Сегодня мы поговорим о химическом элементе, который имеет 26 протонов в ядре. Это железо (Fe). В природе встречается 4 стабильных изотопа этого металла и несколько десятков нестабильных. Сегодня я не буду говорить, что «Вы можете этого не знать, но сегодня Вы обязательно прикасались к железу», потому что Вы об этом прекрасно знаете. Железо буквально окружает нас всех непрерывно с утра до вечера. Но откуда взялось все это железо? Возможно, Вы уже знаете ответ на этот вопрос. Но всё же давайте немного освежим эту информацию в памяти. Конечно же, железо, как и почти все остальные химические элементы, является продуктом термоядерного синтеза, который происходит в недрах звёзд. Однако в этом отношении железо – элемент особенный. Почему? Сейчас мы это узнаем. (Да простят меня астрофизики, это будет очень упрощённое изложение происходящих процессов). Итак, начнём...

Пепел ядерной печи

Синтез гелия из атомов водорода является самым распространённым источником энергии звёзд. Но однажды наступает момент, когда водород в звезде иссякает. Тогда звезда для того, чтобы продолжать сиять в нашем ночном небе, начинает «сжигать» то, чего у неё накопилось от первой реакции – гелий. Затем, когда заканчивается гелий, начинает «гореть» то, что получилось после этого. И так далее. В итоге наступает момент, когда «горение» того элемента, который получился в результате серии последовательных термоядерных процессов уже не даёт энергии больше, чем тратится для его «сжигания». Реакция синтеза становится энергетически невыгодной.

Таким элементом является железо. Это конец пути. Ну а дальше вы знаете. Сверхновая, бабах, протопланетное облако и т.д.


Но особенным железо является не только из-за своего статуса «последнего пепла» термоядерной печи. Но и из-за огромного количества этого металла на нашей планете.

Да и во Вселенной в целом железа просто невообразимое количество. Оценки, сделанные с помощью спектроскопии показывают, что железо является шестым по массе элементом в Галактике. Больше него распространены лишь водород, гелий, кислород, углерод и неон.

Конечно же, количество железа ничтожно по сравнению с количеством водорода. Однако эта картина сильно меняется, если обратить в этом отношении внимание на нашу родную планету.

Железная планета

Дело в том, что железо очень тяжёлое. Есть, конечно, и другие, еще более тяжёлые элементы, но железо в этом плане особенное. Потому что оно сочетает в себе высокую плотность с высокой распространённостью. А это означает, что при образовании планет из планетезималей за большую часть массы небольших планет «отвечает» именно железо. Почему? Всё просто. У крупных планет, таких как Юпитер, масса настолько велика, что гравитация способна удерживать огромное количество лёгких элементов. А маленькие планеты, такие как Земля, к этому не способны. И поэтому бОльшую часть массы таких космических тел составляет самый тяжёлый, доступный в огромных количествах элемент: железо.

Вот почему этот химический элемент является самым распространённым по массе элементом на Земле. Наша планета почти на треть состоит из железа. Однако распределение этого металла неравномерно. В основном он находится в ядре Земли, вместе с металлом, о котором мы говорили в одной из наших недавних статей. Это никель.

Если включить фантазию, то можно представить себе, что наша планета в определённом смысле представляет собой очень плотный шар, состоящий из железоникелевой «смеси», к которой под действием гравитации «прилип» какой-то мусор в виде человечества.

В земной коре железо занимает почётное четвёртое место по распространённости. После кислорода, кремния и алюминия.

Как и многие другие переходные металлы, находящиеся в «средней зоне» таблицы Менделеева, железо имеет несколько возможных состояний окисления. То есть может становиться стабильным, приобретая или теряя разное количество электронов.

Самыми распространёнными являются степени окисления +2 и +3. Это означает, что железо достигает стабильности, избавляясь от двух или трех электронов. Если, конечно, возле него есть атомы, готовые принять эти электроны.

Гематит и магнетит

В земной коре практически всё железо существует в связке с кислородом в форме оксидов железа. Двумя наиболее распространёнными являются оксид железа (II), FeO, и оксид железа (III), Fe₂O₃. Этих оксидов достаточно много содержится в самой обыкновенной почве.

Двумя наиболее распространёнными породами, в которых обнаруживаются эти оксиды, а, следовательно, и железо в земной коре, являются гематит и магнетит. Гематит представляет собой кристаллизованный Fe2O3. И хотя он может иметь разные цвета, самыми распространёнными являются красноватые тона. Отсюда происходит и его название, корень которого происходит от греческого слова «кровь». Гематоген помните? Эти названия имеют общее происхождение.

Гематит – это очень распространённая порода. И там, где имеется высокая концентрация гематита, её добывают в промышленных масштабах для получения из неё железа.

Магнетит также хорошо известен. Обычно он представляет собой комбинацию двух оксидов: FeO и Fe₂O₃. Иногда его обозначают как Fe₃O₄. Магнетит для добычи из него железа гораздо менее эффектен, чем гематит. И наверняка люди бы даже не обратили на него особого внимания, если бы не одно но: это самое магнитное вещество на Земле! Настолько, что само название «магнетизм» происходит от него. А сам магнетит назван так потому, что его свойства были впервые обнаружены в Магниссии, Греция (кстати, этот регион дал название магнию. И не только).

В общем железа на нашей планете много. И проблем его найти нет. Проблема состоит в том, что этот металл почти не встречается в чистом виде.

Реакционная способность железа с кислородом настолько велика, что этот металл почти всегда обнаруживают в сочетании с последним. Что не позволяло людям древности полноценно пользоваться весьма полезными свойствами железа.


Железо с небес

Однако на Земле очень редко можно найти и неокислённое железо. Это осколки астероидов М-типа. Которые состоят из железа и никеля.

Как и в случае с другими типами небесных странников, время от времени один из таких астероидов пересекает путь Земли. И они достаточно крупные, чтобы даже небольшая часть могла достичь поверхности Земли.

Некоторые египетские и шумерские наконечники копий, датируемые примерно 4000 годом до нашей эры, имеют метеоритное происхождение. Хотя в то время бОльшая часть оружия, щитов и доспехов была сделана из бронзы. Воин, который использовал оружие, сделанное из метеоритного железа, наверняка имел серьёзное преимущество перед своим врагом, который дрался оружием, изготовленным из медного сплава. Метеоритный материал должен был казаться как минимум волшебным. А оружие, изготовленное из него – даром богов. Считается, что метеоритный железо-никель был в те далёкие времена значительно дороже золота.

Как и многие другие технологические достижения, открытие способов получения железа из горных пород было событием неизбежным. И, конечно же, в итоге это произошло в разных местах и ​​в разные времена.

В конце концов, люди уже делали нечто подобное с оловом и медью несколько тысячелетий до этого. Хотя это было сделать гораздо проще из-за температуры плавления и реакционной способности обоих металлов. Олово плавится при температуре около 250°С, медь - при 1100°С, а железо - при температуре около 1400°С.

Кроме того, необходимая технология предполагает не только температуру: да, чем горячее, тем легче плавить, но чем выше температура, тем легче происходит реакция с кислородом воздуха. И, следовательно, образование оксидов железа. А это был процесс крайне нежелательный.


Кто научился добывать железо?

Первые люди, которые научились извлекать железо в чистом виде из породы жили на Ближнем Востоке примерно в 2000 году до нашей эры. Эта технология дала им необычайное преимущество перед другими людьми. Это можно сравнить с изобретением огнестрельного оружия в мире, где использовались стрелы. Или ядерной бомбы в мире, где использовались гранаты. Солдат, вооружённый оружием и доспехами из бронзы, как уже отмечалось выше, ни шёл ни в какое сравнение со своим соперником, экипированным оружием, сделанным из железа. Или, скорее, даже из стали. (О ней мы поговорим чуть позже).

Хочу подчеркнуть некоторые особенности железа: оно не такое твёрдое и стойкое, как другие металлы. И уж точно не очень хорошо противостоит коррозии и окислению. Нет, это не самый тяжёлый, не самый красивый и не самый твёрдый металл. Однако металлов, превосходящих железо в этих отношениях, гораздо меньше. Такой баланс делает железо королём среди металлов: без других металлов мы, вероятно, построили бы нынешнюю технологическую цивилизацию. Мы могли бы достичь того, что имеем, без золота, серебра, титана и алюминия. Но не без железа. Мы — цивилизация, буквально построенная на железе.

Однако никто в здравом уме не станет использовать железо в чистом виде для создания оружия или сапёрных лопат. Поскольку в отличие от многих других металлов, например алюминия, чистое железо не образует на своей поверхности тонкий слой оксида, защищающий от дальнейшего окисления. Железо очень быстро ржавеет, и его оксиды занимают гораздо больший объем, чем чистое железо. Поэтому окислённая часть как бы «разбухает» на микроскопическом уровне, становится гораздо менее плотной и, в конечном итоге, разрушается и отделяется от остального металла.

Как следствие, внутренняя часть подвергается воздействию погодных условий и, в свою очередь, снова окисляется. Этот процесс происходит непрерывно и постепенно, пока не окислится вся деталь какого-нибудь механизма, или какое-нибудь другое изделие, сделанное из железа.


Сталь

Кроме того, чистое железо — такой же мягкий металл, как и алюминий. Однако достаточно добавить в него очень небольшие количества некоторых примесей, особенно углерода, чтобы эта ситуация радикально изменилось. Всего лишь десять частей на миллион концентрация углерода удваивает твёрдость железа. А при содержании углерода в 1-2% можно достичь стойкости, которая чистому железу и не снилась! И в этом случае мы говорим о сплаве, который может иметь самые разные типы. Его имя – сталь.

Если говорить очень упрощённо, сталь обладает своими уникальными свойствами по той причине, что атомы углерода, «залитые» в структуру железа, действуют как «якоря», которые предотвращают свободное перемещение «неоднородностей» в металлической структуре, а также лёгкое разделение металла на куски.

Конечно, если примесей слишком много, это тоже не очень хорошо. Поскольку «якорей» становится так много, а материала для закрепления так мало, что сталь становиться очень хрупкой. Поэтому при добавлении в железо углерода необходимо соблюдать баланс.

Добавляя в сталь другие металлы (и даже неметаллы, например, кремний), можно добиться еще большей прочности и лёгких, но чрезвычайно полезных версий стали. Но, в конце концов, всё это, по сути, железо и его помощники.

95% металла, который используют люди, — это железо, легированное углеродом и другими химическими элементами, то есть сталь. Без этого сплава не было бы ни промышленности, ни самолётов, ни автомобилей, ни их двигателей, ни больших зданий и практически ничего, что характеризует наше индустриальное общество. Наш вид не нашёл лучшего союзника для осуществления технологического прогресса.


Гемоглобин

Но железо необходимо не только для поддержания функционирования нашей цивилизации. Без этого металла мы просто не могли бы жить. Поскольку он играет фундаментальную роль в биохимии человеческого организма.

Существует множество белков, содержащих атомы железа. И без сомнения самым известным из них является гемоглобин. Этот белок, присутствующий в красных кровяных тельцах почти всех позвоночных, отвечает за улавливание кислорода в лёгких и последующую доставку его кровью к клеткам, чтобы они могли осуществлять клеточное дыхание. Гемоглобин также способен транспортировать молекулы других газов, таких как углекислый газ или окись азота.

«Захват» и «высвобождение» молекул O₂, NO или CO₂ происходит, среди прочего, благодаря атому железа, присутствующему в гемоглобине, который может вступать в окислительно-восстановительные реакции, отбирать или отдавать электроны и оставаться «застрявшим» в молекуле, которую необходимо транспортировать.

Если Вы сейчас дышите, то только благодаря железу. Ежедневно организм человека использует около 20 миллиграммов этого элемента только для создания эритроцитов. Хотя справедливости ради нужно отметить, что часть железа «перерабатывается» из погибших эритроцитов. Поэтому вовсе не обязательно потреблять столько железа каждый день.

Но гемоглобин – это ещё не всё. В организме взрослого человека, имеющего хорошее здоровье, при полноценном питании содержится около 4-5 граммов железа. Половина из которого находится в гемоглобине. Клетки используют металл и во многих других белках, ответственных за множество химических реакций, без которых они не могли бы жить. Опять же из-за универсальности железа с точки зрения окисления и восстановления.

Дефицит железа в организме человека приводит к анемии. Это заболевание приводит к недостатку гемоглобина, и, как следствие, к дефициту кислорода в крови.

Но, с другой стороны, как это часто бывает, умеренность с железом тоже хороша. Поскольку избыток этого элемента в организме может привести к отравлению.

Будьте осторожны с железом!

Ирония здесь состоит в том, что опасность связана именно с окислительной универсальностью железа. Если мы потребляем железо, которое организм будет использовать в составе белков, проблем нет. Но если в крови слишком много «неиспользованного» железа, то есть ионов Fe2+ или Fe3+, они могут проникнуть в клетку и вступить там в реакцию с различными соединениями, образующими свободные радикалы. Что может вызвать генетические и другие повреждения.

В нашем организме есть группа белков, называемых трансферринами, которые отвечают за то, чтобы решать эту проблему. Они «улавливают» излишки свободного железа в крови. Но если железа много, они могут не справиться.

Конечно же, отравиться железом очень сложно. Даже если ежедневно грызть армейский лом.

Большинство отравлений происходит, когда кто-то употребляет железосодержащие добавки, предназначенные для пациентов с дефицитом металлов, в то время как у употребившего человека дефицита железа нет. Особенно часто это происходит, когда ребёнок по недосмотру съедает добавки, которые ему не нужны. Токсичность таких добавок зависит от количества железа на килограмм массы тела.

Железо. Идеально сбалансированное. Хорошо распространённое. Жизненно необходимое.

Разве не стоит оно отдельной благодарности от человечества?Источник: "Живой космос"