Железо

Железо - это химический элемент с символом Fe(от лат. ferrum) и атомным номером 26. Это металл, относящийся к первому переходному ряду и 8-й группе периодической таблицы. По массе он является самым распространенным элементом на Земле, сразу после кислорода(30,1%), образуя большую часть внешнего и внутреннего ядра Земли. Это четвертый по распространенности элемент в земной коре.

Железо имеет четыре стабильных изотопа: ⁵⁴Fe(5,845% природного железа), ⁵⁶Fe(91,754%), ⁵⁷Fe(2,119%) и ⁵⁸Fe(0,282%). Также было создано 20-30 искусственных изотопов.

Положение железа в ПСЭ

Металлическое или самородное железо редко встречается на поверхности Земли, поскольку оно склонно к окислению. Однако считается, что внутреннее и внешнее ядра Земли, составляющие 35% массы всей Земли, состоят в основном из сплава железа, возможно, с никелем. Нетронутые и гладкие поверхности чистого железа имеют зеркальный серебристо-серый цвет. Однако железо легко вступает в реакцию с кислородом и водой, образуя коричнево-черные гидратированные оксиды железа, известные как ржавчина. В отличие от оксидов некоторых других металлов, которые образуют пассивирующие слои, ржавчина занимает больший объем, чем металл, и поэтому отслаивается, обнажая свежие поверхности для коррозии.

Железо является переходным металлом, и способно проявлять множество степеней окисления:

• -2(Na₂[Fe(CO)₄], реагент Коллмана);
• 0(Fe(CO)₅, пентакарбонил железа);
• +2(FeSO₄,Fe(C₅H₅)₂(ферроцен);
• +3(FeCl₃);
• +4(FeO(BF₄)₂ (окситетрафторборат железа(VI));
• +6(K₂FeO₄(феррат калия)).

Наиболее распространенными состояниями окисления железа являются Fe(II) и Fe(III). Железо обладает многими свойствами других переходных металлов, включая другие элементы группы 8(рутений, осмий). Железо образует соединения в широком диапазоне состояний окисления, от -2 до +7. Железо также образует множество координационных соединений (ферроцен, ферриоксалат, берлинская лазурь).

Важно! В отличие от многих других металлов, железо НЕ образует амальгамы с ртутью.

Железо - самый широко используемый из всех металлов, на него приходится более 90% мирового производства металлов. Его низкая стоимость и высокая прочность часто делают его материалом выбора для противостояния нагрузкам или передачи сил, например, для изготовления машин и станков, рельсов, автомобилей, корпусов кораблей, арматуры для бетона и несущих каркасов зданий. Поскольку чистое железо довольно мягкое, его чаще всего соединяют с легирующими элементами для получения стали.

Железо является вторым по распространенности среди металлов в природе, уступая лишь алюминию. Но самородное железо – крайняя редкость, и, вероятно, первое железо, попавшее в руки человека, имело метеоритное происхождение. Железо очень легко окисляется в присутствии воды, воздуха и встречается главным образом в виде оксидов. Легкой окисляемостью железа объясняется и тот факт, что изделия из него, относящиеся к древним временам, встречаются крайне редко.

С железом люди познакомились около 5000 лет назад. Вначале железо было очень дорого и ценилось гораздо дороже золота, причем многие изделия из железа помещались в золотую оправу. Если с золотом, серебром и медью народы всех континентов познакомились примерно в одно и то же время, то с железом дело обстояло иначе. Так, в Египте и Месопотамии способ получения железа из руд был открыт во втором тысячелетии до нашей эры, в Закавказье Малой Азии и Древней Греции – в конце второго тысячелетия, в Индии – в половине второго тысячелетия, а в Китае – значительно позднее – лишь в середине первого тысячелетия до нашей эры.
В странах Нового Света железный век наступил лишь с приходом европейцев, то есть во втором тысячелетии нашей эры, а отдельные африканские племена перешли к использованию железа, минуя бронзовый век. Это объясняется различием природных условий. В тех странах, где запасы меди и олова были невелики, возникла необходимость поиска замены этим металлам. В Америке же находится одно из самых крупных месторождений самородной меди, поэтому искать какие-либо новые металлы не было необходимости. Постепенно выработка железа росла, и оно стало переходить из разряда драгоценных металлов в разряд обычных. К началу нашей эры его уже широко использовали.

Среди всех известных к тому времени металлов и сплавов железо обладало наибольшей прочностью. Поэтому, как только железо стало относительно дешевым, из него начали изготавливать различные инструменты и оружие. Уже в начале нашей эры производство железа в Европе и Азии было хорошо налажено, причем особенных успехов в выплавке и обработке железа добились индийские металлурги.

Интересен сам процесс развития методов выработки железа. Сначала человек использовал только метеоритное железо, которое было очень редким и поэтому дорогим. Затем люди научились получать железо путем сильного нагревания его руд с углем на хорошо обдуваемых ветром местах. Железо получалось губчатым, низкого качества, с большими вкраплениями шлака. Важным шагом в процессе производства железа было появление горна, открытого сверху и обложенного изнутри огнеупорным материалом. Раскопки древних городов в Сирии говорят о том, что с помощью такого метода удавалось получать довольно качественное железо. Далее люди заметили, что чугун, который раньше считали отходами производства, можно превращать в железо, причем, этот процесс требует куда меньших затрат угля и выгоден из-за высокого качества получаемого продукта.

В конце XV века появились первые плавильные печи, в которых получали исключительно чугун. Процесс выплавки железа и стали быстро развивался. В 1855 году был предложен конверторный способ получения стали, который применяется и по сей день. Вслед за ним в 1865 году был разработан мартеновский способ получения стали, позволивший получать сталь, почти свободную от шлаков.

По поводу происхождения названия элемента существуют две точки зрения. Некоторые ученые полагают, что название произошло от санскритсткого "джальджа" – металл, руда; другие кладут в основу другой санскритсткий корень – "жель", означавший «блестеть, пылать».

Железо необходимо для жизни всех организмов на Земле. Железо-серные кластеры широко распространены и включают нитрогеназу - фермент, ответственный за биологическую фиксацию азота. Железосодержащие белки участвуют в транспорте, хранении и использовании кислорода.

Примерами железосодержащих белков в высших организмах являются гемоглобин, цитохром и каталаза. Средний взрослый человек содержит около 0,005% железа от веса тела(≈ 4 грамм), из которых три четверти находится в гемоглобине - уровень, который остается постоянным, несмотря на то, что каждый день поглощается только один миллиграмм железа, поскольку человеческий организм перерабатывает свой гемоглобин для содержания железа.
Получение железа представляет собой проблему для аэробных организмов, поскольку железистое железо плохо растворимо при нейтральном pH. Поэтому эти организмы разработали средства для поглощения железа в виде комплексов, иногда поглощая железистое железо, а затем окисляя его обратно до железа. В частности, бактерии выработали очень высокоаффинные("сильные") агенты, называемые сидерофорами.

После поглощения железа в клетках человека его хранение точно регулируется. Основным компонентом этой регуляции является белок трансферрин, который связывает ионы железа, поглощенные из двенадцатиперстной кишки, и переносит его в крови к клеткам.
Наиболее известные и изученные биоорганические соединения железа (биологические молекулы железа) - это белки гема: примерами являются гемоглобин, миоглобин и цитохром P450. Эти соединения участвуют в транспортировке газов, создании ферментов и переносе электронов.
Способность морских мидий удерживаться на камнях в океане облегчается использованием ими металлоорганических связей на основе железа в их богатых белками кутикулах. На основе синтетических реплик было установлено, что присутствие железа в этих структурах увеличивает модуль упругости в 770 раз, а вязкость - в 92 раза. Величина напряжения, необходимого для их необратимого повреждения, увеличилась в 76 раз.
Поглощение железа жестко регулируется человеческим организмом, который не имеет физиологических способов выведения железа.
Лишь небольшое количество железа теряется ежедневно в результате слущивания клеток эпителия слизистой оболочки и кожи.

Регуляция поглощения железа нарушена у некоторых людей в результате генетического дефекта, который отображается на область гена HLA-H на хромосоме 6 и приводит к аномально низкому уровню гепсидина, ключевого регулятора поступления железа в кровеносную систему у млекопитающих. У таких людей чрезмерное потребление железа может привести к нарушению перегрузки железом, известному в медицине как гемохроматоз.
Передозировка принятого внутрь железа может привести к чрезмерному уровню свободного железа в крови. Высокий уровень свободного железа в крови вступает в реакцию с пероксидами, в результате чего образуются реактивные свободные радикалы, которые могут повреждать ДНК, белки, липиды и другие клеточные компоненты, приводя к тяжелым для организма последствиям.

Используемая литература:
1) Д.Н.Трифонов, В.Д.Трифонов - Как были открыты химические элементы.
2) Wikipedia.org.