Rauta (Fe): ominaisuudet, esiintyminen, teollinen käyttö ja historia

Fysikaaliset ominaisuudet

Rauta on harmaa, hopeanhohtoinen metalli. Se on magneettinen, vaikka raudan eri allotroopeilla on erilaiset magneettiset ominaisuudet. Rautaa on helppo löytää, louhia ja sulattaa, minkä vuoksi se on niin käyttökelpoista. Puhdas rauta on pehmeää ja hyvin muokattavaa.

Kemialliset ominaisuudet

Rauta on reaktiivista. Se reagoi useimpien happojen, kuten rikkihapon, kanssa. Se muodostaa ferrosulfaattia, kun se reagoi rikkihapon kanssa. Tätä reaktiota rikkihapon kanssa käytetään metallin puhdistamiseen.

Rauta reagoi ilman ja veden kanssa muodostaen ruostetta. Kun ruoste irtoaa, paljastuu lisää rautaa, jolloin lisää rautaa pääsee ruostumaan. Lopulta koko rauta ruostuu pois. Muut metallit, kuten alumiini, eivät ruostu. Rautaa voidaan seostaa kromin kanssa ruostumattomaksi teräkseksi, joka ei ruostu useimmissa olosuhteissa.

Rautajauhe voi reagoida rikin kanssa muodostaen rauta(II)sulfidia, kovaa mustaa kiinteää ainetta. Rauta reagoi myös halogeenien kanssa muodostaen rauta(III)halogenideja, kuten rauta(III)kloridia. Rauta reagoi halogeenihappojen kanssa muodostaen rauta(II)halogenideja, kuten rauta(II)kloridia.

Kemialliset yhdisteet

Rauta muodostaa kemiallisia yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa. Tavallisesti toinen alkuaine hapettaa raudan. Joskus otetaan kaksi elektronia ja joskus kolme. Yhdisteitä, joissa rauta on ottanut kaksi elektronia, kutsutaan rautayhdisteiksi. Yhdisteitä, joissa rauta on ottanut kolme elektronia, kutsutaan rautayhdisteiksi. Rautayhdisteissä rauta on hapetusasteessa +2. Ferriyhdisteissä rauta on hapetusasteeltaan +3. Rautayhdisteet voivat olla mustia, ruskeita, keltaisia, vihreitä tai violetteja.

Rautayhdisteet ovat heikkoja pelkistimiä. Monet niistä ovat vihreitä tai sinisiä. Yleisin rautayhdiste on ferrosulfaatti.

Rautayhdisteet ovat hapettavia aineita. Monet niistä ovat ruskeita. Yleisin rautayhdiste on rautaoksidi, joka on sama kuin ruoste. Yksi syy siihen, miksi rauta ruostuu, on se, että rautaoksidi on hapettava aine. Se hapettaa rautaa ja ruostuttaa sitä jopa maalin alla. Siksi jos maalissa on pieni naarmu, koko laite voi ruostua.

Rauta(II)-yhdisteet

Hapetusasteessa +2 olevat yhdisteet ovat heikkoja pelkistimiä. Ne ovat yleensä vaaleanvärisiä. Ne reagoivat ilman hapen kanssa. Ne tunnetaan myös nimellä rautayhdisteet.

• Rauta(II)sulfidi, kiiltävä kemikaali, joka reagoi happojen kanssa vapauttaen rikkivetyä, jota esiintyy maaperässä.
• Rauta(II)sulfaatti, sinivihreä kiteinen kemikaali, joka valmistetaan reagoimalla rikkihapon ja teräksen kanssa ja jota käytetään vähentämään kromaatin kaltaisia myrkkyjä betonissa.
• Rauta(II)kloridi, vaaleanvihreä kiteinen kemikaali, jota valmistetaan reagoimalla suolahappoa teräksen kanssa.
• Rauta(II)hydroksidi, tummanvihreä jauhe, jota valmistetaan elektrolyysivedellä ja rauta-anodilla, reagoi hapen kanssa ja muuttuu ruskeaksi.
• Rauta(II)oksidi, musta, syttyvä, harvinainen.

Sekoitettu hapetusaste

Nämä yhdisteet ovat harvinaisia; vain yksi on yleinen. Niitä esiintyy maaperässä.

• Rauta(II,III)oksidi on musta mineraali, jota käytetään rautamalmina ja joka sisältää rautaa hapetusasteissa +2 ja +3. Rauta(II,III)oksidi on musta mineraali, jota käytetään rautamalmina.

Rauta(III)-yhdisteet

Hapetustilassa +3 olevat yhdisteet ovat yleensä ruskeita. Ne ovat hapettavia aineita. Ne ovat syövyttäviä. Ne tunnetaan myös nimellä rautayhdisteet.

• Rauta(III)oksidi, ruoste, punaruskea, liukenee happoon.
• Rauta(III)kloridi on myrkyllistä ja syövyttävää, ja se liukenee veteen muodostaen tummanruskeaa hapanta liuosta. Valmistetaan reagoimalla rauta suolahapon ja hapettimen kanssa.
• Rauta(III)nitraatti, vaalean purppuranvärinen, syövyttävä, käytetään syövytyksessä.
• Rauta(III)sulfaatti, harvinainen, vaaleanruskea, liukenee veteen. Valmistetaan reagoimalla rautaa rikkihapon ja hapettimen kanssa.

Maailmankaikkeudessa on paljon rautaa, koska se on suurten tähtien ydinreaktioiden päätepiste. Se on viimeinen alkuaine, joka syntyy ennen kuin supernovan raju romahdus hajottaa raudan avaruuteen.

Metalli on maapallon ytimen tärkein ainesosa. Lähellä pintaa sitä esiintyy rauta- tai rautayhdisteenä. Jotkut meteoriitit sisältävät rautaa harvinaisten mineraalien muodossa. Tavallisesti rautaa esiintyy maanpinnalla hematiittimalmina, josta suuri osa on syntynyt suuressa hapettumistapahtumassa. Rautaa voidaan louhia malmista masuunissa. Osa raudasta esiintyy magnetiittina.

Lihassa on rautayhdisteitä. Rauta on olennainen osa punasolujen hemoglobiinia.

Rautaa valmistetaan suurissa tehtaissa, joita kutsutaan rautateollisuudeksi, pelkistämällä hematiittia hiilen (koksin) kanssa. Tämä tapahtuu suurissa säiliöissä, joita kutsutaan masuuneiksi. Masuuni täytetään rautamalmilla, koksilla ja kalkkikivellä. Sisään puhalletaan hyvin kuumaa ilmaa, joka saa koksin palamaan. Äärimmäinen kuumuus saa hiilen reagoimaan rautamalmin kanssa, jolloin rautaoksidien happi poistuu ja syntyy hiilidioksidia. Hiilidioksidi on kaasua, ja se poistuu seoksesta. Raudan mukana on jonkin verran hiekkaa. Kalkkikivi, joka koostuu kalsiumkarbonaatista, muuttuu kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi, kun kalkkikivi on hyvin kuumaa. Kalsiumoksidi reagoi hiekan kanssa muodostaen nestettä, jota kutsutaan kuonaksi. Kuona valutetaan pois, jolloin jäljelle jää vain rauta. Reaktiosta jää puhdasta nestemäistä rautaa masuuniin, jossa sitä voidaan muotoilla ja kovettaa jäähtymisen jälkeen. Lähes kaikki rauta-asemat ovat nykyään osa terästehtaita, ja lähes kaikesta raudasta valmistetaan terästä.

Rautaa voidaan työstää monella tavalla. Rauta voidaan kovettaa kuumentamalla metallinpala ja roiskimalla se kylmään veteen. Sitä voidaan pehmentää kuumentamalla sitä ja antamalla sen jäähtyä hitaasti. Sitä voidaan myös leimata raskaalla puristimella. Se voidaan vetää langoiksi. Sitä voidaan valssata metallilevyiksi.

Yhdysvalloissa suuri osa raudasta otettiin maasta Minnesotassa ja lähetettiin laivalla Indianaan ja Michiganiin, jossa siitä valmistettiin terästä.

Metallina

Rautaa käytetään enemmän kuin mitään muuta metallia. Se on vahvaa ja halpaa. Siitä valmistetaan rakennuksia, siltoja, nauloja, ruuveja, putkia, palkkeja ja torneja.

Rauta ei ole kovin reaktiivista, joten sen louhiminen malmista on helppoa ja halpaa. Teräksestä valmistettuna se on erittäin vahvaa, ja sitä käytetään betonin vahvistamiseen.

Rautaa on erilaisia. Valurauta on rautaa, joka on valmistettu edellä artikkelissa kuvatulla tavalla. Se on kovaa ja haurasta. Siitä valmistetaan esimerkiksi sadevesiviemäreiden ja -kaivojen kansia sekä moottorin lohkoja (moottorin tärkein osa).

Teräs on raudan yleisin muoto. Teräksiä on useita eri muotoja. Kevyt teräs on terästä, jossa on vähän hiiltä. Se on pehmeää ja taipuu helposti, mutta se ei halkeile helposti. Sitä käytetään naulojen ja lankojen valmistukseen. Hiiliteräs on kovempaa mutta hauraampaa. Sitä käytetään työkaluissa.

On olemassa muitakin terästyyppejä. Ruostumaton teräs on kromipitoisuutensa ansiosta ruostumatonta, ja nikkeli-rautaseokset pysyvät lujina korkeissa lämpötiloissa. Muut teräkset voivat olla hyvin kovia, riippuen lisätyistä seoksista.

Takorautaa on helppo muotoilla ja käyttää aitojen ja ketjujen valmistukseen.

Hyvin puhdas rauta on pehmeää ja ruostuu (hapettuu) helposti. Se on myös melko reaktiivista.

Yhdisteinä

Rautayhdisteitä käytetään moniin eri tarkoituksiin. Rauta(II)kloridia käytetään veden puhdistamiseen. Myös rauta(III)kloridia käytetään. Rauta(II)sulfaattia käytetään kromaattien vähentämiseen sementissä. Joitakin rautayhdisteitä käytetään vitamiineissa.

Raudanpuute on maailman yleisin ravitsemuksellinen puutos.

Kehomme tarvitsee rautaa auttaakseen hapen pääsyä lihaksiimme, koska se on joidenkin elimistömme keskeisten makromolekyylien, kuten hemoglobiinin, ytimessä, joka saa sen toimimaan paremmin. Moniin viljoihin on lisätty rautaa (alkuaineen metallirauta). Sitä lisätään viljaan pieninä metallilastuina. Joskus on jopa mahdollista havaita hiutaleet ottamalla erittäin voimakas magneetti ja laittamalla se laatikkoon. Magneetti vetää puoleensa näitä rautapalasia. Näiden pienten metallilastujen syöminen ei ole haitallista elimistöllemme.

Rauta on elimistön käytettävissä parhaiten, kun se lisätään aminohappoihin - tässä muodossa oleva rauta on kymmenen-viisitoista kertaa sulavampaa kuin elementtinä. Rautaa on myös lihassa, esimerkiksi pihvissä. Ravintolisistä saatava rauta on kemiallisessa muodossa, kuten rauta(II)sulfaattina, joka on halpaa ja imeytyy hyvin. Elimistö ei ota vastaan enempää rautaa kuin se tarvitsee, ja yleensä se tarvitsee sitä hyvin vähän. Punasolujen sisältämä rauta kierrätetään järjestelmän avulla, joka hajottaa vanhoja soluja. Vamman tai loisinfektion aiheuttama verenhukka voi olla vakavampi.

Rauta on myrkyllistä, kun sitä otetaan suuria määriä elimistöön. Kun rautapillereitä otetaan liikaa, ihmiset (erityisesti lapset) sairastuvat. Lisäksi on olemassa geneettinen häiriö, joka vahingoittaa elimistön rautapitoisuuden säätelyä.

On olemassa kemikaaleja, jotka sitoutuvat rautaan ja joita lääkärit voivat määrätä.

• Raudan allotroopit
• Rautayhdisteet
• Rautakausi