protonové číslo 26
relativní atomová hmotnost 55.85
elektronegativita 1.6
elektronová konfigurace [Ar]4s23d6
hustota (g·cm-3) 7.87
teplota tání (°C) 1540.0
teplota varu (°C) 2870.0

Železo (26Fe)

výskyt

  • hematit (krevel) - Fe2O3
  • limonit (hnědel) - 2FeO3·3H2O
  • magnetit (magnetovec) - Fe3O4
  • siderit (ocelek) - FeCo3
  • pyrit - FeS2
  • minerální vody [Fe(HCO3)2]
  • železo je esenciální prvek, 70% v lidském těle je součástí hemoglobinu a 20-25% se nachází v podobě zásobních bílkovin

průmyslová výroba


  Čisté železo se vyrábí redukcí čistého oxidu nebo hydroxidu vodíkem, po případě karbonylovým způsobem, při kterém se Fe nejprve zahřívá v atmosféře CO za tlaku a takto vzniklý Fe(CO)5 se potom rozkládá při 250 °C na práškový kov.
  Větší význam než čisté Fe mají nejrozmanitější oceli. První fáze přeměny železné rudy na ocel se odehrává ve vysoké peci. Pec se zaváží směsí rudy (obvykle hematitem), koksu a vápence. Poté se zdola vhání horký vzduch. Tím se spaluje koks a v nejnižší části pece se dosáhne teploty 2000 °C, zatímco na jejím vrcholu je teplota asi 200 °C. Ruda se redukuje na železo a křemičitá hlušina účinkem vápence přichází na strusku (v podstatě CaSiO3).
  Redukce nepřímá (redukce CO) - probíhá v rozmezích asi 400 - 1000 °C ve vyšší části pece:
3Fe2O3+ CO ® 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO ® 3FeO + CO2
FeO + CO ® Fe + CO2
  Redukce přímá (redukce uhlíkem) - probíhá v nižší části pece v asi 1000-1800 °C
Fe2O3+ 3C ® 2Fe + 3CO
Fe3O4 + 4C ® 3Fe + 4CO
FeO + C ® Fe + CO
  Roztavené železo a struska se hromadí na dně pece, odkud se odděleně vypouštějí. Takto uvolněný prostor se horem zaplňuje další zavážkou, takže celý proces je nepřetržitý.
  Takto vyredukované železo obsahuje značné množství uhlíku. Zároveň jsou koksem redukovány také jiné přítomné sloučeniny, hlavně manganu, fosforu a křemíku, takže surové železo, tak jak se získává z vysoké pece obsahuje i tyto prvky. Struska se využívá jako stavební materiál (výroba tvárnic) a také při výrobě určitých druhů cementů.
  Surové železo je buď šedé nebo bílé, v prvním případě obsahuje železo mnohem více křemíku než manganu a má barvu na lomu šedou, nebo je poměr obrácený a barva lomu je bílá. Šedé železo se obvykle přetavuje, aby se zbavilo mechanických nečistot, a pak se používá jako tzv. litina k odlévaní železných předmětů. Dá se dobře obrábět, ale není kujné. Bílé železo se zkujňuje, tedy zušlechťuje, různými způsoby, které je mají zbavit přebytečného uhlíku, fosforu, síry, křemíku a jiných prvků, jež železu dodávají křehkosti. Stane se tak jejich oxidací a podle množství uhlíku, které v materiálu zbude, se získá kujné železo, nebo ocel.
  Děje se tak jednak způsobem Bessemerovým nebo Thomasovým - Gilchristovým proháněním vzduchu, resp. u druhého způsobu ještě vázáním oxidů uvedených prvků, zásaditou vyzdívkou pece, jednak nejdůležitějším způsobem Siemensovým - Martinovým s přídavkem železného šrotu. Po těchto operacích je však nutné opět určité množství uhlíku dodat a naopak odstranit kyslík vázaný v oxidu železnatém. Provádí se to přídavkem ferromanganu. Někdy se k dezoxidaci přidává ferrosilicium, ferroaluminium nebo slitiny Al a Si.
  Někdy se oceli ještě přetavují v kelímcích ze žáruvzdorného materiálu, aby se zvýšila jejich homogenita, produkt se nazývá ocel kelímková.
  Jestliže se bloky z kujného železa vloží do prášku z dřevného uhlí a zahřívají se dlouho za nepřítomnosti vzduchu do červeného žáru, prostupuje uhlík do povrchu žhavého kovu - žíhá se ocel. Metoda se nazývá cementování a používá se jí při tzv. tvrzení kujného železa, tj. při opatřování výrobků z něho vrstvou oceli.
  Tvrdost se zvyšuje kalením - zahřátí oceli a ochlazení ve vodě nebo oleji a opětné vyhřátí na různé teploty (popouštění ) podle druhu materiálu, který má být získán.
  Nitridováním, tzn. zahříváním oceli v atmosféře NH3 ( 450 - 500 °C), se získají výrobky s velice tvrdým povrchem obsahujícím nitrid Fe2N.
  Slitinové oceli nejrozmanitšjších fyzikálních vlastností se připravují přídavkem přísady (legury).

fyzikální vlastnosti

  • bílý lesklý kov, měkký, kujný, tažný
  • do teploty 768 °C (Curieho teplota) je ferromagnetické

chemické vlastnosti

  • na suchém vzduchu stálé
  • na vlhkém vzduchu se pokrývá vrstvou Fe(OH)3 - rezavění
  • s kyslíkem reaguje za vzniku Fe2O3 nebo Fe3O4
  • snadno se rozpouští ve zředěných kyselinách, se kterými dává železnaté soli
  • v oxidujících kyselinách (HNO3, H2CrO4) se pasivuje tvorbou nepropustné vrstvy oxidu
  • snadno se slučuje s většinou nekovů

sloučeniny

  • FeII
    • halogenidy
      • FeF2 (bílý), FeCl2 (světle žlutý), FeBr2 (žlutozelený), FeI2 (šedivý)
      • jodid vzniká přímou syntézou z prvků
      • ostatní halogenidy vznikají vedením halogenvodíků přes zahřáté železo
      • jsou rozpustné ve vodě a z vodných roztoků krystalizují v podobě hydrátů
    • oxid (FeO)
      • FeO
      • získává se zahříváním železa v atmosféře kyslíku o nízkém parciálním tlaku
      • zahříváním šťavelanu železnatého za nepřístupu vzduchu
      • stálý jen při zvýšené teplotě, pod teplotu 575 °C disproporcionuje na Fe a Fe3O4
    • hydroxid (Fe(OH)2)
      • reakcí vodného roztoku obsahujícího Fe2+ s hydroxidy - vzniká vločkovitá sraženina, která, je-li připravena za naprostého vyloučení vzduchu je bílá
      • rozpouští se v kyselinách na železnaté soli:
        2HCl + Fe(OH)2 ® FeCl2 + 2H2O
      • v přítomnosti kyslíku Fe(OH)2 tmavne a přechází na červenohnědý Fe(OH)3
    • sulfid (FeS)
      • vznikají přímým slučováním nebo reakcí vodných roztoků železnatých solí se sulfidem alakalického kovu:
        FeCl2 + Na2S ® FeS + 2NaCl
      • na vzduchu se snadno oxiduje
      • rozpouští se ve zředěných kyselinách za vývoje H2S
      • oxiduje se až na síran
    • disulfid železnatý FeS2
      • může se připravit zahříváním Fe2O3 v atmosféře H2S
      • zahříváním za přístupu vzduchu vzniká Fe2O3 a SO2:
        4FeS2 + 11O2 ® 2Fe2O3+ 8SO2
      • zahříváním ve vakuu vzniká FeS a S
      • FeS2 ® FeS + S
      • oxiduje se až na síran
    • železnaté soli oxokyselin
      • železo v oxidačním stavu II tvoří téměř se všemi běžnými kyselinami soli
      • obvykle se připravují rozpouštěním kovového železa v kyselině nebo redukcí příslušných železitých solí ve vodném roztoku
      • roztoky solí obsahují světle zelený kation [Fe(H2O)6]2+
      • nepodléhají hydrolýze.
      • podléhají oxidaci v případě, že jde o vodné roztoky je oxidace ještě závislá na pH
      • alkalické roztoky podléhají oxidaci velmi snadno, kyselé roztoky jsou mnohem stálejší
      • FeSO4
        • bezvodý - bílá látka
        • s vodou krystaluje jako heptahydrát - zelená skalice FeSO4·7H2O
        • vyrábí se reakcí železa s kyselinou sírovou (zředěnou):
          Fe + H2SO4 ® FeSO4 + H2
        • s alkalickými sírany a síranem amonným tvoří podvojné sírany - schönity R2IFeII(SO4)2·6H2O
        • (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O - Mohrova sůl - látka na vzduchu stálá - význam v analytické chemii
      • FeCO3
        • bílá sraženina
        • na vzduchu hnědne, neboť se oxiduje
        • nerozpustný ve vodě, obsahuje-li však voda rozpuštěný CO2 tvoří se rozpustný Fe(HCO3)2, který je součástí mnohých pramenitých vod
    • komplexní sloučeniny
      • [FeX4]2- (X = Cl, Br, I, SCN)
      • [Fe(CN)6]4- - reakcí iontů Fe2+ s ionty CN- - komplexní ionty jsou velice stálé
      • H4[Fe(CN)6] - kys. hexakyanoželeznatá
        • připraví se reakcí některé své soli s koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou
          K4[Fe(CN)6] + 4HCl ® H4[Fe(CN)6] + 4KCl
        • krystalická bílá látka ve vodě dobře rozpustná
        • silná čtyřsytná kyselina
      • K4[Fe(CN)6] - hexakyanoželeznatan draselný (žlutá krevní sůl)
        • krystaluje jako trihydrát
        • připravuje se reakcí:
          FeSO4 + 6KCN ® K4[Fe(CN)6] + K2SO4
        • ve vodě dobře rozpustný
        • není toxický
        • působením zředěných kyselin se rozkládá a uvolňuje HCN
        • reakcí se železitou solí vzniká - tmavě modrá sraženina - berlínská modř:
          3K4[Fe(CN)6] + 4FeCl3® Fe4[Fe(CN)6] + 12KCl
        • v aniontu [Fe(CN)6]4- lze nahradit jednu skupinu CN- molekulou H2O, CO, aniontem NO2- a kationtem NO+
      • [Fe(CN)5NO]2- - nitroprusidový anion
      • získá se působením 30% HNO3 na [Fe(CN)6]4-
      • reaguje s ionty S2- za vzniku červeného zabarvení, které pochází z [Fe(CN)5NOS]4- (reakce se využívá k důkazu síry)
      • Na2[Fe(CN)5NO]·H2O - nitroprusid sodný
  • FeIII
    • halogenidy
      • FeF3 (světle zelený), FeCl3 (červenohnědý), FeBr3 (červenohnědý)
      • dají se získat přímým slučováním prvků za zvýšené teploty
      • halogenidy krystalují z vodných roztoků v podobě hydrátů
      • FeCl3·6H2O
        • prostředek k leptání, zvláště důležitá je jeho schopnost leptat měď, čehož se využívá při výrobě tištěných elektrických obvodů
        • úprava vody slouží jako koagulační činidlo, (vytváří vločky , které sorpcí odstraní z vody rozpuštěné organické i suspendované látky)
    • oxidy
      • Fe2O3
        • znám v řadě modifikací, největší význam má forma a a c. a forma se získává zahřátím Fe(OH)3 na 200 °C, c forma je nestabilní a dá se připravit opatrnou oxidací Fe3O4 (výroba magnetických pásků)
        • oxid je amfoterní - reaguje s kyselinami za vzniku železitých solí, s hydroxidy za vzniku železitanů obsahující ionty [Fe(OH4)]- nebo FeO2
        • použití: výroba železa, pigment, leštící prostředek
      • Fe3O4
        • vzniká působením páry na rozžhavené železo nebo zahříváním Fe2O3 ve vakuu na 1000 °C
        • feromagnetický
        • chová se jako směs oxidů FeO a Fe2O3
        • reaguje s kyselinami za vzniku železitých a železnatých solí:
          Fe3O4 + 8HCl ® FeCl2+ 2FeCl3+ 4H2O
    • hydroxid (Fe(OH)3)
      • vzniká působením hydroxidových iontů na roztoky železitých solí
      • složení lépe vystihuje vzorec Fe2O3·nH2O
      • látka má amfoterní charakter
      • adsorpční vlastnost - čištění vod, v lékařství při otravách As2O3
    • sulfid (Fe2S3)
      • vzniká působením sirovodíku na oxid železitý (tato reakce je podstatou odstraňování sulfanu ze svítiplynu):
        Fe2O3+ 3H2S ® Fe2S3+ 3H2O
      • sulfid železitý se rychle rozkládá:
        Fe2S3® FeS + FeS2
    • železité soli oxokyselin:
      • tyto soli jsou většinou žlutohnědé, krystalické, ve vodě se rozpouštějí za vzniku iontu [Fe(H2O)6]3+. Hydratované sloučeniny jsou světle růžové nebo světle fialové
      • Fe2(SO4)3
        • připravuje se reakcí Fe2O3 s kyselinou sírovou:
          Fe2O3+ H2SO4 ® Fe2(SO4)3+ H2SO4
        • v roztoku je hydrolyzován
        • používá se k moření v textilním průmyslu, výchozí látka pro výrobu železitých kamenců
        • krystaluje v podobě šesti různých hydrátů (12, 10, 9, 7, 6 a 3 H2O) , nejčastěji jako nonahydrát, používá se jako koagulační činidlo, při úpravě pitné vody, ale též při čištění odpadních vod
        • železité kamence RIFeIII(SO4)2·12H20 (R = K, Rb, Cs, Tl, NH4)
        • největší význam mají KFe(SO4)2·12H20
        • NH4Fe(SO4)2·12H2O (textilní průmysl, analytická chemie)
    • komplexní sloučeniny
      • thiokyanatany
        • ionty Fe3+ s ionty SCN- poskytují krvavě červené zabarvení
        • reakce se využívá k důkazu Fe3+ iontů
        • zbarvení je způsobeno směsí thiokyanatu železitého
        • Fe(SCN)3 a komplexních thiokyanatanů [Fe(SCN)4]-,
        • [Fe(SCN)6]3- a [Fe(H2O)5(SCN)]2+
      • H3[Fe(CN)6]
        • kyselina hexakyanoželezitá, z roztoku krystalizuje v hnědých jehlicovitých krystalech, které jsou na vzduchu nestálé
        • příprava : K3[Fe(CN)6] + dýmavá HCl ® H3[Fe(CN)6] + 3KCl
      • K3[Fe(CN)6] - hexakyanoželezitan draselný (červená krevní sůl)
        • příprava oxidací hexakyanoželeznatanu draselného např. chlorem v roztoku okyseleném kyselinou chlorovodíkovou:
          2K4[Fe(CN)6] + Cl2 ® 2K3[Fe(CN)6] + 2KCl
        • krystalizuje v červených krystalech, které se dobře rozpouští ve vodě na žlutý roztok.
        • není tak stalý jako K4[Fe(CN)6]
        • je jedovatý
        • má oxidační účinky:
          2KI + 2K3[Fe(CN)6] ® I2 + 2K4[Fe(CN)6]
        • reakcí s ionty železnatými dává modrou sraženinu - Turnbullova modř:
          3FeSO4 + 2K3[Fe(CN)6] ® Fe3[Fe(CN)6]2 + 3K2SO4
  • FeVI
    • železany (ferráty) - soli kyseliny železové H2FeO4
      • připraví se tavením železa s alakalickým dusičnanem:
        Fe + 2KNO3® K2FeO4 + N2 + O2
      • silná oxidační činidla, okyselením roztoku se však velmi rychle rozkládají
    • karbonyly železa: charakter kovalentních sloučenin
    • Fe(CO)5
      • vzniká zahříváním jemného praškového železa v oxidu uhelnatém pod tlakem
      • žlutá kapalná látka, není příliš stálá
      • jeho rozklad né produkty jsou
      • enneakarboyl železa Fe2(CO)9 - žlutooranžové krystaly
      • tetrakarbonyl železa [Fe(CO)4]3 - zelené krystaly