Tämä artikkeli käsittelee rautaa, metallia. Silitysraudaksi kutsutusta työkalusta, katso silitys.

Rauta on kemiallinen alkuaine ja metalli. Se on maapallon toiseksi yleisin ja käytetyin metalli. Se muodostaa suuren osan maapallon ytimestä, ja se on neljänneksi yleisin alkuaine maankuoressa.

Metallia käytetään paljon, koska se on vahvaa ja halpaa. Rauta on tärkein ainesosa, jota käytetään teräksen valmistukseen. Raakarauta on magneettista (vetää puoleensa magneetteja), ja sen yhdiste magnetiitti on pysyvästi magneettista.

Joillakin alueilla rautaa on käytetty noin vuonna 1200 eaa. Tätä tapahtumaa pidetään siirtymisenä pronssikaudesta rautakauteen.

Perusominaisuudet

Rauta on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Fe ja atomiluku 26. Sen atomimassa on noin 55,85 u. Tavallinen puhdas rauta on hopeanhohtoinen, tiheys noin 7,87 g/cm³. Sen sulamispiste on noin 1538 °C ja kiehumispiste noin 2862 °C.

  • Kiderakenne: rauta esiintyy eri allotrooppisina muotoina: α-Fe (keskitetun kuutioverkko, bcc), γ-Fe (tasokeskinen kuutioverkko, fcc) ja δ-Fe; lämpötilasta riippuvat muutokset vaikuttavat teräksen hitteenkäsittelyyn.
  • Magneettisuus: rauta on ferromagneettista huoneenlämpötilassa ja menettää ferromagneettisuutensa Curie-lämpötilassa (noin 770 °C).
  • Kemialliset ominaisuudet: tavallisia hapetuslukuja ovat +2 (Fe2+) ja +3 (Fe3+). Rauta muodostaa useita oksideja ja hydroksideja (esim. FeO, Fe2O3, Fe3O4), ja se hapettuu helposti muodostaen ruostetta (hydratoitunut rautaoksidi).

Esiintyminen luonnossa

Rautaa esiintyy planeetallamme sekä metallisessa muodossa että yhdisteinä. Suurin osa maapallon ytimestä koostuu raudasta ja nikkelistä. Maankuoren yleisimpiä rauta-esiintymiä ovat malmit ja oksidimuodot, kuten:

  • hematite (Fe2O3)
  • magnetiitti (Fe3O4)
  • goethiitti ja limoniitti (hydraattisia rautaoksideja)
  • sideriitti (FeCO3)

Ennen metallurgian kehittymistä ihmiset käyttivät myös meteoriittirautaa (luonnollista metallista rautaa). Rautamalmin louhinta ja rikastus ovat teollisuuden perustoimintoja ennen sulatusta.

Teollinen käyttö

Suurin osa tuotetusta rautasta käytetään teräksen valmistukseen. Teräs syntyy, kun rautaan lisätään hiiltä ja muita seosaineita tai poistetaan epäpuhtauksia hallitusti. Tärkeitä teollisia prosesseja ja tuotteita:

  • Raudanjalostus: rautamalmin sulatus masuunissa tuottaa raakarautaa (pig iron), josta jalostetaan terästä esimerkiksi perustuuhiilimenetelmällä (basic oxygen furnace) tai sähköuunimenetelmillä (electric arc furnace), joissa käytetään myös kierrätysraaka-ainetta.
  • Teräs ja valurauta: teräs on rakennus- ja konepajateollisuuden perusmateriaali — käytössä ovat mm. rakenneteräkset, rakenteelliset komponentit, autoteollisuus, laivanrakennus, rautatiet ja putkijärjestelmät. Valurautaa käytetään koneenosissa, putkissa ja astiatuotannossa.
  • Ruostumattomat teräkset: kromin ja nikkelin lisääminen tekee teräksestä korroosionkestävää; näitä käytetään keittiövälineissä, lääketieteessä ja kemianteollisuudessa.
  • Pigmentit ja kemikaalit: rautaoksidit toimivat väriaineina ja pigmentteinä (esim. punainen ja keltainen), rautasuolat käytetään vedenkäsittelyssä, katalyytteina ja maanparannuksessa.
  • Muut käyttötavat: magneetit ja sähkömagneetit (mm. generaattorit ja moottorit), työkalut, koneet, terät ja arkkitehtoniset elementit.

Historia lyhyesti

Rauta on ollut ihmiskunnan käytössä eri muodoissa tuhansia vuosia. Ennen rautojen sulatustekniikoita meteoriittirautaa käytettiin koruissa ja työkaluissa. Noin 1200 eaa. alkoi useilla alueilla laajempi siirtymä pronssikaudesta rautakauteen, kun raudan sulatus ja työstö kehittyivät. Alkeelliset uunit eli bloomeryt mahdollistivat raudan valmistuksen, ja myöhemmin keskiajalla ja uuden ajan alussa kehitettiin tehokkaampia sulatusmenetelmiä.

Teollinen vallankumous muutti rauta- ja terästuotannon mittakaavan: masuunien, hiilen (koksin) ja myöhemmin Bessemerin, avoimen uunin ja perusaineprosessien kehitys 1800–1900-luvuilla mahdollisti halvan ja massatuotannon. Nykyteollisuudessa teräksen valmistus on keskeinen osa maailman taloutta.

Ympäristövaikutukset ja kierrätys

Rautakaivostoiminta ja teräksen tuotanto vaikuttavat ympäristöön: kaivostoiminta muokkaa maisemaa ja tuottaa sivukiviä, ja perinteinen masuunipohjainen terästuotanto on hiilipäästöjen lähde. Kierrätys on ympäristön kannalta tärkeää: teräs ja rauta ovat hyvin kierrätettäviä, ja käytetyn raudan käyttö sähköuunissa säästää luonnonvaroja ja vähentää päästöjä.

Terveys ja turvallisuus

Rauta on välttämätön ravintoaine, jota elimistö tarvitsee hapenkuljetukseen hemoglobiinin kautta. Rautavaje aiheuttaa anemiaa, kun taas liiallinen rautanmäärä kehossa voi johtaa hemochromatoosiin. Työympäristöissä rautapöly ja lastut voivat olla terveydelle haitallisia hengityksen tai ihon kautta; hitsauksessa syntyvät höyryt ja kaasut vaativat asianmukaista suojautumista.

Tulevaisuus ja tutkimus

Raudan ja teräksen kehitys jatkuu: metallurgit tutkimukset keskittyvät kevyempiin ja vahvempiin seoksiin, paremmin kierrätettäviin prosesseihin ja pienempiin päästöihin. Nanoteknologia, korroosionesto ja uudet seosaineet avaavat mahdollisuuksia energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään käyttöön.