eležis yra ketvirtasis pagal paplitimą Žemės plutos elementas – Žemės plutoje jos yra 4,7% masės. Gryna geležis sutinkama labai retai. Kai kurie meteoritai sudaryti iš geležies. Grynos geležies aptikta Mėnulio grunte. Manoma, kad daugiausiai geležies (kartu su nikeliu) yra Žemės branduolyje. Svarbiausios geležies rūdos – magnetitas Fe3O4, hematitas – Fe2O3, sideritas – FeCO3, limonitas – HFeO2 · nH2O, getitas – FeOOH. Rūda, turinti daugiau kaip 50% geležies, vadinama sodria, 50-25% – vidutine, mažiau kaip 25% – skurdžia rūda. Vidutinė ir skurdi rūda sodrinama prieš dedant ją į aukštakrosnę ketui gauti. Didžiausi geležies rūdų telkiniai yra Australijoje, Brazilijoje, JAV, Indijoje, Kanadoje, Rusijoje. Lietuvoje rasta magnetito intarpų netoli Marcinkonių. Pelkėse ir upių, tekančių pelkėtomis vietomis, šlaituose rasta limonito. Nedideliais kiekiais randama ir kitų geležies rūdų.
GELEŽIES GAVIMAS
Pirmiausia žmogus savo reikmėms panaudojo meteoritinę geležį. Tik II tūkstantmetyje pr.Kr. jis išmoko geležį gauti iš rūdų. Senovėje geležis buvo lydoma iš limonito. Geležis ir jos dirbiniai įvairiose pasaulio šalyse pradėti naudoti ir gaminti įvairiu laiku: Mažojoje Azijoje, Egipte, Mesopotamijoje, Užkaukazėje, Indijoje – XII – IX a.pr.Kr., Viduržemio jūros pakrantėse – XII – X a.pr.Kr., Europoje – VIII – II a.pr.Kr. Lietuvoje geležies amžiaus pradžia laikomas V a.pr.Kr. Vietinė geležis pradėta gaminti maždaug I a., o iki to laiko geležinių dirbinių turėta nedaug. Kaip ir anksčiau, įrankiai buvo daromi iš akmens, žalvario, medžio, kaulo, rago. Tuo laikotarpiu jau atsirado piliakalnių. Juose rasta židinių, krosnelių metalams lydyti, gynybinių įrengimų. Iki XIV a. geležis iš rūdos buvo redukuojama medžio anglimi žaizdre, į kurį buvo pučiamas oras dumplėmis, kai kur naudojo medinius stūmoklinius siurblius. Vėliau atsirado šachtinės krosnys, o nuo XVI a. – aukštakrosnės.
Lietuvoje geležis buvo lydoma iki XIX a. Liejyklos XV a. veikė Rūdininkų girioje, vėliau – Kražiuose, Linkmenų, Raseinių, Ukmergės apylinkėse. Ilgainiui darbo įrankių reikėjo vis daugiau, todėl teko tobulinti ir plėsti geležies gamybą. Iš geležies rūdų pirmiausia gaminamas ketus, o iš jo lydomas plienas.Ketus gaunamas aukštakrosnėse. Jos būna įvairių dydžių. Aukštakrosnėse iš vidaus išklota kaitrai atspari medžiaga, iš viršaus apdengta plieniniais lakštais. Be pertraukos veikia apie 5-10 metų. Ji veikia priešpriešinės srovės principu. Kietos medžiagos – įkrova juda iš viršaus žemyn, o dujų – iš apačios į viršų. Degimui reikalingas pakaitintas iki 800-1200 oC oras teikiamas pūstuvais. Pastaruoju metu vartojamas deguonimi įsodrintas oras arba deguonis. Degant koksui susidaro CO2, kuris kildamas aukštyn reaguoja su įkaitinta anglimi:CO2 + C è 2CO
Karštas dujų mišinys teka pro įkrovą ir ją įkaitina. Iš įkrovos išgaruoja drėgmė, redukuojama geležis ir kiti elementai, išsilydo metalas, susidaro šlakas. Geležis redukuojama anglimi, anglies(II) oksidu ir vandeniliu: >570 oC Fe2O3 è Fe3O4 è FeO è Fe arba <570 oC Fe2O3 è Fe3O4 è Fe
Suminė lygtis:
Fe2O3 + 3CO è 2Fe + 3CO
Redukcija vyksta viršutinėje aukštakrosnės dalyje. Redukuotoje geležyje ištirpsta 3,5-4% anglies, šiek tiek Si, Mn, P. Toks lydinys yra ketus. Jis nuteka į aukštakrosnės žaizdrą. Iš fliusų, susilydžiusių su kuro pelenais. Neredukuota bergždžiąja uoliena ir oksidacijos produktais, susidaro šlakas, kuris susirenka žaizdre ant metalo. Pro atskirus latakus periodiškai išleidžiamas ketus ir šlakas. Aukštakrosnėje gaunami tokie produktai: perdirbamasis, liejamasis ketus, ferolydiniai, aukštakrosnės dujos ir šlakas. Tonai ketaus gauti sunaudojama apie 2t rūdos, 0,65 t kokso, 3t oro. Be ketaus dar gaunama apie 0,5t šlako ir 3t aukštakrosnės dujų.
Europoje aukštakrosnės pradėtos statyti XIV a. viduryje. Išlydytas ketus gryninamas Marteno, Besemerio aparatuose konverteriniu būdu arba elektrinėse krosnyse. Didžioji priemaišų dalis sudega – susidaro lakūs produktai, kurie patenka į atmosferą. Gautame pliene anglies lieka apie 1% Gryna geležis gaunama geležies oksidus redukuojant vandeniliu, elektrolizuojant druskų tirpalus, termiškai skaidant kai kuriuos geležies junginiu, pvz., geležies ………… Iš aukštakrosnėje ar konverteryje gauto šlako daroma skalda keliamas, šlako vata, pemza, jo dedama į cementą, jis naudojamas kaip betonų užpildas.CHEMINĖS SAVYBĖS
Geležis yra vidutinio aktyvumo metalas. Junginiuose jai būdingi oksidacijos laipsniai +2 ir +3. Drėgname ore rūdija. Kaitinama reaguoja beveik su visais nemetalais:
3Fe + 2O2 è Fe3O4 + Q
Fe + S è FeS + Q
2Fe + 3Cl2 è 2FeCl3 + Q
Reaguojant geležiai su nelabai aktyviais nemetalais – C, Si, N, P – gali susidaryti junginiai, kietieji tirpalai arba sistemos, panašios į metališkuosius junginius. Geležis lengvai tirpsta stipriose praskiestose rūgštyse ir išstumia vandenilį:
Fe + 2H3O+ + 2Cl- è Fe2+ + 2Cl- + H2 + 2H2OFe + 2H3O+ è Fe2+ + H2 + 2H2O
Koncentruotose azoto ir sieros rūgštyse ji netirpsta, nes pasyvuojasi; reaguoja tik pakaitinus: t2Fe + 6H2SO4 è Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2OFe + 6HNO3 è Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Reaguojant praskiestai azoto rūgščiai su geležimi susidaro įvairių produktų.Įkaitinta geležis reaguoja su vandens garais: <570 oC3Fe + 4H2O è Fe3O4 + H2 >570 oCFe + H2O è FeO + H2
Geležis išstumia iš druskų tirpalų, esančius metalų įtampų eilėje į dešinę nuo jos:
Fe + CuSO4 è Cu FeSO4
Fe + Cu2+ è Cu + Fe2+
GELEŽIES OKSIDAI IR HIDROKSIDAI. JŲ SAVYBĖS
Geležis sudaro tokius oksidus: FeO, Fe2O3 ir mišrųjį Fe3O4. Jei gaunami oksiduojant geležį arba skaidant karbonatus, hidroksidus, nitratus, sulfatus:
400 oC3FeCO3 è Fe3O4 + 2CO2 + CO >480 oC2FeSO4 è Fe2O3 + SO2 + SO3 >500 oCFe2(SO4)3 è Fe2O3 + 3SO3 >500 oC2Fe(OH)3 è Fe2O3 + 3H2OFeO galima gauti redukuojant Fe2O3 arba Fe3O4 anglies(II) oksidu ar vandeniliu: >500 oCFe2O3 + CO è 2FeO + CO2tFe2O3 + H2 è 2FeO + H2O>500 oCFe3O4 + CO è 3FeO + CO2
FeO yra bazinis oksidas, tirpstantis tik rūgštyse:
FeO + 2HCl è FeCl2 + H2O Juodi šviesiai Milteliai žalsvas Vandeniniuose tirpaluose egzistuoja šviesiai žalsvas [Fe(H2O)6]2+ jonas, todėl FeO sąveikos su HCl lygtį teisingiau rašyti taip:
FeO + 2H3O+ + 3H2O è [Fe(H2O)6]2+
Fe2O3 – amfoterinių savybių turintis oksidas (vyrauja bazinės savybės). Tai raudoni, vandenyje netirpstantys milteliai. Lydomas su šarmais, šarminių metalų karbonatais ar baziniai oksidais sudaro feritus arba dioksoferatus(III):tFe2O3 + 2NaOH è 2NaFeO2 + H2OtFe2O3 + Na2CO3 è 2NaFeO2 + CO2
Per šias reakcijas išryškėja rūgštinės Fe2O3 savybės. Reaguodamas su HCL šis oksidas elgiasi kaip bazė:
Fe2O3 + 6HCl è 2FeCl3 + 3H2O
Tirpale susidaro šviesiai violetinis kompleksinis jonas [Fe(H2O)6]3+
Fe2O3 + 6H3O+ + 3H2O è 2[Fe(H2O)6]3+
Fe(OH)2 – balta, vandenyje netirpstanti, bazinių savybių turinti medžiaga. Reaguoja su rūgštimis:Fe(OH)2 + 2H3O+ + 2H2O è [Fe(H2O)6]2+
Ore greitai oksiduojasi:4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O è 4Fe(OH)3
Fe(OH)3 – raudonai ruda, vandenyje netirpstanti kristalinė medžiaga. Amfoterinis junginys, kuriame vyrauja bazinės savybės (rūgštinės savybės labai silpnos):Fe(OH)3 + 3HCl è FeCl3 + 3H2O arba
Fe(OH)3 + 3H3O+ è [Fe(H2O)6]3+ šviesiai violetinis
Iš rūgščių tirpalų kristalizuojasi kristalhidratas FeCl3 · 6H2O. Neutraliuose tirpaluose Fe(III) druskos smarkiai hidrolizuojasi ir įgyja geltonai rudą atspalvį: H+
[Fe(H2O)6]3+ + H2O è [Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+
[Fe(H2O)5OH]2+ + H2O è [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H3O+
[Fe(H2O)4(OH)2]+ + H2O è [Fe(H2O)3(OH)3] + H3O+ Tirpalą pašildžius susidaro koloidinės dalelės, kurios sukimba į stambesnius sambūrius ir iškrinta rudai raudonos spalvos drebučių pavidalo nuosėdos CO3 · nH2O. Fe(OH)3 lydant su šarmais gaunami feritai:
Fe(OH)3 + NaOH è NaFeO2 + 2H2O
Fe(OH)3 tirpsta koncentruotuose šarmų tirpaluose:
Fe(OH)3 + KOH è K[Fe(OH)4] kalio tetrahidroksoferatas(III)
Geležies(III) junginiai daug stabilesni už geležies(II) junginius.
ISTORINĖ APŽVALGA
Labiausiai įtikima, kad pirmą kartą žmogus susipažino su meteoritų geležimi. Senovės egiptiečiai geležį vadino tokiu vardu, kuris reiškė „dangiškos prigimties”. Meteoritų geležį žinojo ir Mesopotamijos* civilizacijos III tūkstantmetyje pr. Kr. ir vadino ją „ugnimi iš dangaus”. Aiškią naktį „krintančios žvaigždės” palieka ryškų švytintį pėdsaką dangaus skliaute, tačiau tai ne žvaigždės, o krintančių akmeninių ar geležinių meteoritų gabalai. Geležiniai meteoritai sudaro apie 5,7% visų krintančių meteoritų. Kadangi meteoritinės geležies buvo randama retai ir mažai, iš jos buvo daromi papuošalai. Nedidelius jos gabalėlius įteikdavo karo, bei sporto varžybų nugalėtojams. Homero „Odisėjoje” pasakojama, kad žaidynių nugalėtojui buvo įteiktas gabalėlis aukso ir gabalėlis geležies. II tūkstantmetyje pr. Kr. Babilonijoje geležis buvo 8 kartus brangesnė už sidabrą. Geležis buvo naudojama kaip pinigai. Romos valstybės veikėjas, karvedys ir rašytojas Julijus Cezaris (Caesar; 102 ar 100-44 m. pr. Kr.) „Galų karo užrašuose” mini britų naudojamus pinigus – varines ir auksines monetas bei tam tikro svorio geležines lazdeles. Tokie pinigai buvo paplitę ir Spartoje. Geležies amžius atėjo tuomet, kai žmogus išmoko išgauti geležį iš „akmens”, kuriame ji „slepiasi”. Statydamas būstą žmogus pastebėjo, kad veikiami karščio ir anglių akmenys kinta, iš jų gauta medžiaga tinka peiliams, kirviams, ginklams gaminti.
Italų archeologai Kafue upės krantuose aptiko geležies lydymo krosnies ir šlako liekanų bei meteoritinės prigimties kirvį. Radiniai gali būti III tūkstantmečio pr. Kr. Pabaigos arba II tūkstantmečio pr. Kr. Pradžios. Alchemikai tvirtino, kad yra mistinis ryšys tarp geležies ir raudonos judrios dangaus planetos Marso. Geležis – metalas, iš kurio daromi ginklai, o Marsas – planeta, kuri senovės romėnams simbolizavo karo dievą Marsą. Viduramžiais geležis ir Marsas buvo vaizduojami tuo pačiu ženklu ♂. Lotyniškas geležies pavadinimas ferrum gali būti siejamas su graikų ir lotynų kalbų žodžiu fars, kuris reiškia „būti kietam”. Jis panašus į žodį ferrus – „nejautrus”, „tvirtas”, „nepalenkiamas”“ Žmogus organizme apie 65% geležies įeina į hemoglobino sudėtį ir dalyvauja deguonies apykaitoje, oksidacijos reakcijose; 20-25% geležies yra susijungę su baltymais ir kaip geležies atsarga būna kepenyse. Geležis geriau įsisavinama iš gyvulinių maisto produktų (iki 30%), blogiau (iki 10%) – iš augalinių. Įsisavinimą skatina vitaminas C, fosfatai, tanino rūgštis (taninų yra rabarbaro, sidabražolės šaknyse, akacijos, maumedžio žievėje, arkliauogės, pūkenio lapuose). Paros norma vyrui apie 10mg, moteriai – apie 15mg geležies.