Железо — хемиски елемент со знак Fe (од латински: ferrum) и атомски број 26. Тоа е метал во првата преодна серија во периодниот систем. Тоа е по маса најчест елемент на Земјата, формирајќи голем дел од надворешното и внатрешното јадро на Земјата. Тоа е четвртиот најчест елемент во Земјината кора. Нејзиното изобилство на карпести планети како Земјата се должи на своето изобилство производство со соединување во ѕвезди со голема маса, каде што е последниот елемент кој треба да се произведува со ослободување на енергија пред насилниот колапс на супернова, која го расфрла железото во вселената.
Чистото железо е многу ретко на Земјината кора, во основа ограничена на метеорити. Железните руди се доста изобилни, но извлекувањето на употреблив метал од нив бара печки или печки способни да достигнат 1500 °C или повисоко, околу 500 °C повисоко од она што е доволно за да се топи бакар. Луѓето почнаа да доминираат во тој процес во Евроазија само околу 2000 година пр.н.е., а во некои региони, само околу 1200 пр.н.е., железото почнало да ги менува бакарни легури за алати и оружје. Овој настан се смета за премин од бронзеното време во железното време. Железни легури, како што се челик, инокс и специјални челици, сега се далеку најзастапени индустриски метали, поради нивните механички својства и нивната ниска цена.
Приземните и мазни чисти железни површини се огледало-сребрено-сива боја. Сепак, железо реагира лесно со кислород и вода за да даде кафеави до црни хидрирани железни оксиди, попозната како ’рѓа. За разлика од оксидите на некои други метали, кои формираат пасивирачки слоеви, ’рѓата зафаќа повеќе волумен од метал и отсекува, изложувајќи нови површини за корозија.
Телото на возрасен човек содржи околу 3 до 5 грама елементарно железо, главно во хемоглобин и миоглобин.Delphine Meynard, Jodie L. Babitt and Herbert Y. Lin (2014): "The liver: conductor of systemic iron balance". Blood, volume 123, issue 2, pages 168-176. Овие двa белковини играат важна улога во метаболизмот на ’рбетниот столб, односно транспорт на кислород преку крв и складирање на кислород во мускулите. За да се одржат потребните нивоа, човечкиот метаболизам на железо бара минимум железо во исхраната. Железото е, исто така, металот на активното место на многу важни редокс ензими кои се занимаваат со клеточното дишење и оксидација и редукција на растенијата и животните..
Хемиски, железо дели многу својства на другите преодни метали, вклучувајќи друга група 8 елементи, рутениум и осмиум. Железото формира соединенија во широк спектар на оксидациски состојби, -2 до +7. Железо, исто така, формира многу координатни соединенија; некои од нив, како што се фероцен, фериоксалат и пруско сино, имаат значителни индустриски, медицински или истражувачки апликации.
Најчести оксидни состојби на железо се +2 и +3, означени со железо(II) и железо(III) во модерна стандардна номенклатура. Традиционално, соединенијата на железо(II) (како што се солите на двовалентниот катјон Fe2 +) се нарекуваат обоени;"ferrous" entry in the Merriam-Webster online dictionary. Accessed on 2008-04-19. додека соединенијата со железо(III) (како што се соли на Fe3 +) најчесто се нарекуваат железо. Соединенија што содржат железо во двете состојби, означени како железо(II, III), може да се наречат ферозо-железен или ферозоферик; како, на пример, ферозоферетски оксид Fe3O4.Инаку, ferr- (од латинскиот ферум) е општо корен што значи "железо", како во црна металургија, обоени метали, феромагнетни, фероелектрични и ферогинозни.
Зборовите со коренот - може да произлезат од латинскиот сидерис „на ѕвездите“ (како во сидреалното време); но, исто така, можат да произлезат и од грчки σίδηρος sideros „железо“, како и кај сидерофилот (елемент кој го сака железото), сидеритот („железен минерал“), сидерофорот („белковината што носи“) и сл.
Особености
Aлотропи
Најмалку четири алотропи од железо (различни атомски аранжмани во цврстата состојба) се познати, конвенционално означени со α, γ, δ и ε.
Првите три форми се забележани при обични притисоци. Како што стопеното железо се лади минатото на точката на замрзнување од 1538 °C, кристализира во δ алотропијата, која има кристална структура кутричка (bcc) во средиштето на телото. Бидејќи се лади понатаму на 1394 °C, се менува во неговата гала-атотропа, кристална структура на централната кула (fcc), или аустенит. На 912 °C и подолу, кристалната структура повторно станува bcc α-железна алторопа .
Физичките својства на железото при многу високи притисоци и температури, исто така, се проучуваат опширно, поради нивната важност за теориите за јадрата на Земјата и другите планети. Над приближно 10 GPa и температури од неколку стотици келвини или помалку, α-железо се менува во друга шестаголна тесна структура (hcp), која е исто така позната како ε-железо. Γ-фазата со повисока температура исто така се менува во ε-железо, но тоа го прави при повисок притисок.
Некои контроверзни експериментални докази постојат за стабилна β фаза при притисоци над 50 GPa и температури од најмалку 1500 K. Таа треба да има ортоормбинска или двојна hcp структура. (Збунувачки, поимот "β-железо" понекогаш се користи и за да се однесува на α-железо над точката на Кјури, кога се менува од феромагнетно до парамагнетно, иако нејзината кристална структура не е променета .
Внатрешното јадро на Земјата генерално се претпоставува дека се состои од легура на железо-никел со ε (или β) структура.
Топење и точки на вриење мини|Горење на железо и други метали. Точките на топење и вриење на железо, заедно со неговата енталпија на атомизација, се пониски од оние на претходните 3d елементи од скандиум на хром, покажувајќи го намалениот придонес на 3d електроните во металното поврзување, бидејќи тие сè повеќе и повеќе се привлекуваат во инертниот дел на јадрото,Greenwood and Earnshaw, p. 1116 меѓутоа, тие се повисоки од вредностите за претходниот елемент манган, бидејќи тој елемент има полупополнет 3d подслој и следствено, неговите d-електрони не се лесно далокализирани. Овој тренд се појавува и за рутениум, но не и за осмиум.
Точката на топење на железо е експериментално добро дефинирана за притисоците помали од 50 GPa. За поголеми притисоци, објавените податоци (од 2007 година) сè уште варираат со десетици гигапаскали и преку илјада келвини.
Магнетни својства Под точката на Кири од 770 °C, α-железото се менува од парамагнетно до феромагнетно: спиновите на двата неспарени електрони во секој атом генерално се усогласуваат со врти на соседите, создавајќи целокупно магнетно поле.</ref>]] Below its Curie point of 770 °C, α-iron changes from paramagnetic to ferromagnetic: the spins of the two unpaired electrons in each atom generally align with the spins of its neighbors, creating an overall magnetic field.. Ова се случува бидејќи орбиталите на овие два електрони (dz2 и dx2-y2) не упатуваат кон соседните атоми во решетката и затоа не се вклучени во металното поврзување.
Во отсуство на надворешен извор на магнетно поле, атомите се спонтано поделени во магнетни домени, околу 10 микрони, така што атомите во секој домен имаат паралелни вртења, но различни домени имаат други ориентации. Така, макроскопското парче железо ќе има речиси целото јадрено магнетно поле.
Примена на надворешно магнетно поле ги предизвикува домените што се магнетизираат во истата генерална насока да растат на сметка на соседните оние што се насочени во други насоки, зајакнувајќи го надворешното поле. Овој ефект се експлоатира во уреди кои треба да ги канализираат магнетните полиња, како што се електричните трансформатори, магнетните снимања за глава и електричните мотори. Нечистотиите, дефектите на решетките или границите на жито и честички можат да ги "закачат" домените на новите позиции, така што ефектот ќе продолжи и по отстранувањето на надворешното поле - со што го претвора железен објект во (постојан) магнет.
Сличното однесување е изложено и од некои соединенија на железо, како што се феритите и минералниот магнетит, кристална форма на мешан железен (II, III) оксид Fe3О4 (иако механизмот на атомска скала, ферримагнетизмот, е малку поинаков). Парчиња на магнетит со природна постојана магнетизација (ложат)) обезбедија најрани компаси за навигација. Честички на магнетитот беа широко користени во магнетни медиуми за снимање, како што се основни спомени, магнетни ленти, floppies и дискови, сè додека не беа заменети со материјали засновани на кобалт.
Изотопи Изотопите од железо (чии атоми имаат 26 електрони и 26 протони, но различен број на неутрони во јадрото) вклучуваат четири стабилни: 54Fe (5.845% од природно железо), 56Fe (91.754%), 57Fe (2.119%) и 58Fe (0,282%). Исто така, се создадени неколку десетици вештачки изотопи.
Од овие стабилни изотопи само 57Fe има јадрен спин (- 1/2). Нуклидот 54Fe теоретски може да претрпи двојно зафаќање на електронот до 54Cr, но процесот никогаш не бил забележан и е утврдена само ниска граница на полуживот од 3.1 × 1022 години.. Од овие стабилни изотопи, само 57Fe има јадрен спин (- 1/2). Нуклид 54Fe теоретски може да претрпи двојно зафаќање на електрони до 54Cr, но процесот никогаш не бил забележан и е утврдена само ниска граица на полуживот од 3.1 × 1022 години.
60Fe е изумрен радионуклид на долг полуживот (2,6 милиони години). Не се наоѓа на Земјата, но нејзиниот краен производ на распаѓање е нејзината внука, стабилниот нуклид 60Ni. Голем дел од минатото работење на изотопскиот состав на железо се фокусираше на нуклеосинтезата на 60Fe преку студии на метеорити и формирање на руда. Во последната деценија, напредокот во масовната спектрометрија овозможи откривање и квантификација на минутни, природни варијации во стапките на стабилните изотопи на железо. Голем дел од оваа работа е управувана од Земјата и планетарните научни заедници, иако се појавуваат апликации за биолошки и индустриски системи.
Во фазите на метеоритите Семаркона и Червони Кут, корелацијата помеѓу концентрацијата на 60Ni, внуката од 60Fe и изобилството на стабилни изотопи на железо, доведоа до постоење на 60Fe во времето на формирањето на Сончевиот Систем. Можно е дека енергијата ослободена од распаѓањето на 60Fe, заедно со онаа ослободена од 26Al, придонесе за преплавување и диференцијација на астероиди по нивното формирање пред 4,6 милијарди години. Изобилството на 60Ni присутно во вонземски материјал може да донесе понатамошен увид во потеклото и раната историја на Сончевиот Систем.
Најзастапен железен изотоп 56Fe е од особен интерес за јадрените научници, бидејќи тој претставува најчеста крајна точка на нуклеосинтезата . Бидејќи 56Ni (14 алфа-честички) лесно се произведува од полесни јадра во алфа-процесот во јадрените реакции во супернови (види го процесот на согорување на силициум), тоа е крајна точка на синџири на соединување во екстремно масивни ѕвезди, бидејќи додавање на друга алфа-честица, што резултира со 60Zn, бара многу повеќе енергија. Овој 56Ni, кој има полуживот од околу 6 дена, е создаден во квантитет во овие ѕвезди, но наскоро се распаѓа со две последователни емисии на позитрон во производите на распаѓање на супернова во облакот за гасови од супернова, најпрво до радиоактивен 56Co, а потоа до стабилен 56Фе. Како таков, железото е најзастапен елемент во јадрото на црвените гиганти, и е најзастапен метал во металните метали и во густите метални јадра на планети како Земјата.Greenwood and Earnshaw, p. 12 It is also very common in the universe, relative to other stable metals of approximately the same atomic weight. Исто така е многу честа во универзумот, во однос на другите стабилни метали со приближно иста атомска тежина Железото е шестиот најзастапен елемент во Универзумот, и најчест огноотпорен елемент .