Železo

Železo (chemická značka Fe, latinsky ferrum) je nejrozšířenější přechodný kovový prvek a druhý nejrozšířenější kov na Zemi, je také hojně zastoupen i ve vesmíru, kde hraje významnou roli ve vývoji hvězd. Lidstvu je znám již od pravěku. V přírodě se minerály železa vyskytují velmi hojně a železo se z nich (ve formě slitiny s uhlíkem) získává redukcí ve vysoké peci.

Železo
[Ar] 3d6 4s2 56 Fe 26
↓ Periodická tabulka ↓
Obecné
Název, značka, číslo	Železo, Fe, 26
Cizojazyčné názvy	lat. ferrum
Skupina, perioda, blok	8. skupina, 4. perioda, blok d
Chemická skupina	Přechodné kovy
Koncentrace v zemské kůře	47 000 až 56 300 ppm
Koncentrace v mořské vodě	0,01 mg/l
Vzhled	Světle šedý až bílý kov
Identifikace
Registrační číslo CAS	7439-89-6
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost	55,845(2)
Atomový poloměr	140 (156 vypočtený) pm
Kovalentní poloměr	125 pm
Iontový poloměr	Fe2+: 0,61 Å nebo 0,78 Å (nízkospinové a vysokospinové uspořádání) Fe3+: 0,55 Å nebo 0,64 Å (nízkospinové a vysokospinové uspořádání) Fe4+: 0,58 Å (0,52×10−10m) Fe6+: 0,25 Å (0,25×10−10m) pm
Elektronová konfigurace	[Ar] 3d6 4s2
Oxidační čísla	−II, II, III, IV, VI
Elektronegativita (Paulingova stupnice)	1,83
Ionizační energie
První	Fe→Fe++e−: 762,5 kJ/mol Fe+→Fe2++e−: 1561,9 kJ/mol Fe2+→Fe3++e−: 2957 kJ/mol Fe3+→Fe4++e−: 5290 kJ/mol
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava	Prostorově centrovaná krychlová mřížka (0–1179 K; 1674–1811 K), plošně centrovaná krychlová mřížka (1179–1674 K)
Molární objem	7,09×10−6 m3/mol
Mechanické vlastnosti
Hustota	7,86 g/cm³ (při teplotě tání 6,98 g/cm³)
Skupenství	Pevné
Tvrdost	4,0
Tlak syté páry	7,05 Pa (při 1808 K)
Rychlost zvuku	Při 293,15 K : 5900 (podélně), 3200 (příčně) m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost	80,2 W⋅m−1⋅K−1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání	1538 °C (1 811,15 K)
Teplota varu	2861 °C (3 134,15 K)
Skupenské teplo tání	13,8 kJ/mol
Skupenské teplo varu	340 kJ/mol
Měrná tepelná kapacita	452 Jkg−1K−1 (0,1077 kJ/mol)
Elektromagnetické vlastnosti
Elektrická vodivost	9,93×106 S/m
Měrný elektrický odpor	96,1 nΩm (při 20 °C)
Standardní elektrodový potenciál	−0,447 V (Fe2+ + 2e− → Fe) −0,037 V (Fe3+ + 3e− → Fe) 2,20 V (FeO42−+ 8 H+ + 3e−→Fe3++4 H2O) V
Magnetické chování	Ferromagnetické (do teploty 1043 K)
Bezpečnost
GHS02 GHS07 [1] Nebezpečí[1]
R-věty	R11
S-věty	S53, S45, S60, S61
Izotopy
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P 52Fe umělý 8,275 h ε β+ 2,377 52Mn 53Fe umělý 8,51 min ε β+ 3,742 6 53Mn 54Fe 5,845 3,1×1022 let 2 × β 54Cr 55Fe umělý 2,744 let ε 0,231 1 55Mn 56Fe 91,72 je stabilní s 30 neutrony 57Fe 2,20 je stabilní s 31 neutrony 58Fe 0,28 je stabilní s 32 neutrony 59Fe umělý 44,495 dní β− 1,565 59Co 60Fe umělý 2,62×106 let[2] β− 3,978 60Co
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Mangan ≺ Fe ≻ Kobalt ⋎ Ru

Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace. Lidstvu je známo již od pravěku, průmyslová výroba v masovém měřítku však začíná teprve v 18. století. Železo má mnohostranné využití k výrobě většiny základních technických prostředků používaných člověkem, zhotovovaných ze slitin železa nazývaných oceli a litiny. Velmi významné jsou také sloučeniny železa, ať už anorganické, organické nebo komplexní. Železo je také velmi významným biogenním prvkem, v organismu se podílí na přenášení kyslíku k buňkám a tím umožňuje život mnoha organismů na naší planetě. Nedostatek železa vede k chudokrevnosti, která se projevuje sníženou kapacitou krve pro dýchací plyny.^[3]

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Čisté železo

Železo je poměrně měkké, světle šedé až bílé. Je to feromagnetický kov s malou odolností proti korozi. Je feromagnetické do teploty 768 °C – Curieův bod – kdy tuto vlastnost ztrácí. Železo patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-orbitalu. Ve sloučeninách se vyskytuje především v mocenství Fe²⁺ a Fe³⁺, sloučeniny Fe⁴⁺ jsou velmi nestálé a nemají praktický význam. Sloučeniny Fe⁶⁺ jsou velmi silná oxidační činidla, ale nejsou stabilní, a proto se nevyužívají.

Chemicky je elementární železo značně nestálé a reaktivní. Velmi snadno se rozpouští působením minerálních kyselin. V kyselině chlorovodíkové se rozpouští za vzniku chloridu železnatého, který se velmi rychle oxiduje rozpuštěným kyslíkem ve vodě na chlorid železitý. Ve zředěné kyselině sírové se železo rozpouští za vzniku síranu železnatého, který se ovšem delším stáním na vzduchu oxiduje na síran železitý, v koncentrované kyselině sírové se železo nerozpouští vlivem pasivace. Ve zředěné kyselině dusičné se železo rozpouští za vzniku dusičnanu železitého a v koncentrované se pouze na povrchu pasivuje a nerozpouští.

Hydroxidy na železo za normální teploty nepůsobí, avšak zahříváním železných pilin s hydroxidem alkalického kovu vznikají železany. Působením vzdušné vlhkosti se železo snadno oxiduje za tvorby hydratovaných oxidů (rez). Tato reakce přitom nevede k ochraně materiálu povrchovou pasivací jako u mnoha jiných kovových prvků, protože vrstva rzi se snadno odlupuje a koroze pokračuje do hloubky materiálu. V suchém vzduchu (bez vlhkosti) reaguje železo s kyslíkem až při teplotě 150 °C a se samotnou vodou železo bez přítomnosti kyslíku vůbec nereaguje. Při žíhání železa ve vzduchu nebo jeho reakcí s vodní párou vzniká oxid železnato-železitý Fe₃O₄. Železo se přímo za horka slučuje s chlórem, sírou a fosforem a má schopnost se slučovat („slévat“) s uhlíkem a křemíkem, naproti tomu se železo vůbec neslučuje s dusíkem.

Významnou vlastností atomového jádra železa je skutečnost, že se vyznačuje nejvyšší vazebnou energií ze všech známých prvků. Prakticky to znamená, že při termojaderné fúzi, probíhající v nitru hvězd je železo posledním prvkem, který lze tímto způsobem připravit za vzniku energetického zisku. Naopak při štěpení jader těžkých prvků je jádro atomu železa prvním, z něhož nelze štěpením získat energii.

Původ a význam ve vesmíru

Železo vzniká hvězdnou nukleosyntézou, termonukleární fúzí křemíku v jádrech velkých hvězd na konci jejich vývoje. Železo je nejtěžším prvkem, který se v posloupnosti od hélia v jádře hvězd syntetizuje za současného uvolnění energie. Železo se v jádře hvězdy hromadí, protože fúze jeho jader neuvolňuje energii. Gravitace nahromaděného železa poruší hydrostatickou rovnováhu hvězdy, způsobí její gravitační kolaps a následný výbuch supernovy druhého typu. Tím se železo s ostatními prvky vzniklými v jádře hvězdy rozptýlí do vesmírného prostoru. Při výbuchu supernovy se současně syntetizují prvky těžší než železo, které fúzí v jádru hvězdy vzniknout nemohou.

Historický vývoj

Železný meteorit

Železo je lidstvu známo již od prehistorické doby (halštatské a laténské období), avšak ne všechny nálezy v přírodě lze pokládat za lidské výtvory. Železné kuličky staré 6000 let, které se nachází v přírodě, jsou meteoritického původu.^[4] Ani později nalezené vzorky, které vznikly redukcí rud obsahujících železo dřevěným uhlím, nelze považovat za odlité člověkem, protože bez použití měchů nelze dosáhnout patřičné teploty pro jeho redukci.^[4]

První železo vzniklé činností člověka, které bylo možno opracovávat kovářským způsobem, je houbovité železo, které vzniklo nízkoteplotní redukcí železné rudy v zkujňovacím ohništi. Železná ruda se zahřívala v mělkých jamách s velkým přebytkem dřevěného uhlí rozdmýchávaného měchem. Získaly se tak slinuté kusy kujného železa, které se dále zpracovaly kovářským způsobem. S tímto způsobem výroby železa se setkáváme prvně u Chetitů ve třetím tisíciletí před naším letopočtem.^[5] Chetité výrobu železa velmi dobře střežili a k jeho rozšíření tak došlo teprve po rozpadu Chetitské říše někdy okolo roku 1200 př. n. l., kdy začíná doba železná.^[5]

Ve středověku se při zpracovávání přešlo od jam či plochých krbů k malým šachtovým pecím, z nichž se postupem času vyvinuly dnešní vysoké pece. Ve 14. století byl zaveden pohon dmýchadel vodní silou, což vedlo ke zvýšení teploty v peci a získalo se tak železo s větším obsahem uhlíku – surové železo. To není kujné, ale lidé se je postupně učili zpracovávat na kujné železo novým zahříváním za vydatného přívodu vzduchu.

Významný krok ve zpracování železných rud bylo zavedení koksu jako paliva a redukčního činidla na konci 18. století^[6]. Jeho použití lze považovat za jeden z hlavních faktorů průmyslové revoluce.^[4] Zkujňování železa v 1. polovině 19. století probíhalo ještě v ne zcela roztaveném stavu v pudlovnách, teprve ve druhé polovině 19. století bylo výrazně zlepšeno pomocí zkujňování větrem (pochod Bessemerův, bessemerace, 1855) a topení s regenerací tepla (proces Siemensův–Martinův, 1865). V poslední době bylo pro výrobu vysoce kvalitních ocelí zavedeno tavení v elektrické peci.^[6]

Výskyt

Další minerály železa naleznete v kategorii Minerály železa.

Těžba železa v roce 2005. Na prvním místě je Čína s asi 420 milióny tun, následuje Brazílie (asi 300 miliónů tun) a Austrálie (asi 250 miliónů tun)

Železo patří vzhledem ke stálosti svého jádra mezi prvky s velmi významným zastoupením na Zemi i ve vesmíru. Železo se vyskytuje také na Měsíci, kde jeho zastoupení v kůře činí 9 %. V měsíčním prachu je obsažen v kovové formě v množství okolo 0,5 %, v průměrně dvanáctimetrové povrchové vrstvě se nachází okolo 10¹² tun železa.^[7] V zemské kůře činí průměrný obsah železa 4,7–6,2 % (62 000 ppm), čímž se řadí na 4. místo podle výskytu prvků (před ním je jen kyslík, křemík a hliník).^[7] Předpokládá se, že zemské jádro je složeno především ze železa, kobaltu a niklu a celkový podíl železa na složení naší planety je ještě podstatně vyšší (podle některých údajů až 35 %).^[zdroj?]

V mořské vodě se jeho koncentrace pohybuje pouze na úrovni 0,01 miligramů v jednom litru. Předpokládá se, že ve vesmíru připadá na jeden atom železa přibližně 40 000 atomů vodíku.

V přírodě se železo vyskytuje ve formě sloučenin v mnoha rudách, které mohou být průmyslově využity k jeho výrobě. Nejvíce se vyskytuje ve formě oxidů a uhličitanů.^[7] Z nejznámějších lze jmenovat například hematit (krevel) Fe₂O₃, magnetit (magnetovec) Fe₃O₄, limonit (hnědel) Fe₂O₃ · x H₂O, ilmenit FeTiO₃ nebo siderit (ocelek) FeCO₃. Známý je i sulfidický pyrit FeS₂, který se však kvůli obtížnému oddělení síry od železa průmyslově tolik nezpracovává.^[7] Co do obsahu železa je z těchto rud nejhodnotnější magnetit, který obsahuje téměř tři čtvrtiny hmotnosti železa, ale nejhojněji se vyskytující rudou je hematit. Vzhledem k vysoké dostupnosti železných rud se vybírají ty kvalitnější.

K méně známým rudám železa, které nelze využívat k jeho výrobě, patří například augit (Ca,Mg,Fe)SiO₃, chromit FeCr₂O₄, kobaltin (Co,Fe)AsS, jakobsit MnFe₂O₄, andradit Ca₃Fe₂³⁺(SiO₄)₃, olivín (Mg,Fe)₂SiO₄, triplit (Mn,Fe,Mg,Ca)₂(PO₄)(F,OH), vivianit Fe₃(PO₄)₂· 8(H₂O) a wolframit (Fe,Mn)WO₄.

Elementární kovové železo, které lze nalézt na zemském povrchu, je buď pozemské, nebo meteoritické. Pozemské je vzniklé nejspíše „přirozeným zhutněním“ železa obsaženého v bazaltech, přičemž se poukazuje na přítomnost uhelných vrstev nebo jejich uzavřenin (výskyty na ostrově Disko u Grónska či v Bühlu u německého Kasselu, v Česku vzácně ze Strak u Duchcova). Meteorický původ železa je praktickým důkazem významné přítomnosti železa v okolním vesmíru a minulosti bylo meteorické železo jediným zdrojem pro výrobu železných nástrojů, zbraní a dalších předmětů.

• 
  Hematit – Krevel
• 
  Pyrit
• 
  Magnetit – Magnetovec
• 
  Limonit – Hnědel

Průmyslová výroba

Podrobnější informace naleznete v článku Vysoká pec.

Schéma vysoké pece:
1. vhánění předehřátého vzduchu (~900 °C)
2. tavicí zóna (~2000 °C)
3. zóna redukce oxidu železnatého FeO (700–1200 °C)
4. zóna redukce oxidu železitého Fe₂O₃ (200–700 °C)
5. předehřívací zóna (~200 °C)
6. zavážka (ruda, vápenec, koks)
7. odpadní plyny
8. sloupec rudy, koksu a vápence
9. odvod strusky
10. odběr surového železa
11. odvod odpadních plynů
(citace^[8][9])

Velmi čisté železo se v menším množství vyrábí redukcí čistého oxidu nebo hydroxidu vodíkem nebo karbonylovým způsobem zahříváním železa v atmosféře oxidu uhelnatého CO při zvýšeném tlaku a následným rozkladem vzniklého pentakarbonylu železa Fe(CO)₅ při teplotě 250 °C na práškový kov.^[7]

Pro běžné použití se železo získává jakožto surové železo ve vysoké peci redukcí svých oxidů koksem nebo oxidem uhelnatým. Upravené rudy se střídavě naváží se struskotvornými látkami (vápenec, oxidy křemíku) a koksem do vysoké pece.

Ve vysoké peci probíhá několik dějů. V dolní části pece se spaluje koks na oxid uhličitý CO₂ díky vhánění předehřátého vzduchu (popř. vzduchu obsahujícího topný olej).

• ${\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\ \rightarrow \ CO_{2}} }$

Touto exotermickou reakcí se pec v tavicí zóně vyhřívá na teplotu okolo 2 000 °C^[8], což způsobí roztavení surového železa a tvorbu strusky. Struska je vrstva lehkých oxidů a silikátů, která chrání taveninu před zpětnou oxidací vzdušným kyslíkem.

• ${\displaystyle \mathrm {SiO_{2}+CaO\ \rightarrow \ CaSiO_{3}} }$

Na dně se hromadí roztavené železo, odkud se vypouští odděleně od strusky. Ve vyšších vrstvách pece probíhá nepřímá redukce oxidů železa oxidem uhelnatým. Nejdříve dochází k redukci oxidu železitého (přechodně vzniká oxid železnato-železitý Fe₃O₄) a k rozkladu vápence na oxid vápenatý CaO a oxid uhličitý (reakce potřebující méně energie):

• ${\displaystyle \mathrm {3\,Fe_{2}O_{3}+CO\ \rightarrow \ 2\,Fe_{3}O_{4}+CO_{2}} }$

• ${\displaystyle \mathrm {Fe_{3}O_{4}+CO\ \rightarrow \ 3\,FeO+CO_{2}} }$

• ${\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}\ \rightarrow \ CaO+CO_{2}} }$

V teplejší části se redukuje vzniklý oxid železnatý a dochází k nedokonalému spalování koksu za vzniku dalšího oxidu uhelnatého.

• ${\displaystyle \mathrm {FeO+CO\ \rightarrow \ Fe\,(s)+CO_{2}} }$

• ${\displaystyle \mathrm {C+CO_{2}\ \rightarrow \ 2\,CO} }$

Ve spodních částech probíhá přímá redukce oxidů železa uhlíkem.

• ${\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\,C\ \rightarrow \ 2\,Fe\,(s)+3\,CO} }$

Celý proces probíhá prakticky nepřetržitě – na horní část vysoké pece se stále zaváží železná ruda, železný šrot, koks a struskotvorné přísady a naspodu se v určitých intervalech odpouští roztavené kovové železo – odpich vysoké pece.^[10][11]

Surové železo obsahuje řadu nežádoucích příměsí jako je uhlík C (3–5%), křemík Si a fosfor P.^[12] V menší míře přijímá i síru S, která je ale více zadržena v podobě sulfidu manganatého MnS ve strusce. Surové železo se dobře odlévá, nejčastěji do forem požadované velikosti nebo do ingotů či housek.^[12] Výsledný produkt je poměrně pevný a tvrdý, ale velmi křehký, a možnost jeho dalšího mechanického opracování po odlití je minimální; prakticky všechno surové železo se dále zpracovává na ocel. Struska se využívá ve stavebnictví k výrobě tvárnic, izolací stěn a některých druhů cementu.^[8]

Zpracování surového železa na ocel

Ocelové hřebíky

Vysoká pec na výrobu surového železa – Sestao, Španělsko

Podrobnější informace naleznete v článku Výroba oceli.

Obsah uhlíku v surovém železe je příliš vysoký, a proto je nutné jej oxidačním procesem v ocelářských zařízeních snížit. Toho se dociluje oxidací uhlíku buďto kyslíkem ze vzduchu (Thomasův konvertor), profoukáváním kyslíkem (LD konvertor) nebo přisazováním železné rudy a ocelového odpadu do taveniny v nístějových pecích (Siemensův–Martinův proces, elektrická oblouková pec).

Získaná nelegovaná neboli měkká ocel je poměrně měkká a snadno se mechanicky zpracovává (tažení, kování, ohýbání atd.). Mechanické vlastnosti se dají dále upravovat tepelným zpracováním, například kalením (zahřátím do červeného žáru a prudkým zchlazením vodou, minerálním olejem) nebo popouštěním (zahřátím na 200–300 °C a pomalým chlazením).^[12] Slouží k výrobě drátů, plechů, hřebíků a podobných produktů.

Další zkvalitnění vyrobené oceli se dosahuje legováním, tedy přídavky definovaných množství jiných kovů za vzniku slitiny. Hlavními prvky pro legování ocelí jsou nikl, chrom, vanad, mangan, wolfram, kobalt a ve speciálních aplikacích ještě mnoho dalších. Rozlišujeme uklidněné a neuklidněné oceli. U uklidněných ocelí je rozpuštěný kyslík vázán přísadou hliníku (Al) nebo křemíku (Si).

Existuje více než 2 000 různých druhů ocelí s přesně definovaným složením a mechanickými vlastnostmi, jako je pevnost, tvrdost, chemická odolnost a řada dalších. Ocelové polotovary jsou dále zpracovány ve válcovnách na drát, plech, nosníky, kolejnice, profily, které jsou široce používány v průmyslu, stavebnictví atd. Část těchto polotovarů slouží jako výchozí materiál pro výrobu výkovků v kovárnách.