Kemijski element Željezo

Željezo je kroz povijest bio iznimno važan metal, što je ostao i do modernog doba, pa danas možemo kazati da je željezo najčešće korišteni metal globalno, i čini 95% od ukupne proizvodnje (ako gledamo po masi korištenih metala). Razlog je jednostavan – Željezo ima pogodna fizička svojstva, i nisku cijenu proizvodnje i recikliranja. Danas se željezo (i sve legure željeza) značajno koriste u automobilskoj industriji, brodogradnji, graditeljstvu, te izradi različitih alata i strojeva. Osim spomenutih povoljnih fizičkih svojstava ovog metala, važno je spomenuti da se željezo može lako legirati, čime se u velikoj mjeri utječe na njegova svojstva.

Razlikujemo kemijski element Željezo Fe, od tehničkog željeza (koje se koristi u industriji), te svih legura kojima je željezo glavni (bazni) element.

Željezo je kemijski element koji označavamo simbolom Fe, a ima atomski broj 26. Specifična atomska masa željeza je 55,845(2).

Simbol kojim označavamo kemijski element željezo (Fe) dolazi od latinskog naziva za ovaj metal – ferrum.

Strojna obrada željeznog komada. Glodanje
Obrada željeza

Željezo u anionskom kompleksu nazivamo Ferat. Elementarno željezo zovemo Telursko željezo, odnosno željezo koje nalazimo u prirodi (u Zemljinoj kori). Kada je potpuno čisto, željezo prepoznajemo po srebrnoj boji, sjajno je i mekano. Ljudi su otkrili željezo još u davnoj povijesti, a danas je možda i najvažniji metal koji koristimo na mnoge načine. Koristimo željezo u skoro svim granama industrije, automobilskoj, avio-industriji, brodogradnji, kemijskoj industriji, elektro-industriji, pa čak i u prehrani. Slobodno možemo kazati da je željezo najvažniji metal modernog doba.

Korištenje željeza

Najpoznatija legura željeza je čelik. Čelik je legirano željezo sa određenim udjelom ugljika. Ovisno o udjelu ugljika, čelik će imati određena svojstva koja su nam potrebna. Najčešći oblici čelika u sebi sadržavaju do 2,06% ugljika.

Željezo je metal koji hrđa na vlažnom zraku i otapa se u razrijeđenim kiselinama. To znači da je aktivan u atmosferskim uvjetima, pri čemu propada. Za razliku od patine, koja štiti bakar, ili tankog oksidirajućeg sloja koji štiti aluminij, željezo će nastaviti da rđa (oksidira) sve do potpunog propadanja.

Zbog raznolike primjene, i različitih legura, željezo često nazivamo Tehničko željezo. Tehničko željezo je naziv za legure željeza sa određenim udjelom ugljika, silicija, mangana, sumpora ili fosfora. Takvo željezo je bolje iskoristivo, lakše obradivo i postojano. Ovisno o potrebama, od željeza radimo određene legure, a pored spomenutih elemenata, ovaj metal lako možemo legirati sa drugim metalima, kao što su: krom, titanij, molibden, nikl, tantal, vanadij, kobalt, niobij, volfram i drugi. Zapravo se svojstva željeza mogu lako modificirati, zbog čega je ovaj metal toliko zastupljen u svim industrijskim proizvodnim pogonima.

Danas poznajemo više tisuća vrsta tehničkog željeza. Ne samo to, nego smo raznim testiranjima otkrili svojstva tih legura, pa znamo gdje koju možemo iskoristiti na najbolji način.

Nehrđajući čelik
Nehrđajuči čelik

Danas je popularan takozvani nehrđajuči čelik, koji je zapravo legirano željezo sa dodatkom nikla i kroma. Takva je legura otporna na koroziju, i postojana je za razliko od čistog oblika željeza. Baš kako i samo ime govori – ovaj čelik ne hrđa pri atmosferskim uvjetima.

Spomenuli smo već da željezo na vlažnom zraku hrđa, što znači da će se na površini metala pojaviti sloj hidroksida koji ne štiti metal od daljeg nagrizanja. Željezo će nastaviti da hrđa, sve do potpunog propadanja komada metala.

Osim što reagira na vlažnom zraku, ako se željezo zagrije na visoku temperaturu, površinski sloj će biti prekriven crvenim slojem oksida Fe3O4.

Željezo – prirodni oblik metala

U prirodnom okruženju u Zemljinoj kori željezo najčešće vidimo kao mineral Magnetit. Prepoznajemo ga po kristalnom kubičnom obliku kao što vidite na donjoj fotografiji.

Oblik željeza u prirodi - Magnetit
Magnetit

Po rasprostranjenosti, željezo je (po masenom udjelu) odmah iza aluminija. Željezo zauzima oko 5% od ukupne mase ostalih elemenata. Pretpostavljamo da ga u cijeloj Zemlji ima oko 37%, čak i u najdubljim dijelovima – ako znamo da je Zemljina jezgra sačinjena od željeza. Zbog toga Zemlja ima magnetne polove, jer je željezo metal koji ima izražena magnetna svojstva. Elementarno željezo u prirodi pronalazi samo kao meteorno, dospjelo na zemlju iz Svemira i telurno prisutno u Zemljinoj kori od iskonskih vremena.

Čelik – Najpoznatija legura željeza

Dijagram stanja željezo ugljik
Dijagram stanja Željezo-Ugljik

Čelik je najpoznatija i najčešće korištena legura (slitina) željeza i ugljika. Udio ugljika bude do 2,06%, ovisno o svojstvima poluproizvoda koja želimo dobiti. Ako se legiranjem dodaju još neki drugi elementi, onda udio ugljika može biti i nešto veći od 2,06%. Elementarno željezo se rijetko koristi kao krajnji proizvod. Gotovo se sva količina dobivenog željeza legira i prerađuje, najčešće u čelik. Prerada se odvija u visokim pećima, na visokim temperaturama. Mehanička svojstva čelika su znatno bolja i pogodnija, nego što su svojstva sirovog željeza. Čelici se odlikuju velikom čvrstoćom, tvrdoćom i žilavi su. Lako se lijevaju, i mehanički obrađuju na strojevima. Zbog dobrih svojstava i lake obrade, čelici se koriste u gotovo svim postrojenjima koja danas poznajemo. Od čelika se izrađuju građevinski elementi i konstrukcije, automobilski dijelovi, brodovi, pruge, i razna oprema i alati. Čelik se lako reciklira, što je još jedna pogodnost korištenja ovog metala.

Vrijedi spomenuti da se u čeličnim spremnicima može čuvati i skladištiti koncentrirana sumporna kiselina, jer ona pasivira željezo, što je i dokazano u laboratorijskim testiranjima.

Postupak prerade željeza u čelik je završen kada je postignut odgovarajući sastav taljevine. Na gornjoj fotografiji možete vidjeti dijagram tehničkih karakteristika legure, po različitim omjerima ugljika i pri različitim temperaturama. To je možda i najpoznatiji dijagram svim strojarskim tehničarima, i diplomiranim strojarskim inženjerima.

Prerada željeza

Visoke peći prerada čelika
Taljeni čelik

Nekada smo željezo prerađivali u visokim pećima koje su koristile fosilna goriva, što jako zagađuje okoliš. Današnje metode prerade dosta su prihvatljivije, kako za okoliš tako i za zdravlje ljudi koji rade u takvim pogonima.

Moderne elektropeći za rad koriste električnu energiju, a za izdvajanje željeza se koriste grafitne elektrode.

Kroz grafitne elektrode protječe struja jakosti 120.000 A. Pri temperaturi iznad 3.600°C grafit sublimira, što znači da nema otpada u obliku pepela ili troske (elektroda jednostavno ispari).

Pri ovom procesu, jako male količine ugljika će oksidirati sa zrakom i stvorit će se ugljikov dioksid. Grafitne elektrode se istroše već nakon 24. Vrijedi spomenti da za dobivanje 1 t čelika potrošimo 2,8 kilograma grafita.

Elektropeći su dobre i zbog mogućnosti da željezo legiramo sa inače teško taljivim metalima, kao što je volfram, molibden, vanadij i kobalt.

Povijest i upotreba željeza

Povijest obrade željeza seže u davnu prošlost, pa imamo dokaze da smo željezo koristili još 5.000 godine p.n.e.

Željezo korišteno u tom peridu je meteoritsko željezo, (meteorno željezo dospjelo iz Svemira), koje se najčešće koristilo za izradu raznih dijelova nakita i različitog oružja (najčešće vrhovi koplja).

Meteoritsko željezo se nije obrađivalo lijevanjem ili taljenjem, nego su ljudi radili vrhove koplja i strijela primitivnim obradama (kako su obrađivali i kamen).

Spužvasto željezo
Spužvasto željezo

Prvi dokazi koji upućuju na obradu željeza pojavili su se negdje između 3. i 2. tisućljeća pr. Kr.

Pronalasci na području Mezopotamije, Anatolije i Egipta govore nam o prvim obradama željeza, koje izdvajamo iz Zemljine kore. Ovo prirodno željezo razlikujemo od meteornog željeza jer ono u sebi ne sadrži nikal. Vjerujemo da su ove količine željeza ostale nakon proizvodnje bronce.

Značajnije smo željezo počeli koristiti negdje između 16. i 12. stoljeća p.n.e. Bronca se u tom periodu i dalje koristila, ali od 1.200 godina prije Krista, doživljvamo prelazak iz brončanog doba u željezno doba. Povjesničari smatraju da ovaj prelazak nije potaknut premoći jednog metala nad drugim, nego nedostatak kositra, koji je neophodan za dobivanje bronce.

Prvo željezo smo dobili, najvjerojatnije, iz rude hematita (Fe2O3), oko 1.500. p.n.e. Prve oblike obraženog željeza danas nazivamo “spužvasto željezo”, koje se proizvodilo primitivnim tehnologijma. Naime, u to vrijeme nije bilo moguće dobiti lijevano željezo, nego spužvasto željezo, koje smo kovanjem dalje obrađivali.

Zanimljivo za spomenuti

Da bi dobili 1 tonu sirovog željeza potrebno je obraditi 1,65 tona rude, i ostalih elemenata koji pomažu u postupku izdvajanja željeza. Prilikom tog procesa potrošimo 0,5 tone koksa, 1,5 – 2,5 tona vrućeg zraka i 10 m3 vode za hlađenje. Kada smo dobili 1 tonu sirovog željeza, nusprodukti koji su nastali u tom procesu su: 0,3 tona troske, 3 – 3,5 tona grotlenih plinova i prašine.

Eiffelov toranj u Parizu - izgradnja
Izgradnja Eiffelovog tornja

Eiffelov toranj sagrađen je 1889. godine, a i danas je najpoznatija čelična konstrukcija u svijetu. Otvoren je i službeno predstavljen povodom svjetske izložbe u Parizu, a za njegovu izgradnju je zaslužan Aleksandar Gustav Eiffel (1832.-1923.), koji je poznat po gradnji i projektiranju čeličnih mostova. Ovaj projekt (Eiffelov toranj) je ipak najznačajniji za njegovu karijeru i ostavštinu. Eiffelov toranj se uzdiže na čak 300 metara, na 4 velika nosača koji su spojeni rešetkastom konstrukcijom. Toranj je težak 9.700 tona. Na vrhu tornja se nalazi meteorološka postaja, te antene za lokalne radio i TV postaje.