCO₃ | 48,2 % | svetlohnedý, ťažil sa aj na Slovensku |
| pyrit | FeS₂ | 46,5 % | zlatožltý „mačacie zlato“, na železo sa nespracúva |
Pyrit síce obsahuje veľa železa, ale aj síru, ktorá oceľ robí krehkou. Kedysi sa z neho vyrábala kyselina sírová.
Na Slovensku sa v minulosti ťažil hlavne siderit v Spišsko-gemerskom rudohorí, napríklad v Rudňanoch a v Nižnej Slanej. Po stáročia tu pracovali stovky malých hút a hámrov. Najväčší hutnícky podnik na Slovensku sú dnes železiarne v Košiciach, ktoré spracúvajú hlavne dovezenú rudu.
Ako vypočítať, koľko železa je v rude, si vyskúšaš v časti Počítaj na konci lekcie.
teória
Výroba železa vo vysokej peci
Železo sa z rudy vyrába vo vysokej peci. Je to veža vysoká 30 až 40 metrov vymurovaná žiaruvzdornými tehlami, ktorá pracuje bez prestávky aj 15 až 20 rokov. Za deň z nej môže vytiecť až 10 000 ton železa.
- Vsádzka. Zhora sa do pece po vrstvách sype železná ruda, koks a vápenec. Koks je takmer čistý uhlík, ktorý sa vyrába zahrievaním čierneho uhlia bez prístupu vzduchu.
- Horúci vzduch. Dole sa do pece otvormi, ktorým sa hovorí výfučne, vháňa vzduch ohriaty na viac ako 1 000 °C. Koks v ňom horí a vzniká oxid uhličitý, ktorý sa na ďalšom žeravom koksu mení na oxid uhoľnatý.
- Redukcia. Horúci oxid uhoľnatý stúpa nahor, stretáva sa s rudou a odoberá jej kyslík. Z oxidov železa zostane železo, ktoré sa roztaví a steká na dno pece.
- Troska. Vápenec sa v horúčave rozkladá na oxid vápenatý, ktorý sa spojí s hlušinou (hlavne kremenným pieskom z rudy) a vznikne troska. Troska je ľahšia ako železo, preto na ňom pláva.
- Odpich. Niekoľkokrát denne sa otvorí otvor pri dne pece a vytečie roztavené surové železo. Vyšším otvorom sa vypustí troska.
Najdôležitejšia reakcia vo vysokej peci slovami:
oxid železitý + oxid uhoľnatý → železo + oxid uhličitý
Dej, pri ktorom látka stráca kyslík, sa volá redukcia. Oxid uhoľnatý je tu redukovadlo, lebo rude kyslík odoberá. Samotné teplo by na výrobu železa nestačilo: ruda by sa roztavila, ale železo by zostalo spojené s kyslíkom.
Troska nie je odpad. Pridáva sa do cementu, drví sa na štrk pod cesty a vyrába sa z nej izolačná vlna. Horúci plyn, ktorý uniká z pece hore, sa spaľuje a ohrieva vzduch vháňaný do pece.
Koks v spodnej časti pece horí a oxid uhličitý sa na žeravom koksu redukuje na oxid uhoľnatý:
Oxid uhoľnatý redukuje oxidy železa. Železo sa redukuje z oxidačného čísla +III na 0, uhlík sa oxiduje z +II na +IV:
Redukcia prebieha postupne, ako vsádzka klesá do teplejších častí pece: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe. Pri najvyšších teplotách redukuje oxid železnatý aj priamo uhlík (FeO + C → Fe + CO). Hlušinu viaže oxid vápenatý z vápenca do trosky, ktorá je hlavne kremičitan vápenatý:
Oxid vápenatý viaže aj časť síry, a tak ju zo železa odstraňuje. Vysokopecný plyn z vrchu pece obsahuje asi štvrtinu oxidu uhoľnatého, preto sa spaľuje v ohrievačoch vzduchu.
vyskúšaj si
Vysoká pec
- 1. Vsádzka
- 2. Horúci vzduch
- 3. Odpich
Čo patrí do vsádzky vysokej pece? Klikni na tri suroviny, ktoré sa sypú do pece zhora.
Vysoká pec pracuje nepretržite aj niekoľko rokov: zhora sa stále prisýpa vsádzka a dole sa niekoľkokrát denne odpichuje železo a troska.
Nasyp do pece správne suroviny, spusti horúci vzduch a klikni na každú zónu pece. Zistíš, čo sa v nej deje a aká je tam teplota. Na úrovni SŠ uvidíš pri zónach aj rovnice.
teória
Surové železo, oceľ a liatina
Surové železo z vysokej pece obsahuje asi 4 % uhlíka a trochu kremíka, mangánu, fosforu a síry. Je tvrdé, ale krehké, pri údere praskne a nedá sa kovať. Väčšina surového železa sa preto hneď spracuje na oceľ.
- Oceľ obsahuje menej ako 2 % uhlíka, najčastejšie menej ako 1 %. Je pevná a pružná a dá sa kovať, valcovať na plechy a drôty aj zvárať. Vyrába sa v kyslíkovom konvertore: do roztaveného surového železa sa fúka čistý kyslík, ktorý spáli nadbytočný uhlík a nečistoty. V elektrických oblúkových peciach sa zasa taví oceľový šrot, železo sa tak recykluje.
- Liatina obsahuje 2 až 4 % uhlíka. Nedá sa kovať, ale dobre sa odlieva do foriem. Je z nej kanalizačný poklop, starý radiátor aj ťažká panvica.
- Legovaná oceľ obsahuje ďalšie kovy, ktoré jej dávajú nové vlastnosti. Nehrdzavejúca oceľ na príbory a drezy má asi 18 % chrómu a 8 až 10 % niklu, mangánová oceľ na výhybky je veľmi odolná proti opotrebovaniu.
vyskúšaj si
Miešač zliatin
- Cu meď: 65 %
- Zn zinok: 35 %
mosadz
Vlastnosti: zlatistá, tvrdšia ako meď, dobre sa obrába, nekoroduje.
Použitie: kľučky, vodovodné batérie, hudobné nástroje (trúbka), náboje.
Topenie: asi 900 až 940 °C (meď 1 085 °C).
Zloženie je typické, v praxi sa mení podľa účelu.
Vyber oceľ a nehrdzavejúcu oceľ a porovnaj ich zloženie, vlastnosti a použitie. Viac o zliatinách je v lekcii Zliatiny.
Prečo robí uhlík železo tvrdším? Malé atómy uhlíka sa vtesnajú medzi atómy železa v kryštálovej mriežke a bránia vrstvám atómov, aby sa pri údere posúvali. Oceľ s viac uhlíkom je preto tvrdšia, ale krehkejšia. Vlastnosti ocele sa dajú meniť aj teplom: pri kalení sa rozžeravená oceľ prudko ochladí vo vode alebo v oleji a stvrdne, pri popúšťaní sa znova mierne zohreje, aby nebola príliš krehká. Tak sa vyrábajú čepele nožov a pružiny.
teória
Hrdzavenie a ochrana pred ním
Železo na vlhkom vzduchu hrdzavie. Hrdzavenie je druh korózie, teda pozvoľného rozrušovania kovu chemickými reakciami s okolím. Železo sa pritom slučuje s kyslíkom a vodou a vzniká hrdza, hnedočervená látka, ktorá je zjednodušene hydratovaný oxid železitý Fe₂O₃ · x H₂O. Hrdzavenie urýchľuje soľ, preto autá najviac hrdzavejú v zime po solení ciest a lode v morskej vode.
Hrdza je pórovitá a odlupuje sa, vzduch a vlhkosť sa ňou dostanú k ďalšiemu železu, a tak môže zhrdzavieť celý predmet. Hliník alebo chróm sa naopak na vzduchu pokryjú tenkou tesnou vrstvou oxidu, ktorá kov chráni. Hrdzavenie spôsobuje obrovské škody: podľa odhadov stojí korózia svet každý rok niekoľko percent hodnoty všetkého, čo ľudia vyrobia.
Železo pred hrdzou chránime tak, že ho oddelíme od vody a vzduchu alebo ho spojíme s kovom, ktorý ho ochráni:
- náter, lak alebo smalt: ploty, mosty, hrnce,
- olej a mazivo: náradie, reťaz bicykla, časti strojov,
- pozinkovanie: plechy na karosérie áut, odkvapy, pletivo, klince,
- pocínovanie: biely plech na konzervy,
- chrómovanie: kohútiky, časti bicyklov,
- nehrdzavejúca oceľ: chróm v nej vytvorí ochrannú vrstvu oxidu.
vyskúšaj si
Hrdzavenie klinca
Do každej skúmavky sme dali železný klinec. Tipni, v ktorej za týždeň zhrdzavie.
0 / 0suchý vzduch
zazátkovaná skúmavka, na dne chlorid vápenatý, ktorý viaže vlhkosť
prevarená voda pod olejom
varom sa z vody vypudil rozpustený vzduch a vrstva oleja nepustí dnu nový
voda z vodovodu
otvorená skúmavka, klinec je vo vode a nad ňou je vzduch
slaná voda
otvorená skúmavka s roztokom kuchynskej soli
Tipni, v ktorých skúmavkách klinec za týždeň zhrdzavie, a potom nechaj čas ubehnúť. Po skončení môžeš posúvať čas posuvníkom a porovnať, ako hrdza pribúdala.
Pokus si môžeš urobiť aj doma. Do troch pohárov daj po jednom železnom klinci (nie pozinkovanom). Prvý pohár nechaj prázdny, do druhého nalej vodu z vodovodu tak, aby bol klinec ponorený len do polovice, a do tretieho slanú vodu. O týždeň porovnaj, kde je hrdze najviac.
Hrdzavenie je elektrochemická korózia. Na povrchu železa pokrytom vodou vzniknú drobné galvanické články. Na jednom mieste sa železo oxiduje, uvoľnené elektróny prejdú kovom na iné miesto, kde redukujú kyslík rozpustený vo vode:
Katióny Fe²⁺ a anióny OH⁻ vytvoria hydroxid železnatý, ktorý kyslík ďalej oxiduje na hrdzu:
Soľ hrdzavenie urýchľuje, lebo ióny zvyšujú vodivosť vody a články pracujú rýchlejšie. Rozhoduje aj kov, ktorého sa železo dotýka. Ušľachtilejší kov (meď, cín) sa stane katódou a železo sa oxiduje rýchlejšie. Poškriabaný pocínovaný plech preto hrdzavie rýchlejšie ako nechránený. Menej ušľachtilý kov (zinok, horčík) sa naopak oxiduje sám a železo chráni, aj keď je vrstva zinku poškodená. Tak fungujú obetné anódy, bloky zinku alebo horčíka pripevnené na lode, potrubia a bojlery. Poradie kovov podľa ušľachtilosti ukazuje lekcia Oxidy a reaktivita kovov.
teória
Chemické vlastnosti a zlúčeniny železa
Železo je stredne reaktívny kov. Na suchom vzduchu sa takmer nemení, ale ako jemná vlna alebo prášok v plameni horí a vzniká čierny oxid železnato-železitý, ako ukazujú pokusy Spaľovanie oceľovej vlny a Spaľovanie oceľovej vlny v kyslíku. Iskry z prskavky sú tiež horiace zrnká železa.
- So zriedenými kyselinami reaguje a uvoľňuje sa vodík: Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂.
- Koncentrovaná kyselina dusičná a sírová železo pasivujú: vytvoria na ňom tenkú vrstvu oxidu, ktorá ďalšiu reakciu zastaví. Preto sa tieto kyseliny môžu prevážať v oceľových cisternách.
- Po zahriatí sa slučuje so sírou na sulfid železnatý FeS a s chlórom na chlorid železitý FeCl₃.
- Z roztokov solí vytesní meď, lebo je reaktívnejšie: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Železný klinec v roztoku modrej skalice sa pokryje červenou meďou.
Zlúčeniny železa sú farebné. Zlúčeniny železnaté (Fe²⁺) sú väčšinou bledozelené, zlúčeniny železité (Fe³⁺) žlté až hnedé:
| zlúčenina | vzorec | použitie |
|---|---|---|
| oxid železitý | Fe₂O₃ | červenohnedý pigment do farieb, sfarbuje tehly a terakotu |
| oxid železnato-železitý | Fe₃O₄ | čierny magnetický prášok v tonery tlačiarní |
| heptahydrát síranu železnatého (zelená skalica) | FeSO₄ · 7 H₂O | proti machu v trávniku, úprava vody |
| chlorid železitý | FeCl₃ | čistenie odpadovej vody, leptanie plošných spojov |
| hexakyanoželeznatan železitý (berlínska modrá) | Fe₄[Fe(CN)₆]₃ | modrý pigment, protijed pri otrave táliom |
Katióny Fe³⁺ sa dajú dokázať dvoma farebnými reakciami. S tiokyanatanovými aniónmi SCN⁻ vznikne krvavočervený komplex, čo ukazuje pokus Umelá krv. S hexakyanoželeznatanom draselným vznikne sýto modrá zrazenina berlínskej modrej, pozri pokus Berlínska modrá a kyanotypia. Zelená skalica na vzduchu postupne hnedne, lebo kyslík oxiduje Fe²⁺ na Fe³⁺. Ako sa tvoria názvy zlúčenín železa s rôznymi oxidačnými číslami, opakuje kapitola Anorganické názvoslovie.
teória
Železo v živých organizmoch
Telo dospelého človeka obsahuje asi 4 gramy železa, teda približne toľko ako jeden malý klinec. Asi dve tretiny sú v hemoglobíne, červenom farbive červených krviniek. Atóm železa v hemoglobíne viaže v pľúcach molekulu kyslíka a v tkanivách ju zasa uvoľní. Železo je aj v myoglobíne, ktorý uchováva kyslík vo svaloch.
Pri nedostatku železa telo nevyrobí dosť hemoglobínu a vzniká chudokrvnosť (anémia): človek je unavený, bledý a rýchlo sa zadýcha. Železo prijímame v potrave. Najviac ho telo vstrebe z mäsa, veľa ho obsahujú aj strukoviny, orechy a celozrnné pečivo. Vitamín C, napríklad z pohára džúsu, pomáha telu železo z rastlinnej stravy vstrebať.
Železo potrebujú aj rastliny na tvorbu chlorofylu. Keď ho v pôde chýba, listy žltnú a zostávajú zelené len žilky.
rozšírenie Dýka, ktorá prišla z vesmíru
V roku 1925 našiel archeológ Howard Carter v obväzoch múmie faraóna Tutanchamóna dve dýky. Jedna mala čepeľ zo zlata, druhá zo železa, ktoré ani po viac ako 3 300 rokoch nezhrdzavelo. V Tutanchamónovej dobe pritom Egypťania železo z rúd ešte taviť nevedeli. Odkiaľ sa vzalo?
V roku 2016 vedci čepeľ preskúmali röntgenovou fluorescenčnou spektrometriou, ktorá zloženie kovu určí bez toho, aby ho poškodila. Čepeľ obsahuje asi 11 % niklu a trochu kobaltu. Železo vytavené z pozemských rúd má niklu oveľa menej, také zloženie má však meteoritické železo. Dýku teda vykovali zo železa, ktoré spadlo z neba. Starí Egypťania vraj železu hovorili „kov z nebies“.
Železné meteority pochádzajú z jadier rozbitých planétok. Keď sa ich rozrezaná a vyleštená plocha naleptá kyselinou, objaví sa na nej mriežka prekrížených pásikov, Widmanstättenove obrazce. Vznikajú tak, že zliatina železa a niklu vo vnútri planétky chladla extrémne pomaly, počas miliónov rokov. V laboratóriu sa preto vyrobiť nedajú a podľa nich sa pravý meteorit spoľahlivo odlíši od falzifikátu.
Železo z rúd sa naučili vyrábať až neskôr. Na Blízkom východe sa jeho výroba rozšírila okolo roku 1200 pred n. l. a začala sa doba železná. Starovekí kováči tavili rudu s drevným uhlím v malých hlinených peciach, ktoré železo neroztavili, len z neho vznikla pórovitá hrudka. Kováči z nej kladivom vytĺkli trosku a vykovali nástroje.
teória
Časté chyby
- „Hrdza je len hnedé železo.“ Hrdza je nová látka, hydratovaný oxid železitý, ktorá vznikla chemickou reakciou železa s kyslíkom a vodou. Má iné vlastnosti: je krehká, pórovitá a magnet ju takmer nepriťahuje.
- „Na hrdzavenie stačí voda.“ Železo potrebuje vodu aj kyslík naraz. V prevarenej vode pod vrstvou oleja ani v suchom vzduchu klinec nezhrdzavie.
- „Oceľ je iný kov ako železo.“ Oceľ je zliatina železa s malým množstvom uhlíka, prípadne s ďalšími kovmi. Väčšinu ocele tvorí železo.
- „Vo vysokej peci sa železo z rudy vytaví samotným teplom.“ Teplo nestačí, oxid uhoľnatý musí rude odobrať kyslík. Výroba železa je chemická reakcia, redukcia.
- „Magnet priťahuje každý kov.“ Priťahuje len železo, kobalt, nikel a niektoré ich zliatiny. Hliník, meď ani zlato nie. Aj nehrdzavejúca oceľ v príboroch často býva nemagnetická.
- „Železo s kyselinou chlorovodíkovou dá chlorid železitý.“ Vznikne chlorid železnatý FeCl₂ a vodík. Chlorid železitý vzniká reakciou železa s chlórom.
- „Špenát je najlepší zdroj železa.“ Špenát obsahuje železa asi toľko ako iná zelenina a telo z neho vstrebe len malú časť. Viac železa dodá mäso alebo strukoviny.
Ako sa železo správa v porovnaní s ostatnými kovmi, ukazuje lekcia Oxidy a reaktivita kovov. Oceľ a ďalšie zliatiny železa rozoberá lekcia Zliatiny a pri výrobe ocele pomáha kyslík. Spoločné vlastnosti d-prvkov opisuje lekcia Prechodné kovy a v ďalšej lekcii Meď, striebro, zlato a zinok spoznáš zinok, ktorý železo chráni pred hrdzou, a meď, ktorú železo vytesňuje z roztokov.