Железо

Железо — самый распространённый элемент Земли, если считать всю планету целиком: ядро состоит в основном из железа и никеля. В земной коре оно на четвёртом месте, а по значению для человеческой техники — вне конкуренции: около 95 % всего производимого металла в мире это железо и его сплавы.

С железом связано и одно из самых обыденных химических явлений — ржавчина, которая ежегодно уничтожает заметную долю всего произведённого металла.

Основные руды — оксиды: магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂O₃, бурый железняк. Значительны также сидерит FeCO₃ и пирит FeS₂, хотя последний из-за серы для металлургии неудобен.

Крупнейшие месторождения — полосчатые железистые кварциты, образовавшиеся около двух миллиардов лет назад. Их происхождение прямо связано с появлением кислорода: растворённое в древнем океане двухвалентное железо окислялось до нерастворимого трёхвалентного и выпадало на дно. Железные руды, из которых делают сталь, — это, по сути, след кислородной катастрофы.

Дату назвать нельзя: железо известно с доисторических времён. Первые изделия делали из метеоритного железа — древнеегипетское название означало примерно «небесный металл», и такие предметы ценились дороже золота.

Выплавка из руды требует более высокой температуры, чем выплавка меди, и распространилась примерно с XII века до нашей эры. Переход к железу изменил и хозяйство, и военное дело: медь и олово для бронзы встречаются вместе редко, а железная руда есть почти везде.

Железо — переходный металл, и, как у большинства переходных металлов, у него несколько устойчивых степеней окисления. Основные — +2 и +3, причём в присутствии кислорода +2 постепенно переходит в +3.

Коррозия — это электрохимический процесс, а не простое окисление: для неё нужны одновременно кислород и вода, и она заметно ускоряется в присутствии солей. Образующаяся ржавчина рыхлая и не защищает металл под собой — в отличие от плёнки оксида на алюминии, — поэтому процесс идёт до конца.

Способов защиты несколько: покрытие краской, цинкование, легирование хромом. В нержавеющей стали хром образует тонкую плотную оксидную плёнку, которая и останавливает коррозию.

Чугун и сталь — это сплавы железа с углеродом, и разница между ними в содержании углерода: в чугуне его больше 2 %, и он хрупок; в стали меньше, и она ковкая. Дальнейшие свойства задаются добавками: хром даёт коррозионную стойкость, марганец — износостойкость, вольфрам — способность держать твёрдость при нагреве.

Отдельно стоит применение соединений железа: пигменты (охра, железный сурик), катализаторы, в том числе в синтезе аммиака, и лекарственные препараты при анемии.

Железо входит в гем — фрагмент молекулы гемоглобина, который обратимо связывает кислород и переносит его по крови. Именно железо в геме даёт крови красный цвет.

Оно же входит в цитохромы — белки дыхательной цепи, где железо циклически меняет степень окисления с +2 на +3 и обратно, передавая электроны. Суточная потребность человека невелика, порядка десятка миллиграммов, но недостаток железа — самая распространённая в мире форма пищевой недостаточности.