Železo
Železo je šedobílý, lesklý, středně tvrdý kov. Na Zemi je to nejrozšířenější přechodný prvek a druhý nejrozšířenější kov - hned po hliníku. Nejčastěji se vyskytuje ve sloučeninách s oxidačními čísly + II a + III.
Železo je jedním z prvních kovů, které dokázali lidé vyrobit - podle archeologických nálezů už před zhruba čtyřmi tisíci let.
V zemské kůře se vyskytuje ve formě rud:
Magnetit (magnetovec) \mathrm{Fe}_{3} \mathrm{O}_{4} - oxid železnato-železitý -, můžeš se setkat také se zápisem \mathrm{FeO} \cdot \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}. Je to tvrdý minerál, vzhledem podobný grafitu. Je přirozeně feromagnetický a někdy i magnetický. Vzniká korozí železa, kde tvoří černou "patinu“ na povrchu.
Hematit (krevel) \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} - oxid železitý. Vzniká při korozi železa, má kovově šedou až hnědočervenou barvu, kterou dodává rzi. Často je zdrojem červeného zabarvení půdy.
Limonit (hnědel) \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot \mathrm{n} \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} - hydrát oxidu železitého. Limonit je drolivý žlutohnědý až oranžový minerál. Vzniká reakcí hematitu s vodou a často tvoři svrchní vrstvu rzi.
Siderit (ocelek) \mathrm{FeCO}_{3}- uhličitan železnatý.
Pyrit (kočičí zlato) \mathrm{FeS}_{2} - disulfid železnatý.
Na zemském povrchu ho je možné najít i ryzí ve formě meteoritů, pokud ještě nestihly zreagovat na některou z rud. Naprostá většina železa se ale nachází v zemském jádře. Proudění roztaveného železa v jádře vytváří magnetické pole Země, které nás chrání před slunečním větrem a umožňuje navigaci pomocí kompasu.
Železo je důležitý biogenní prvek. Najdeš ho v krvi všech obratlovců jako nezbytnou součást hemoglobinu, který přenáší z plic do tkání kyslík a dává krvi její typicky červenou barvu.
Typickou reakcí železa je rezavění neboli koroze. Při tomto procesu železo reaguje se vzduchem a vodou a pomalu se oxiduje na své ionty. Stejným způsobem pravděpodobně vznikla veškerá ruda na Zemi, protože povrchové železo se na planetu dostalo v podobě meteoritů. Zjednodušená rovnice koroze vypadá takto:
4 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{n} \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot \mathrm{n} \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}
Asi ti nemusím vysvětlovat, na co všechno se železo používá. Mezi méně zmiňovaná využití patři třeba katalýza syntézy \mathrm{NH}_{3}.
Jak se železo vyrábí?
Určitě chápeš, že hledat čisté železo v podobě meteoritů by bylo velmi nepraktické. Lidé proto už před čtyřmi tisíciletími objevili způsob, jak chemicky přeměnit rudu na čistý kov. Přestože se za staletí konkrétní nástroje a postupy změnily, základní princip zůstává pořád stejný - redukce uhlíkem.
V současnosti se k výrobě železa používá zařízení s názvem vysoká pec.
Hlavní část pece tvoří několik desítek metrů vysoká nádoba z žáruvzdorného materiálu. Do ní se shora sype namletá ruda \left(\mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}\right), koks (čistý uhlík) a vápenec \left(\mathrm{CaCO}_{3}\right). V horní části pece se směs pouze ohřívá a suší. Se stoupající teplotou už ale začínají probíhat redukční procesy.
Při teplotě nad 400^{\circ} \mathrm{C} se \mathrm{CaCO}_{3} rozpadá na \mathrm{CO}_{2} a \mathrm{CaO}. Tavenina \mathrm{CaO} pak slouží jako struskotvorná přísada, což znamená, že na sebe váže většinu nečistot, aby neskončily zamíchané ve vyrobeném železe. Zároveň plave na povrchu železa, čímž ho chrání před kontaktem se vzdušným kyslíkem a následnou oxidací.
Při teplotě nad 900^{\circ} \mathrm{C} se začne ruda redukovat reakcí s oxidem uhelnatým.
3 \mathrm{CO}+\mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{CO}_{2}
V nejteplejší části pece (až dole u dna) probíhá přímá redukce rudy uhlíkem. Ve spodní části pece je několik otvorů, kterými se dovnitř vhání vzduch o teplotě asi 1000^{\circ} \mathrm{C}, který stoupá nahoru, dodává kyslík nezbytný pro hoření, a promíchává reakční směs. Zároveň zde přebytečný uhlík reaguje s přiháněným kyslíkem, vzniká oxid uhelnatý.
\begin{aligned}3\mathrm{C}+\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 & \longrightarrow2\mathrm{Fe}+3\mathrm{CO}\\ \mathrm{C}+\mathrm{O}_2 & \longrightarrow{}{CO}_2\\ \mathrm{C}+\mathrm{CO}_2 & \longrightarrow2\mathrm{CO}\end{aligned}
Rozhodně není nutné se předcházející rovnice učit nazpaměť. Stačí jen pochopit princip, že se jedná o redukci železa uhlíkem či oxidem uhelnatým, a snadno si jakoukoliv rovnici odvodíš.
Na samotném dně pece se nachází vrstva roztaveného železa s velkou příměsí rozpuštěného uhlíku. Pec má v těchto místech ventily na vypouštění železa i odpadní strusky (takzvané odpichování), aby mohl celý proces běžet nepřetržitě a zabránilo se tak ztrátám při opětovném ohřívání a chladnutí pece.
Výsledkem tohoto procesu je litina, která je kvůli celkem vysokému obsahu příměsí (C, Si, P, S…) pevná, ale zároveň dost křehká. Většina železa se proto zpracovává dál na materiál zvaný ocel.
Výroba oceli spočívá nejprve v odstranění nežádoucích příměsí (třeba fosforu a síry) a snížení obsahu uhlíku. Druhou fází je pak přidávání legujících přísad, které zlepšuji vlastnosti oceli. Mezi ně patří například chrom, mangan nebo hliník.