• Występowanie:

Żelazo należy do metali ciężkich. Jest niezwykle rozpowszechnione na kuli ziemskiej. Ze względu na jego właściwości fizyczne, które można zmieniać łatwo i w bardzo szerokich granicach poprzez niewielkie dodatki innych pierwiastków, często i chętnie wykorzystuje się go przemyśl. Niestety, w stanie wolnym żelazo nie występuję w przyrodzie. Na szczęście, licznie można go spotkać w stanie związanym, w postaci rud żelazowych. Do najważniejszych rud żelaza zalicza się:

- magnetyt (Fe3O4), jest inaczej nazywany żelaziakiem magnetycznym.

Stanowi bogate źródło żelaza, zawiera go niemal 50 do 67 %, ponadto wykazuje właściwości magnetyczne.

- hematyt (Fe2O3), inaczej nazywany żelaziakiem czerwonym, zawiera mniej żelaza, niż magnetyt, ale mimo to jest go wiele: od 30 do 64 %.

- limonit (Fe2O3 ∙ n H2O) znany pod nazwą żelaziak brunatny, stanowi rudę złożoną z uwodnionego tlenku metalu, w zależności od zawartości wody, może zawierać nawet do 40 % żelaza.

- syderyt (FeCO3) należy do rud ubogich w żelazo, zawiera go ok. 25 %.

- piryt (FeS2)

Do krajów posiadających duże zasoby tych minerałów zależą: Rosja, USA oraz Szwecja.

Polskę zalicza się do krajów ubogich w te rudy. Posiadamy jedynie rudy syderytu i limonitu, z których otrzymujemy potrzebne nam stale.

  • Właściwości fizyczne:

Żelazo jest metalem o barwie srebrzystobiałej lub srebrzystoszarej. Posiada w właściwości typowe dla metali: kowalność i ciągliwość. Zalicza się go do tzw. metali ciężkich, czyli metali, których gęstość przekracza 5g/cm3 (gęstość żelaza wynosi ok. 7,87 g/cm3). Jest bardzo twarde, a jego twardość dodatkowo wzrasta, jeżeli zawiera pewne, nawet niewielkie, ilości węgla. Topi się w wysokiej temperaturze, określanej na ok. 2750 ºC. Istnieją cztery odmiany alotropowe żelaza, różniące się przestrzenną siecią metaliczną. Żelazo przechodzi kolejno od postaci α-Fe przez γ-Fe i δ-Fe aż do odmiany stopionej pod wpływem temperatury.

  • Właściwości chemiczne:

Żelazo nie ulega reakcjom chemicznym w warunkach pokojowych, ponieważ jest pokryte cieniutką warstewką swoich tlenków. Zdolność do wytwarzania takiej warstwy, zabezpieczającej przed korozją nazywa się pasywacją. Dzięki niej żelazo jest stosunkowo odporne na działanie większości czynników chemicznych i może być stosowane jago materiał strukturalny i budowlany, odporny na działanie czynników atmosferycznych. W przypadku uszkodzenia tej warstwy, następuje jej samorzutna odbudowa. Na odsłoniętej części żelaza zachodzi reakcja z tlenem zawartym w powietrzu.

Pod wpływem roztworów kwasów, zasad i innych elektrolitów żelazo koroduje. Efektem tego procesu jest powstawanie rdzy na powierzchni żelaza. Aby naturalnie mogła się ona wytworzyć muszą przez dłuższy okres czasu panować odpowiednie warunki: wilgoć i atmosfera tlenków kwasów. Z punktu widzenia chemika rdza stanowi mieszaninę uwodnionych tlenków oraz soli (w tym głównie węglanów) żelaza.

Rozdrobnione żelazo posiada nieco odmienne właściwości. Potrafi samoistnie zapalić się w atmosferze powietrza. Dochodzi wówczas do jego utleniania, czego efektem są otrzymane tlenki żelaza, przede wszystkim tlenek żelaza (II, III) - Fe3O4. Żelazo w takiej postaci można otrzymać na w wyniku redukcji jego tlenków, przeprowadzonej za pomocą wodoru.

W podwyższonej temperaturze utlenić można także nie rozdrobnione żelazo. W temperaturze powyżej 500 ºC uzyskuje się wspomniany wyżej tlenek żelaza (II, III). Tlenek ten wykorzystuje się w niektórych wyrobach walcowanych i kutych na gorąco. W jeszcze wyższych temperaturach można otrzymać czysty tlenek żelaza (III) - Fe2O3.

W temperaturze powyżej 470 ºC można także przeprowadzić reakcje z parą wodną. W jej wyniku otrzymuje się mieszaninę uwodnionych tlenków żelaza.

Pod wpływem rozcieńczonych, nie utleniających kwasów mineralnych, żelazo ulega utlenianiu. W czasie reakcji powstają sole żelaza (II) oraz jest wydzielany wodór.

Np. 2 HCl + Fe → FeCl2 + H2 ↑

H2SO3 + Fe → FeSO3 + H2 ↑

Jeżeli na żelazo zadziała się kwasami o właściwościach utleniających otrzyma się sole żelaza trójwartościowego. Należy jednak pamiętać, iż kwasy takie musza być rozcieńczone i nie wolno ich stosować na gorąco. W przeciwnym wypadku dojdzie do pasywacji. Żelazo pod wpływem silnego odczynnika kwasowego pokryje się cienką warstwą tlenku, która skutecznie zabezpieczy go przed zajściem dalszej reakcji.

Np. 6 HNO3rozc.+ 2 Fe → 2 Fe(NO3)3 + 3 H2 ↑

Żelazo, które uległo już pasywacji nie reaguje z innymi kwasami, oprócz tych, które wykazują właściwości redukujące.

Pod wpływem chloru cząsteczkowego, metal utlenia się do chlorku żelaza (III):

3 Cl2 + 2 Fe → 2 FeCl3

Jak wynika z powyżej przestawionych informacji, żelazo najczęściej występuje na +II i +III stopniu utlenienia. Spotykane są jednak jego związki - tzw. żelaziany, w których może występować na +IV, +V lub +VI stopniu utlenienia oraz na -II anionach kompleksowych (np. [Fe(CO)4]2-).

Ponadto żelazo bardzo chętnie tworzy związki kompleksowe o liczbie koordynacyjnej 6. Przykładami takich, dość popularnych związków mogą być: K4[Fe(CN)6] - heksacyjanożelazaian (II) potasu, Fe4[Fe(CN)6]3 - heksacyjanożelazaian (II) żelaza (III), zwyczajowo nazywany błękitem pruskim.

  • Otrzymywanie:

Na skale przemysłową żelazo otrzymuje się z rud, uzyskując tzw. stopy żelaza, czyli stopione mieszaniny żelaza z innymi pierwiastkami. Odbywa się to najczęściej na drodze procesu wielkopiecowego. Istotą tego procesu jest zredukowanie żelaza za pomocą węgla lub tlenku węgla (II). Substancje te wyjątkowo łatwo reagują z tlenkami żelaza, zwłaszcza w wysokiej temperaturze.

Cały proces przeprowadza się w wielkich, szybowych piecach, o wysokości ok. 30 metrów i pojemności nawet 2000 [m3]. Zasada działania pieca oparta jest o zjawisko przeciwprądów. Od góry, warstwami, do pieca wprowadza się za pomocą urządzeń zasypowych surowce. Surowcami są tutaj:

- ruda żelaza

- koks, czyli produkt odgazowania węgli kopalnych, najczęściej węgla kamiennego, zawiera ok. 80 % czystego węgla

- topniki, czyli substancje, które obniżają temperaturę topnienia rud oraz ułatwiającą oddzielenie metalu od innych domieszek, zawartych w rudzie. Te bezużyteczne domieszki zostają związane w postaci żużla. Najczęściej używanymi topnikami są piasek, wapień lub boksyty lub wapniak.

Wlot pieca, po okresowym jego napełnieniu zostaje zamknięty za pomocą ruchomego klina. Poniżej otworu wlotowego znajdują się otwory umożliwiające uchodzenie gazów odpadowych. W dolnej części pieca gromadzi się surówka, czyli pierwszy produkt procesu wielkopiecowego zawiera ok. 4 % węgla oraz niewielkie ilości krzemu, manganu, fosforu oraz siarki. Ponad poziomem surówki umiejscowione są dysze, przez które jest wdmuchiwane gorące powietrze do pieca.

Surowce w piecu powoli osuwają się w dół, osiągając jednocześnie coraz wyższą temperaturę. W górnej części pieca temperatura waha się w granicach 200 - 500 ºC. Niżej osiągana jest już temperatura 800ºC. Tu też rozpoczyna się proces redukcji rud żelaza, z udziałem węgla, częściowo utlenionego w strumieniu gorącego powietrza do tlenku węgla (II) i (IV). Poniżej zostały zamieszczone odpowiednie równania reakcji chemicznych obrazujące procesy zachodzące w wielkim piecu:

  1. Spalanie węgla:

C + O2 → CO2

CO2 + C → 2 CO

  1. Pierwsza faza redukcji rud żelaza:

3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2

Im niżej w wielkim piecu, tym wyższa panuje temperatura. W kolejnej części zachodzą dalsze reakcje:

FeO + C → Fe + CO (temperatura 800 - 1200 ºC)

FeO + CO → Fe + CO2 (temperatura 1200 - 1500 ºC)

Gazami powstającymi w procesie wielkopiecowym są głównie tlenek węgla (II), tlenek węgla (IV), a także wodór. Posiadają one właściwości palne i zazwyczaj ponownie są wykorzystywane do ogrzania powietrza, które jest wtłaczane do pieca. Operacje ta przeprowadza się w tzw. generatorach Cowpera. Po ogrzaniu generatora, przez gazy do temperatury 1200ºC, przepuszcza się przez niego powietrze, które następnie jest kierowane do pieca.

Surówka, którą otrzymuje się jako pierwszy produkt w procesie wielkopiecowym, jest mieszaniną żelaza i węgla. Oprócz tego zawiera inne pierwiastki: siarkę, fosfor, mangan, krzem oraz inne. Skład surówki zależy od rodzaju użytych topników oraz rud. Można wyróżnić kilka gatunków surówek żelaznych:

- surówka szara - wysokokrzemowa; zawiera niewielki ilości manganu. Jest szara, krucha i stosunkowo łatwo się topi. Zawiera węgiel w postaci grafitu.

Wykorzystuje się ją do otrzymywania produktów żeliwnych. Zanim jednak stanie się żeliwem zostaje ponownie przetopiona wraz z koksem i wapieniem w piecu szybowym.

- surówka biała - wysokomanganowa; zawiera niewielkie ilości krzemu. Jest biała, krucha, lecz trudno się topi. Zawiera węgiel w postaci Fe3C.

Służy do otrzymywania stali.

W celu uzyskania stali z surówki białej należy usunąć z niej siarkę i fosfor oraz częściowo węgiel. Dokonuje się tego w procesie świeżenia, który polega na utlenianiu surówki tlenem z powietrza. W trakcie procesu zachodzą następujące reakcje:

2 Fe + O2 → 2 FeO

Si + 2 FeO → SiO2 + 2 Fe

Mn +FeO → MnO + Fe

4 P + 10 FeO → P4O10 + 10 Fe

C + FeO → CO + Fe

W efekcie otrzymuje się surówkę zawierającą żelazo, niewielkie ilości węgla oraz śladowe ilości innych pierwiastków. Aby uzyskać stal o określonych właściwościach dodaje się do niej odpowiednie ilości różnych pierwiastków chemicznych - tworząc stopy.

Obecnie znanych jest ok. 2000 różnych gatunków stali.