Dzelzs ķīmisko elementu periodiskajā tabulā tiek apzīmēta ar simbolu Fe un atrodas 4. perioda 8. grupā (pārejas metāli). Dzelzs relatīvā atommasa ir 55,845, un tās atoms sastāv no 26 protoniem, 30 neitroniem un 26 elektroniem (elektronu konfigurācija [Ar]3d64s2). Dzelzs ir spīdīgs metāls pelēkā krāsā, kas rūsē mitrā gaisa ietekmē. Mūsdienās dzelzs ir visplašāk izmantotais metāls – 95 % no visu metālu ražošanas apjoma ir saistīts ar dzelzi. Dzelzs ir arī svarīgs mikroelements cilvēka organismā. Vidējais dzelzs daudzums tajā ir aptuveni 4,5 grami, no kuriem aptuveni 65 % ir hemoglobīna formā. Tas ir sarkano asinsķermenīšu proteīns, kas transportē skābekli no plaušām uz visām ķermeņa daļām.
Saistītie šķirkļi
Dzelzs.
Satura rādītājs
Īsa vēsture
Ēģiptē dzelzs priekšmeti ir atrasti jau aptuveni 3500 gadus pirms mūsu ēras. Tie satur aptuveni 7,5 % niķeļa, kas liecina, ka priekšmeti nāk no meteorītiem. Daži meteorīti ir ļoti bagāti ar dzelzi. Ēģiptieši tolaik no dzelzs izgatavoja instrumentus un rotaslietas. Senie Mazāzijas heti (mūsdienās Turcija) bija pirmie, kuri no savām rūdām izkausēja dzelzi ap 1500. gadu pirms mūsu ēras, un šis jaunais, izturīgais metāls sniedza viņiem jaunas ekonomiska un politiska rakstura iespējas. Bija sācies dzelzs laikmets. Līdz romiešu civilizācijas laikam dzelzs bija kļuvusi par būtisku metālu. Arī agrīnās Ķīnas civilizācijas pazina dzelzi. Metāla ieguvēji iemācījās to ražot jau 200. gadā pirms mūsu ēras. Vairāki dzelzs priekšmeti, tostarp lielgabali, ir saglabājušies no Haņu dinastijas (202. gads pirms mūsu ēras–221. gads pēc mūsu ēras). Dzelzi pazina arī citas agrīnās Āzijas civilizācijas. Piemēram, Deli (Indija) joprojām stāv stabs, izgatavots no dzelzs, kas celts 415. gadā pēc mūsu ēras. Tas sver 6,5 tonnas un ir saglabājies pēc aptuveni 1600 gadiem.
Tikai 1786. gadā zinātnieki uzzināja, kāds tērauda sastāvā esošais elements ir to padarījis par izturīgāku metālu nekā dzelzs. Trīs franču zinātnieki – Klods Luijs Bertolē (Claude Louis Berthollet), Gaspārs Monžs (Gaspard Monge) un Aleksandrs Teofils Vandermons (Alexandre-Théophile Vandermonde) – atklāja, ka neliels oglekļa daudzums, kas sajaukts ar dzelzi, veido izturīgu sakausējumu – tēraudu.
Pirmā persona, kura aprakstīja vairākas dzelzs formas, bija Renē Antuāns Feršo de Reomīrs (René Antoine Ferchault de Réaumur) 1722. gadā. Savā grāmatā viņš paskaidroja, kā tērauds, kalts dzelzs un čuguns ir jāatšķir pēc pievienotā ogles daudzuma. Industriālā revolūcija lielā mērā balstījās uz šī metāla izmantošanas procesiem.
Atrašanās dabā
Dzelzs ir ceturtais visbiežākais Zemes garozā sastopamais elements pēc masas, veidojot 5 % no Zemes garozas. Lielākā daļa zinātnieku uzskata, ka Zemes kodols galvenokārt sastāv no dzelzs. Dzelzs ir atrodama arī Saulē, asteroīdos un zvaigznēs ārpus Saules sistēmas. Visizplatītākās dzelzs rūdas ir hematīts jeb dzelzs oksīds (Fe2O3), limonīts jeb dzelzs oksīds (Fe2O3), magnetīts jeb dzelzs oksīds (Fe3O4) un siderīts jeb dzelzs karbonāts (FeCO3). Aizvien svarīgāks dzelzs avots ir takonīts. Takonīts ir hematīta un silīcija dioksīda (smiltis) maisījums. Tas satur apmēram 25 % dzelzs. Komerciāli dzelzi ražo domnā, karsējot hematītu vai magnetītu ar koksu (ogli) un kaļķakmeni. Veidojas čuguns, kas satur aptuveni 3 % oglekļa un citus piemaisījumus un kas tiek izmantots tērauda ražošanai. Lielākie dzelzs resursi pasaulē ir Ķīnā, Krievijā, Brazīlijā, Kanādā, Austrālijā un Indijā. Pasaulē lielākie dzelzs ražotāji no rūdas ir Ķīna, Japāna, Amerikas Savienotās Valstis (ASV), Krievija, Vācija un Brazīlija.
Izotopi
Dzelzij dabā sastopami četri stabili izotopi: dzelzs-54 (5,84 %), dzelzs-56 (91,75 %), dzelzs-57 (2,12 %) un dzelzs-58 (0,29 %). Ir zināmi arī vairāk nekā 20 radioizotopi, no kuriem stabilākie ir dzelzs-60 ar pussabrukšanas periodu 2,6 miljoni gadi un dzelzs-55 ar pussabrukšanas periodu 2,7 gadi. Pārējo izotopu pussabrukšanas periodi ir īsāki par vienu dienu. Divus radioaktīvos dzelzs izotopus (dzelzs-55 un dzelzs-59) izmanto medicīniskajos un zinātniskajos pētījumos. Šos izotopus galvenokārt izmanto kā marķierus, pētot asinis. Šos pētījumus izmanto, lai noteiktu, vai cilvēka asinis ir veselas.
Fizikālās īpašības
Dzelzs ir spīdīgs sudrabaini balts metāls ar pelēku nokrāsu. Tas ir elastīgs un kaļams. Tas ir viens no trim dabā sastopamiem magnētiskiem elementiem (pārējie – niķelis un kobalts). Dzelzij ir ļoti augsta stiepes izturība. Dzelzs ir viegli apstrādājams metāls. Dzelzij ir augsta viršanas temperatūra (2861 ºC) un augsta kušanas temperatūra (1538 ºC). Dzelzs blīvums ir 7,87 g/cm3 (dati no “CRC Ķīmijas un fizikas rokasgrāmatas, 86. izdevuma” (CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th Edition) Deivida Lida (David R. Lide) redakcijā). Dzelzs atoma kovalentais rādiuss ir 124 pm, savukārt tās elektronegativitātes vērtība ir 1,83.
Dzelzs rūda. 2020. gads.
Ķīmiskās īpašības
Svarīgākās dzelzs oksidēšanās pakāpes ir +2 un +3, bet ir zināmi dzelzs savienojumi ar oksidēšanās pakāpēm +4 un +6. Dzelzs ir ļoti reaģētspējīgs metāls. Tā viegli reaģē ar skābekli mitrā gaisā, veidojot dzelzs oksīdu (Fe2O3). Dzelzs reaģē arī ar ļoti karstu ūdeni un tvaiku. Dzelzs arī izšķīst lielākajā daļā skābju un reaģē ar daudziem citiem elementiem. Ir zināmi trīs dzelzs un skābekļa savienojumi: FeO, Fe2O3 un Fe3O4. Ļoti smalki sadalītā stāvoklī metāliskā dzelzs ir pirofors (tas ir, tā spontāni aizdegas). Dzelzs strauji reaģē ar hloru, kā arī ar citiem nemetāliem, ieskaitot visus halogēnus, sēru, fosforu, boru, oglekli un silīciju. Metāliskais dzelzs viegli izšķīst atšķaidītās minerālskābēs. Dzelzs reaģē ar karstu koncentrētu nātrija hidroksīdu.
Izmantošana
Dzelzs ir visvairāk patērētais metāls pasaulē. Ap 95 % no visiem pasaulē saražotiem metāliem ir saistīti ar dzelzi. Augsts dzelzs pieprasījums ir, pateicoties tās zemo izmaksu un augstās izturības kombinācijai. Dzelzs pielietojums ir ļoti plašs – no pārtikas tvertnēm līdz ģimenes automašīnām, no skrūvgriežiem līdz veļasmašīnām, no kravas kuģiem līdz papīra skavām. Tērauds ir vispazīstamākais dzelzs sakausējums. Lielākā daļa no metāla tiek izmantota tieši tērauda ražošanai, ko izmanto inženierbūvē (dzelzsbetons, sijas utt.) un ražošanā. Parastais oglekļa tērauds ir dzelzs sakausējums ar oglekli un ar nelielu daudzumu citu elementu. Leģētie tēraudi ir oglekļa tēraudi ar citu metālu piedevām, piemēram, niķeli, hromu, vanādiju, volframu un mangānu. Tie ir stiprāki un izturīgāki par oglekļa tēraudiem, un tos pielieto tiltos, elektrības balstos, šauteņu stobros, velosipēdu ķēdēs, griezējinstrumentos. Nerūsējošais tērauds ir ļoti izturīgs pret koroziju. Tas satur vismaz 10,5 % hroma. Lai uzlabotu tā izturību un apstrādājamību, tiek pievienoti citi metāli, piemēram, niķelis, molibdēns, titāns un varš. To izmanto arhitektūrā, gultņos, galda piederumos, ķirurģijas instrumentos un juvelierizstrādājumos. Aktivēto dzelzi izmanto kā katalizatoru dažādās ķīmiskās rūpniecības nozarēs. Magnetīts (dzelzs oksīds) tiek izmantots kā katalizators Hābera-Boša procesā (Haber-Bosch process). Dzelzs paātrina reakciju starp ūdeņradi un slāpekli, veidojot amonjaku, kas ir izplatīts liela mēroga rūpniecisks process. Turklāt magnetītu izmanto gāzes pārvēršanas šķidrumā (Gas-to-Liquid (GTL) process), kas dabasgāzi pārvērš sintētiskā degvielā.
Multivide
Dzelzs.
Dzelzs rūda. 2020. gads.