Vas

A vas fémes tulajdonságú kémiai elem, rendszáma a periódusos rendszerben 26, atomtömege 55,845 g/mol. A vegyjele Fe, ami a latin ferrum szóból ered, nyelvújításkori neve vasany.^[1] Elemi állapotban szürkésfehér, szívós, jól alakítható fém. A földkéreg 4,8% vasat tartalmaz különböző vegyületek alakjában, elemi vas a természetben nem található (eltekintve a meteoritvastól). Az elemek közül ennél több csak oxigénből, szilíciumból és alumíniumból van. A vas ipari fontosságú elem. Érceiből redukálással állítják elő. Először a nyersvasgyártási eljárással nyersvasat, öntészeti célra öntöttvasat, az acélgyártás műveleteivel acélt állítanak elő.

Ez a szócikk a kémiai elemről szól. Hasonló címmel lásd még: Vas (egyértelműsítő lap).

26 mangán ← vas → kobalt - ↑ Fe ↓ Ru 26 Fe Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	vas, Fe, 26
Latin megnevezés	ferrum
Elemi sorozat	átmenetifémek
Csoport, periódus, mező	8, 4, d
Megjelenés	csillogó fémes szürkés árnyalattal
Atomtömeg	55,845(2)  g/mol
Elektronszerkezet	[Ar] 3d6 4s²
Elektronok héjanként	2, 8, 14, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	7,874 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	6,98 g/cm³
Olvadáspont	1811 K (1538 °C, 2800 °F)
Forráspont	3134 K (2861 °C, 5182 °F)
Olvadáshő${\displaystyle \Delta _{fus}{H}^{\ominus }}$	13,81 kJ/mol
Párolgáshő ${\displaystyle \Delta _{vap}{H}^{\ominus }}$	340 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 25,10 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	köbös tércentrált
Oxidációs szám	2, 3, 4, 6 (amfoter oxid)
Elektronegativitás	1,83 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 762,5 kJ/mol
	2.: 1561,9 kJ/mol
	3.: 2957 kJ/mol
Atomsugár	140 pm
Atomsugár (számított)	156 pm
Kovalens sugár	125 pm
Egyebek
Mágnesség	ferromágneses
Fajlagos ellenállás	(20 °C) 96,1 nΩ·m
Hővezetési tényező	(300 K) 80,4 W/(m·K)
Hőtágulási együttható	(25 °C) 11,8 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(szobahőm.) (electrolitikus) 5120 m/s
Young-modulus	211 GPa
Nyírási modulus	82 GPa
Kompressziós modulus	170 GPa
Poisson-tényező	0,29
Mohs-keménység	4,0
Vickers-keménység	608 MPa
Brinell-keménység	490 HB
CAS-szám	7439-89-6
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A vas izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 54Fe 5,8% >3,1E22 év kettős elektronbef.  ? 54Cr 55Fe mest. 2,73 év elektronbef. 0,231 55Mn 56Fe 91,72% Fe stabil 30 neutronnal 57Fe 2,2% Fe stabil 31 neutronnal 58Fe 0,28% Fe stabil 32 neutronnal 59Fe mest. 44,503 d β 1,565 59Co 60Fe mest. 1,5E6 y β- 3,978 60Co
Hivatkozások

Tulajdonságai

Reakciói

• Elemekkel:
  • Oxigénnel: ${\displaystyle \mathrm {4\ Fe+3\ O_{2}\rightarrow 2\ Fe_{2}O_{3}} }$
  • Halogénekkel (Cl, Br, I) is Fe³⁺ ionná oxidálódva pl. FeCl₃ vagy FeBr₃ halogenideket alkot, jóddal +2-ig oxidálódik (az FeI₃ instabil, mg-os mennyiségben előállítható fekete anyag).
  • Kénnel (S) csak Fe²⁺(ferro-) ionná oxidálódik mert a kén nem annyira oxidatív, azonban nem FeS hanem FeS2 sztöchiometriai összetételű pirit képződik.
• Vízzel nem reagál, ha az oxigénmentes, desztillált víz, de ha a vízben van oldott oxigén, akkor rozsda (FeO(OH) vagy Fe(OH)₃·Fe₂O₃) keletkezik.
• Savakkal:
  • A híg szervetlen savak (HCl, HNO₃…) mind reagálnak vele, kénsavval és sósavval csak +2-ig oxidálódik, de így nem stabil, lassan (hetek, hónapok alatt) alakul át Fe³⁺ (ferri-) vegyületekké.
  • A tömény szervetlen savak passziválják, védőréteg alakul ki a felszínén, ami megakadályozza a további reakciót (a HCl csak vízmentesen passziválja), ezért a tömény savakat vastartályban lehet szállítani.
  • A híg szerves savak (CH₃COOH, C₃H₄(OH)(COOH)₃...) lassan, de oldják. Közben hidrogén gáz fejlődik.
• Lúgokkal nem reagál, nem amfoter fém.
• A pozitívabb standard elektródpotenciálú fémeket redukálni tudja, sóikban a helyüket átveszi.

A vas levegőn csak magas hőmérsékleten (1250 K) oxidálódik. Ekkor vas(II)-vas(III)-oxid (FeO, Fe₂O₃) keletkezik. A száraz klórgáz és a cseppfolyós klór közönséges körülmények között a vasat nem támadja meg, ezért hozható a klór vaspalackokban forgalomba. Viszont víznyomok jelenlétében a vas már szobahőmérsékleten is reagál a klórral. A jód 100 °C-on reagál a vassal. Ekkor a vas vas(II)-jodiddá (FeI₂) oxidálódik. Hevítés hatására kénnel és foszforral is reakcióba lép, nitrogénnel azonban magas hőmérsékleten sem reagál. Finom eloszlású por alakban, oxigén jelenlétében öngyulladásra hajlamos (pirofóros vas).

Kémiai tulajdonságai

Vegyületeiben főként A Fe²⁺ ion-vegyületek zöld színűek, az aniontól függően, de ezek a sók nem stabilak, levegőn átalakulnak sárga színű Fe³⁺ vegyületekké. A kettős szulfátok stabilabbak – például a Mohr-só, ennek képlete Fe(NH₄)₂(SO₄)₂ –, de levegőn lassan ezek is oxidálódnak. A vas(III)-oxalát ellenben fény hatására vas(II)-oxaláttá alakul (Fe₂(C₂O₄)₃ → 2 Fe(COO)₂+2 CO₂).

A Fe²⁺ iont tartalmazó vas(II)-vegyületek redukáló tulajdonságúak (legerősebben lúgos közegben), könnyen oxidálódnak stabilabb vas(III)-vegyületekké. Bár a vas oxidációs száma vegyületeiben leggyakrabban +2 vagy +3, egyes ritka vegyületeiben (a ferrátokban) a vas oxidációs száma +6 is lehet.

Reakcióképessége miatt kísérő elemeitől nehezen, hosszadalmas laboratóriumi műveletekkel is csak részben sikerül megtisztítani. A színvasnak minősíthető fém is csak mintegy 99,998% Fe-t tartalmaz; ezt főleg kísérleti célokra használják. Ipari célra – amennyiben tiszta vasra van szükség – nem ennyire tiszta, hanem gazdaságosabban előállítható vasfajtákat használnak, például az elektrolitvasat, vagy a túloxidálással készült Armco-vasat.

Fizikai tulajdonságai

A vas 1538 °C-on olvad. Az olvadt vas hűlés közben ugyanezen a hőmérsékleten szabályos rendszerbeli, térben középpontos kockarácsú (térközepes köbös) kristályokká dermed; a kockarács élei 0,293 nm hosszúak. További hűlés során a kristályszerkezet megváltozik az A₄ = 1394 °C hőmérsékleten: felületen középpontos (lapcentrált) rácsúak lesznek, a rácselem élei 0,368 nm-re változnak. Miközben az acél tovább hűl, A₃ = 912 °C hőmérsékleten a kristályok ismét térben középpontos kockarácsúak lesznek, a rácselem mérete 0,290 nm. Ezután több átalakulásra már nem kerül sor; szobahőmérsékleten a vas szintén tércentrált kockarácsú, csupán az élei rövidülnek meg 0,286 nm-re a zsugorodás miatt.

A vasnak tehát három kristályos módosulata van: 1538 és 1394 °C között a δ-vas, 1394 és 912 °C között a γ-vas, 912 °C-nál kisebb hőmérsékleten pedig az α-vas állandó. Látható, hogy az α(δ)- és az α-vas azonos rácsszerkezetű, csupán a rácselemük méretében különböznek egymástól, ami pedig a hőtágulással magyarázható (ebből adódik jelzésük egyezősége is). Régebben megkülönböztették a β-vasat is, de ez csak a mágnesezhetőség határát (762 °C) jelölte, nem külön módosulat. Fontos megjegyezni, hogy a vas módosulatainak a sűrűsége (fajtérfogata) különböző. Ennek az az oka, hogy az α-vas kockarácsában a vasatomok nem olyan szorosan helyezkednek el, mint a γ-vaséban.

A vas legfontosabb ötvözete az acél, ami ötvözőként szenet és más ötvözőelemeket tartalmaz. Az ötvözők, de a szándék nélkül vasba került többi elem hatására is, az acél keményebbé, szilárdabbá – bizonyos határon túl pedig akár rideggé is – válik.

A vas az elektromosságot és a hőt közepesen vezeti, és mágnesezhető. A vason kívül csak két másik fémes elem, a kobalt és a nikkel mágnesezhető.

A vas gőznyomása^[2]

állapot	T		p
	K	°C	atm	Pa
alfa	298,15	25	1,65E-65	1,672E-60
	300	27	4,65E-65	4,712E-60
	400	127	5,65E-47	5,725E-42
	500	227	3,96E-36	4,012E-31
	600	327	6,61E-29	6,698E-24
	700	427	9,32E-24	9,443E-19
	800	527	6,62E-20	6,708E-15
	900	627	6,40E-17	6,485E-12
	1000	727	1,52E-14	1,540E-09
	1100	827	1,29E-12	1,307E-07
alfa	1185	912	3,06E-11	3,101E-06
gamma	1185	912	3,06E-11	3,101E-06
	1200	927	5,10E-11	5,168E-06
	1220	947	1,00E-10	1,013E-05
	1296	1023	1,00E-09	1,013E-04
	1300	1027	1,12E-09	1,135E-04
	1382	1109	1,00E-08	1,013E-03
	1400	1127	1,58E-08	1,601E-03
	1480	1207	1,00E-07	1,013E-02
	1500	1227	1,55E-07	0,016
	1593	1320	1,00E-06	0,101
	1600	1327	1,13E-06	0,114
gamma	1667	1394	3,75E-06	0,380
delta	1667	1394	3,75E-06	0,380
	1700	1427	6,51E-06	0,660
	1726	1453	1,00E-05	1,013
	1800	1527	3,05E-05	3,090
delta	1811	1538	3,58E-05	3,627
folyadék	1811	1538	3,58E-05	3,627
	1888	1615	1,00E-04	10,13
	2000	1727	3,78E-04	38,30
	2091	1818	1,00E-03	101,32
	2200	1927	2,87E-03	290,80
	2346	2073	1,00E-02	1013,25
	2400	2127	1,53E-02	1550,27
	2600	2327	6,17E-02	6251,75
	2678	2405	1,00E-01	10132,50
	2800	2527	2,01E-01	20366,32
	3000	2727	5,53E-01	56032,72
	3110	2837	1,00E+00	101325,00
folyadék	3200	2927	1,33E+00	134559,60

Az adatok az elemi állapotú vasra vonatkoznak. Ipari célokra szénacélt, illetve öntöttvasat gyártanak, amelyeknek alacsonyabb az olvadáspontja (az oldatok fagyáspontcsökkenésének törvénye szerint). A ledeburit például 4,3%-os összetételű eutektikuma a vasnak és a szénnek (azaz: 66% vaskarbidnak) 1147 °C-os olvadásponttal. Ezen a hőmérsékleten az elemi vas még szilárd halmazállapotú.

Spektrumvonalának hullámhossza 617,3 nm.^[3]

Előállítása

Bővebben: Nyersvasgyártás

Bővebben: Acélgyártás

Története

A sumer nyelvben már megjelenik a vasat jelentő szó AN.BAR formában. Jellemző módon az összetétel eleje (AN) az égre utal, a BAR pedig egy sok jelentésű szó. A szó szerinti fordítása valószínűleg „égi fém”^[4], amely arra utal, hogy először a meteoritvassal ismerkedtek meg Mezopotámiában (ahol nincsenek érclelőhelyek). A vasat valószínűleg az ókori Anatóliában vagy a Kaukázusban kezdték el nagy mennyiségben felhasználni az i. e. 2. évezredben. A legrégebbi vasszerszámot a Kheopsz-piramisnál folytatott ásatásoknál találták. Annak, hogy fennmaradt, a sivatagi száraz klíma lehet a magyarázata. Arról nincs pontos tudásunk, hogy mikor és hogyan nyerték ki a vasat először vasércből. A felfedezést feltehetően egy tűzbe került vasércdarabon kialakuló változás megfigyelése indította el. Az első „kohók” széljárta helyeken kapart kis gödrök voltak, amelyekben faszénnel kevert vasércet izzítottak. A vasérc redukálódott, azaz oxigéntartalma eltávozott, visszamaradt a vas, amiről a salakot kovácsolással el lehetett távolítani, az acélszerű terméket pedig fel lehetett használni.

Előfordulása

A nehézfémek közül a természetben a vas a legelterjedtebb. A csillagok energiatermelési folyamatai során ugyanis, mint a könnyű atomok egyesülésének energetikai végállomásaként, a szupernovákból kidobódó 56-os tömegszámú nikkel és a belőle rövid felezési idő után létrejövő vas végtermékként, „hulladékként” jelenik meg. Ezért a vas gyakori mind a meteoritokban, mind pedig a Föld-típusú bolygók magjában, rendszerint valamennyi nikkel kíséretében.^[5]

A vas a talajban különböző ásványok kristályrácsában, így a csillámokban, augitban, olivinben és biotitban található. Az adszorpciós komplexuson is megkötődhet Fe2⁺-, Fe³⁺-, vagy Fe(OH)²⁺-, Fe(OH)²⁺-ion formában. A talaj oldható Fe-tartalma általában kicsi, a pH csökkenésével növekszik, és csak erősen savanyú talajokban, pl. podzolokban jelentős mennyiségű. A Fe mozgékonysága a savanyú talajokban jó. Ennek következtében a feltalaj oldható Fe-tartalma a mélyebb rétegekbe mosódik, ott kicsapódik. A kelátok a vasat megvédik a kicsapástól, a vaskelátok oldatban maradnak. A Fe mozgékonyságát a talajban nagymértékben befolyásolják az oxidációs, redukciós viszonyok. A Fe³⁺-ionok csak pH = 3 alatt stabilak, e fölött kicsapódnak, míg a Fe²⁺-ionok csak a semleges pont közelében csapódnak ki vas-hidroxid formájában. Az oxidáció a redox potenciál növekedésével fokozódik, és ennek következtében a Fe kicsapódása is nagyobb mérvű. A redox potenciál függ a pH-értéktől, növekvő pH-értékkel csökken, ezért a Fe oldhatósága annál kisebb, minél nagyobb a talaj pH-értéke. Mésztartalmú talajokon a növények Fe-ellátása ennek következtében veszélyeztetett. A Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ átalakulás természetesen a talaj szellőzöttségétől is függ. A pangó víz elősegíti a redukciót. A kétértékű vas aránya a mélyebb talajrétegekben egyre nagyobb.

Élettani szerepe

Növények

A növények számára elsősorban azért fontos, mert a fotoszintézis kulcsvegyületének, a klorofill bioszintézisében alapvető szerepet játszik, de a klorofillnak nem alkotója.

A vas egyébként nemcsak a klorofill bioszintéziséhez szükséges, de komponense nagyon sok fontos növényi enzim-rendszernek: a citokróm-oxidáz például az elektrontranszportért felelős. Vas a fő komponense a ferredoxinnak, amely a nitrátok és a szulfátok redukciójában játszik szerepet. Részt vesz a vas a NADP képződésében, tehát az energialáncban, továbbá az elemi nitrogén kémiai megkötését végző nitrogenáz molekula – a molibdénen kívül – fő komponensként vasatomokat tartalmaz.

A fontosabb vastartalmú enzimek (egy kivételével mind az oxido-reduktázok csoportjába tartoznak, ezen belül is döntő többségük a molekuláris oxigén, illetőleg hidrogén-peroxid átalakulásával kapcsolatban végzi tevékenységét): glutamát-szintetáz, ferredoxin-nitrát-reduktáz, szulfit-reduktáz (NADPH), citokróm-peroxidáz, kataláz, peroxidáz, lipoxigenázok, hidrogenáz.

A növényi levelek vastartalma 10–1000 mg/kg nagyságrendben szokott mozogni: a legtöbb növénynél a kritikus alsó határt 50 mg/kg értékkel lehet megjelölni. A növények nagyobb foszfor-tartalma csökkenti a vas felvehetőségét: a P:Fe arány általában a 29:1 értékkel fejezhető ki. A növények vasellátása szempontjából a kioldható Fe(II)-formát tartják lényegesnek, de praktikusan a vas-ellátottság megbízható indikátora a klorofill mennyisége. A talajban lévő vas(III) forma a gyökereken keresztül történő vasfelvételnél általában vas(II)-formává alakul át és rendszerint komplexképző segítségével kerül a növények belsejébe. Az ionfelvételnél igen erős versengés folyik: a réz, a mangán és a cink – nagyobb mennyiségben – a vasfelvételt gátolják.

Közismert a növények életében a mészklorózisnak nevezett tünet, amikor a talajban levő nagyobb kalcium-karbonát-tartalom következtében kialakuló magasabb pH-érték miatt a vas felvétele gátolt, illetőleg a növényben levő vas nem tud részt venni a klorofill bioszintézisében. A fiatal levelek érközei világosodnak, sárgulnak, míg az erek zöldek maradnak. Egyszikűeknél jellegzetes hosszanti levélcsíkozottság jelentkezik. Súlyos hiány esetén a levelek szinte teljesen kifehérednek és a levelek erezete sem különül el a levéllemez többi részének színétől. A vas hiányának következtében csökkent hajtásnövekedés, levél- és hajtáselhalás, valamint a szőlőnél bogyólerúgás alakulhat ki, amely jelentős termésveszteséghez vezethet. A vashiányra a gyümölcsösök és a szőlőültetvények különösen érzékenyek. A vas feleslege átlagos körülmények között gyakorlatilag ismeretlen.

Állatok

A vasat az állati élet is „felfedezte” magának, és a vér előállítására használta. A vas az oxigénnel való affinitás miatt alkalmas a hemoglobin létrehozására. A vas szilárdsági előnyeit azonban az életfolyamatok nem hasznosítják.^[6]sokszor előfordul hogy az emlősök szervezetében hiperakció lép fel