Желязото е химичен елемент, метал, с атомен номер 26 и символ Fe (). Той е част от група 8 и период 4 на периодичната система, поради което се класифицира като преходен метал. Металът е от най-разпространените и се смята, че планетата Земя притежава феросиликатно ядро. То е важен микроелемент със значение за повечето нисши и всички висши организми. Желязото под формата на съединения и сплави (стомана, чугун) е основен компонент в конструкционните процеси.
Открито още през желязната епоха, желязото се оказва недостатъчно твърдо за индустриални нужди, поради което методите за получаване на желязо-въглеродни сплави се усъвършенстват постоянно.
Повърхността на желязото е блестяща и сребристосива, но във влажен въздух се окислява, покривайки се с червеникавокафяв слой ръжда. Отделните кристали чисто желязо са меки (по-меки от алуминия), като добавянето на относително малки примеси значително увеличава твърдостта и якостта. Стоманата представлява сплав на желязото с малко количество въглерод и други метали и може да бъде хиляда пъти по-твърда от чистото желязо.
Желязо-56 е най-тежкият стабилен изотоп, образуван от алфа-процеса при звездния нуклеосинтез. За образуването на елементи, по-тежки от желязото и никела, е необходим взрив на свръхнова звезда. Желязото е най-изобилният елемент в ядрата на червените гиганти, най-изобилният метал в железните метеорити и в плътните метални ядра на планети като Земята.
Откриване Желязото е един от елементите, известни още от древността. Разпространението и сравнително ниската температура на топене правят метала достъпен и лесен за обработване. Има доказателства, че метеоритите са използвани като източник на желязо през третото хилядолетие пр.н.е. и в тях почти винаги се съдържа никел. Историята на запознаване на човека с желязото най-често се свързва с неговото откриване.
Желязната епоха е последният технологичен и културен стадий в развитието на човечеството в каменно-бронзово-желязната последователност. Данни за настъпването ѝ, в които металът напълно заменя бронза в инструментите и оръдията, варират географски, започвайки от Средния Изток. Между 1200 и 1000 г. пр.н.е. знанията за металургията на желязото и за използването му бързо се разпространяват. Изделия от метеоритно желязо са открити в Египет и Месопотамия. Желязната епоха започва в Египет през XII век пр.н.е.
Произход на наименованието Има няколко версии за произхода на славянската дума „желязо“ (; ; ; ; ). Една от тези версии свързва тази дума със санкритската „жалжа“, която означава „метал, руда“. Другата версия свързва с гръцката дума „χαλχοσ“, която означава желязо, мед.
При много народи, когато са се запознали с желязото като метал, той е паднал от небето, т.е. като метеоритно желязо. Народите на Египет го наричали „небесен метал“, в Месопотамия – „небесно желязо“, а древногръцкото название е свързано с нещо „звездно“. При откриването на Америка индианците и ескимосите от Северна Америка не са били запознати с методите за получаване на желязото от руди, но са умеели да обработват метеоритно желязо.
Европейските „iron“ (англ.), „Eisen“ (нем.) произлизат от старонемското īsarn, вероятно от протоиндоевропейското или келтско *h₁ésh₂r̥ (кръв). Латинското „ferrum“ вероятно има финикийски произход, но е възможно и да е възприето от римляните от санскритското, означаващо „твърдост“.
Наличие в природата Желязото е шестият най-разпространен химичен елемент във Вселената и четвъртият по разпространеност на Земята. То се образува при последния екзотермичен етап на звездния нуклеосинтез, при процеса на силициево изгаряне в масивните звезди. То е най-тежкият устойчив елемент, който се образува по този начин.
Процесът започва с второто най-тежко устойчиво ядро, формирано при силициевото изгаряне, това на калция. Калциевото ядро се обединява с едно хелиево ядро, образувайки неустойчив титан. Преди да се разпадне, титанът може да се обедини с още едно хелиево ядро, образувайки неустойчив хром, който от своя страна може да погълне още едно хелиево ядро и да се превърне в неустойчиво желязо. Поглъщането на ново хелиево ядро довежда до образуването на нестабилен никел-56, който вече поглъща хелиеви ядра със загуба на енергия, поради което се разпада до неустойчив кобалт-56, а той от своя страна – до вече устойчивото желязо-56.
На желязото се падат около 5% от количеството вещество в земната кора, но за ядрото, което включва 35% от масата на планетата се смята, че е изградено предимно от сплав на желязо и никел. Така желязото е най-разпространеният елемент на Земята, но едва четвъртият в земната кора.
Самородното желязо се среща рядко на повърхността на Земята, тъй като то лесно окислява, но неговите оксиди са широко разпространени и формират основната част от железните руди. Под формата на сулфиди то се съдържа в повечето сулфидни минерали, а пиритът е широко разпространен. По-голямата част от желязото в земната кора е във вид на минерали на железния оксид и хидроксиди, като хематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4), лимонит (FeO(OH)). Те са се образували при ветреенето на сулфидни и силикатни минерали на желязото, при което се получават най-напред FeSO4 и Fe(HCO3)2. В разтвор тези съединения бързо се окисляват. Големи залежи от желязо има в геоложки формации, образувани от множество се тънки слоеве магнетит или хематит, редуващи се с пластове бедни на желязо седименти, които са образувани преди 3,7 до 1,8 милиарда години.
Приблизително 1 от 20 метеорита са съставени от редките никел-железни минерали тенит (35 – 80% желязо) и камасит (90 – 95% желязо). Макар и редки, железните метеорити са основната форма на естествено метално желязо на земната повърхност. Чрез мьосбауерова спектроскопия е установено, че червеният цвят на повърхността на Марс се дължи на богатия на железни оксиди реголит.
Физични свойства Механични свойства
+ Характеристични стойности на якостта на опън (TS) и твърдостта (BH) на различни форми и сплави на желязотоМатериалTS (MPa)BH (по Бринел)Монокристални мустаци11000Закалена стомана2930850 – 1200Мартензитна стомана2070600Бейнитна стомана1380400Перлитна стомана1200350Студенообработено желязо690200Дребнозърнесто желязо340100Въглеродосъдържащо желязо14040Чист железен кристал103
Желязото е типичен метал, в свободно състояние има блестящ сребристо-бял цвят със сивкав оттенък. Чистият метал е ковък, но с примеси въглерод, то става по-твърдо и крехко. Притежава ярко изразени магнитни свойства. Твърдостта на чистото желязо има толкова устойчиви стойности, че често се използва за калибриране на измервания или сравнение на изпитвания, но механичните свойства на желязото се влияят силно от наличието на примеси. Чистите железни кристали са по-меки от алуминия, а най-чистото произвеждано в промишлени условия желязо (99,99%) има твърдост по Бринел 20 – 30. При увеличаване на съдържанието на въглерод първоначално се наблюдава значително нарастване на твърдостта и якостта на опън. Максимална твърдост се получава при съдържание на въглерод около 0,6%, но тази сплав има ниска якост на опън. Модулът на срязване на желязото е 82 GPa.
Желязото има атомно тегло 55,846 и плътност 7,875 g/cm3.
Алотропни форми Желязото е метал, който проявява изявена алотропия. Съществуват поне четири алотропни форми на желязото, обозначавани като α (кубично обемноцентрично), γ (кубично стеноцентрично), δ (високотемпературно кубично обемноцентрично) и ε, като според някои спорни експериментални данни при много високо налягане и температура се образува и устойчива β-форма.
Когато разтопеното желязо се охлажда, при 1538 °C, то кристализира в δ-форма, която има обемноцентрирана кубична кристална решетка. При охлаждане до 1394 °C кристалната решетка се изменя в стенноцентрирана и се получава γ-желязо или аустенит. При 912 °C кристалната структура отново става обемноцентрирана и се формира α-желязо или ферит, а при 770 °C (точка на Кюри) желязото става магнитно. При преминаването през точката на Кюри видът на кристалните решетки не се променя, а атомите се групират според своя електронен спин.
При налягане над приблизително 10 GPa и температури до няколкостотин келвина, α-желязото се трансформира в шестоъгълна компактна структура, известна като ε-желязо. γ-желязото също може да се превърне в ε-желязо, но при по-високо налягане. β-желязото, ако съществува, би се формирало при налягане поне 50 GPa и температура над 1500 K, като се предполага, че би имало орторомбична или двойношестоъгълна компактна структура. ε- и β-желязото могат да съществуват само при високо налягане, но играят важна роля в моделирането на твърдите части на планетните ядра – смята се, че ядрото на Земята е съставено основно от желязно-никелова сплав с ε (или β) структура.
Желязото има най-голямо значение за техниката във вид на сплави с други метали и с въглерод, така че да се получи стомана. Съществуват множество видове стомана с различни свойства, които до голяма степен зависят от алотропните форми на желязото. α-желязото (ферит) е най-устойчивата форма при нормални температури. То е относително мек метал, който може да разтваря ограничено количество въглерод (не повече от 0,021% по маса при 910 °C). Над 912 °C феритът се трансформира в аустенит, който също е мек, но може да разтваря значително по-големи количества въглерод (до 2,04% по маса при 1146 °C). Тази форма се използва широко и за съдържащите значителен процент легиращи материали неръждаеми стомани.
Изотопи Природното желязо е смес от четири устойчиви изотопа: 54Fe – 5,854%, ядрено статично равновесие; 56Fe – 91,754%, α-разпад, термоядрено горене на хелия; 57Fe – 2,119%, ядрено статично равновесие; 58Fe – 0,282%, ядрено статично равновесие. От тях само 57Fe има ядрен спин (−½). Теоретично нуклидът 54Fe трябва да претърпява двоен бета-разпад, но този процес не е наблюдаван експериментално и е установена само долна граница за периода на полуразпад: t1/2>3,1×1022 години.
60Fe е изчезнал радиоактивен изотоп с период на полуразпад 2,6 милиона години. Той не се среща на Земята, но в резултат на разпада му до кобалт-60 е образуван устойчивият изотоп никел-60.
В миналото основните измервания на изотопния състав на желязото са насочени към определяне на вариациите в 60Fe, дължащи се на процесите, свързани с нуклеосинтез и образуване на руди. През 21 век напредъкът в техниката на масспектрометрията дават възможност за откриване и измерване на съвсем малки естествени вариации в съотношението между устойчивите изотопи. Тези изследвания намират приложение главно в науките за Земята и планетологията, макар че се появяват и първи приложения в биологичните и промишлени системи.
Най-често срещаният изотоп 56Fe представлява особен интерес, тъй като той е най-масовата крайна точка на нуклеосинтеза. Често е сочен неправилно за изотопа с най-голяма енергия на свързване, макар че в действителност такъв е никел-62.
При изследвания на паднали на Земята метеорити е установена корелация между концентрациите на 60Ni, продукт на разпада на 60Fe, и изобилието от устойчиви железни изотопи, което свидетелства за наличието на 60Fe по времето, когато е образувана Слънчевата система. Възможно е енергията, отделена при разпада на 60Fe, да е допринесла, наред с енергията от разпада на радиоактивния изотоп 26Al, за повторното разтопяване и диференциацията на астероидите след тяхното образуване преди 4,6 милиарда години. Изобилието от 60Ni в извънземен материал може да даде допълнителна информация за произхода на Слънчевата система и нейната ранна история.
Химични свойства Желязото е член на 8 (VIIIB) група, принадлежащ на преходните метали, с електронна структура 1s22s22p63s23p63d64s2. Желязото образува химични съединения главно в степени на окисление +2 и +3, но са известни и +1, +6 и +8. Такива са широко използваните в промишлеността FeSO4·7H2O и FeCl3. Съединенията Fe(II) лесно се окисляват до Fe(III) при излагане на въздух. Има и съединения със смесена валентност, които съдържат Fe(II) и Fe(III), например магнетитът (Fe3O4) или оцветителят пруско синьо (Fe4(Fe[CN]6)3).