Железо

Железо,  ₂₆ Fe

Железо
Произношение	/ ˈ aɪ ə r n /
Аллотропы	см . Аллотропы железа
Появление	блестящий металлик с сероватым оттенком
Стандартный атомный вес A r °(Fe)
	55,845 ± 0,002 [1] 55,845 ± 0,002  ( сокращенно ) [2]
Железо в периодической таблице
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неоновый Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим неодимовый Прометий Самарий европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Теннессин Оганесон – ↑ Fe ↓ Ru марганец ← железо → кобальт
Атомный номер ( Z )	26
Группа	группа 8
Период	период 4
Блокировать	d-блок
Электронная конфигурация	[ Ар ] 3д 6 4с 2
Электронов на оболочку	2, 8, 14, 2
Физические свойства
Фаза в  STP	твердый
Температура плавления	1811  К (1538 °C, 2800 °F)
Точка кипения	3134 К (2861 °С, 5182 °F)
Плотность (при 20°С)	7,874 г/см 3  [3]
когда жидкость (при  т.пл. )	6,98 г/см 3
Теплота плавления	13,81  кДж/моль
Теплота парообразования	340 кДж/моль
Молярная теплоемкость	25,10 Дж/(моль·К)
Давление пара Р  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс. в  Т  (К) 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Атомные свойства
Степени окисления	общие: +2, +3, −4, ? −2, [4] −1, [4] 0, ? +1, [5] +4, [4] +5, [6] +6, [4] +7, [7]
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,83
Энергии ионизации	1-й: 762,5 кДж/моль 2-й: 1561,9 кДж/моль 3-й: 2957 кДж/моль ( более )
Атомный радиус	эмпирический: 126  pm
Радиус ковалентной связи	Низкий спин: 132±3 pm Высокий спин: 152±6 pm
Радиус Ван-дер-Ваальса	194 [1] вечера
Спектральные линии железа
Другие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристаллическая структура	α-Fe: ​объемно-центрированная кубическая (ОЦК) ( cI2 )
Постоянная решетки	а  = 286,65 пм (при 20 °C) [3]
Кристаллическая структура	γ-Fe (912–1394 °C): гранецентрированная кубическая (ГЦК) ( cF4 )
Постоянная решетки	а  = 364,68 пм (при 916 °C) [8]
Тепловое расширение	12,07 × 10−6 /К ( при 20 °С) [3]
Теплопроводность	80,4 Вт/(м⋅К)
Удельное электрическое сопротивление	96,1 нОм⋅м (при 20 °C)
точка Кюри	1043 К
Магнитное упорядочение	ферромагнитный
модуль Юнга	211 ГПа
Модуль сдвига	82 ГПа
Модуль объемной упругости	170 ГПа
Скорость звука тонкий стержень	5120 м/с (при  комнатной температуре ) (электролитический)
Коэффициент Пуассона	0,29
Твёрдость по шкале Мооса	4
Твёрдость по Виккерсу	608 МПа
Твёрдость по Бринеллю	200–1180 МПа
Номер CAS	7439-89-6
История
Открытие	до 5000 г. до н.э.
Символ	«Fe»: от латинского ferrum
Изотопы железа в е
Основные изотопы [9] Разлагаться избыток период полураспада ( t 1/2 ) режим продукт 54 Fe 5.85% стабильный 55 Fe синт 2,73 г. ε 55 Мн 56 Fe 91,8% стабильный 57 Fe 2.12% стабильный 58 Fe 0,28% стабильный 59 Fe синт 44,6 дн. β − 59 Ко 60 Fe след 2,6 × 10 6  лет β − 60 Со
Категория: Железо вид разговаривать редактировать | ссылки

Железо — химический элемент ; он обозначается символом Fe (от латинского ferrum  — «железо») и имеет атомный номер 26. Это металл , который принадлежит к первой переходной серии и группе 8 периодической таблицы . По массе это самый распространенный элемент на Земле , образующий большую часть внешнего и внутреннего ядра Земли . Это четвертый по распространенности элемент в земной коре , в основном отложенный метеоритами в металлическом состоянии.

Для извлечения пригодного к использованию металла из железной руды требуются печи или горны, способные достигать температуры 1500 °C (2730 °F), что примерно на 500 °C (932 °F) выше, чем требуется для выплавки меди . Люди начали осваивать этот процесс в Евразии во 2-м тысячелетии до н. э. , а использование железных инструментов и оружия начало вытеснять медные сплавы — в некоторых регионах только около 1200 г. до н. э. Это событие считается переходом от бронзового века к железному веку . В современном мире железные сплавы, такие как сталь , нержавеющая сталь , чугун и специальные стали , являются наиболее распространенными промышленными металлами из-за их механических свойств и низкой стоимости. Таким образом, сталелитейная промышленность очень важна с экономической точки зрения, а железо является самым дешевым металлом, его цена составляет несколько долларов за килограмм или фунт.

Чистые и гладкие поверхности чистого железа имеют зеркальный серебристо-серый цвет. Железо легко реагирует с кислородом и водой , образуя гидратированные оксиды железа от коричневого до черного цвета , обычно известные как ржавчина . В отличие от оксидов некоторых других металлов, которые образуют пассивирующие слои, ржавчина занимает больший объем, чем металл, и, таким образом, отслаивается, обнажая больше свежих поверхностей для коррозии. С химической точки зрения наиболее распространенными степенями окисления железа являются железо(II) и железо(III) . Железо разделяет многие свойства других переходных металлов, включая другие элементы 8 группы , рутений и осмий . Железо образует соединения в широком диапазоне степеней окисления , от −4 до +7. Железо также образует множество координационных соединений ; некоторые из них, такие как ферроцен , ферриоксалат и берлинская лазурь, имеют существенное промышленное, медицинское или исследовательское применение.

Тело взрослого человека содержит около 4 граммов (0,005% веса тела) железа, в основном в гемоглобине и миоглобине. Эти два белка играют важную роль в транспортировке кислорода кровью и хранении кислорода в мышцах . Для поддержания необходимого уровня метаболизм железа у человека требует минимального количества железа в рационе. Железо также является металлом в активном центре многих важных окислительно-восстановительных ферментов, связанных с клеточным дыханием , окислением и восстановлением у растений и животных. ^[10]

Известно по крайней мере четыре аллотропа железа (различающееся расположение атомов в твердом теле), условно обозначаемые α , γ , δ и ε .

Первые три формы наблюдаются при обычных давлениях. Когда расплавленное железо охлаждается выше точки замерзания 1538 °C, оно кристаллизуется в δ-аллотроп, который имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру . При дальнейшем охлаждении до 1394 °C оно переходит в γ-аллотроп железа, гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру, или аустенит . При 912 °C и ниже кристаллическая структура снова становится ОЦК α-аллотропом железа. ^[11]

Физические свойства железа при очень высоких давлениях и температурах также были тщательно изучены ^{[12] [13]} из-за их значимости для теорий о ядрах Земли и других планет. Выше примерно 10 ГПа и температурах в несколько сотен кельвинов или ниже α-железо переходит в другую гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру, которая также известна как ε-железо . Более высокотемпературная γ-фаза также переходит в ε-железо, но делает это при более высоком давлении.

Существуют некоторые противоречивые экспериментальные доказательства существования стабильной β- фазы при давлениях выше 50 ГПа и температурах не менее 1500 К. Предполагается, что она имеет орторомбическую или двойную ГПУ-структуру. ^[14] (Как ни странно, термин «β-железо» иногда также используется для обозначения α-железа выше его точки Кюри, когда оно переходит из ферромагнитного в парамагнитное состояние, хотя его кристаллическая структура не изменилась. ^[11] )

Обычно предполагается, что внутреннее ядро ​​Земли состоит из железоникелевого сплава с ε (или β) структурой. ^[15]

Температуры плавления и кипения железа, а также его энтальпия атомизации , ниже, чем у более ранних 3d-элементов от скандия до хрома , что показывает уменьшенный вклад 3d-электронов в металлическую связь, поскольку они все больше и больше притягиваются ядром в инертное ядро; ^[16] однако, они выше, чем значения для предыдущего элемента марганца, поскольку этот элемент имеет наполовину заполненную 3d-подоболочку и, следовательно, его d-электроны нелегко делокализованы. Та же тенденция наблюдается для рутения, но не для осмия . ^[17]

Температура плавления железа экспериментально хорошо определена для давлений менее 50 ГПа. Для больших давлений опубликованные данные (по состоянию на 2007 год) по-прежнему варьируются на десятки гигапаскалей и более тысячи кельвинов. ^[18]

Ниже точки Кюри 770 °C (1420 °F; 1040 K) α-железо переходит из парамагнитного в ферромагнитное состояние : спины двух неспаренных электронов в каждом атоме обычно выстраиваются в ряд со спинами его соседей, создавая общее магнитное поле . ^[20] Это происходит потому, что орбитали этих двух электронов (d _{z ²} и d _{x ² − y ²} ) не направлены в сторону соседних атомов в решетке и, следовательно, не участвуют в металлической связи. ^[11]

При отсутствии внешнего источника магнитного поля атомы спонтанно разделяются на магнитные домены , около 10 микрометров в поперечнике, ^[21] так, что атомы в каждом домене имеют параллельные спины, но некоторые домены имеют другие ориентации. Таким образом, макроскопический кусок железа будет иметь почти нулевое общее магнитное поле.

Приложение внешнего магнитного поля заставляет домены, намагниченные в том же общем направлении, расти за счет соседних, которые указывают в других направлениях, усиливая внешнее поле. Этот эффект используется в устройствах, которым необходимо направлять магнитные поля для выполнения проектной функции, таких как электрические трансформаторы , магнитные записывающие головки и электродвигатели . Примеси, дефекты решетки или границы зерен и частиц могут «закрепить» домены в новых положениях, так что эффект сохраняется даже после снятия внешнего поля – таким образом превращая железный предмет в (постоянный) магнит . ^[20]

Подобное поведение демонстрируют некоторые соединения железа, такие как ферриты , включая минеральный магнетит , кристаллическую форму смешанного оксида железа (II, III) Fe ₃ O ₄ (хотя механизм атомного масштаба, ферримагнетизм , несколько отличается). Кусочки магнетита с естественной постоянной намагниченностью ( магнитные железняки ) служили первыми компасами для навигации. Частицы магнетита широко использовались в магнитных носителях информации, таких как сердечники памяти , магнитные ленты , дискеты и диски , пока их не заменили материалы на основе кобальта .

Железо имеет четыре стабильных изотопа : ⁵⁴ Fe (5,845% от природного железа), ⁵⁶ Fe (91,754%), ⁵⁷ Fe (2,119%) и ⁵⁸ Fe (0,282%). Также было создано двадцать четыре искусственных изотопа. Из этих стабильных изотопов только ⁵⁷ Fe имеет ядерный спин (− 1 ⁄ 2 ). Нуклид ⁵⁴ Fe теоретически может подвергаться двойному захвату электронов в ⁵⁴ Cr, но этот процесс никогда не наблюдался, и был установлен только нижний предел периода полураспада 4,4×10 ^{20 лет. [22]}

^60Fe — это вымерший радионуклид с длительным периодом полураспада (2,6 миллиона лет). ^[23] Он не обнаружен на Земле, но его конечным продуктом распада является его внучка, стабильный нуклид 60Ni ^. [ ^9] Большая часть прошлых работ по изотопному составу железа была сосредоточена на нуклеосинтезе 60Fe посредством изучения метеоритов и рудообразования. За последнее десятилетие достижения в области ^масс -спектрометрии позволили обнаружить и количественно оценить мельчайшие, происходящие естественным образом изменения в соотношениях стабильных изотопов железа. Большая часть этой работы проводится научными сообществами Земли и планет , хотя появляются приложения к биологическим и промышленным системам. ^[24]

В фазах метеоритов Семаркона и Червоный Кут корреляция между концентрацией ⁶⁰ Ni, внучки ⁶⁰ Fe, и обилием стабильных изотопов железа предоставила доказательства существования ⁶⁰ Fe во время формирования Солнечной системы . Возможно, энергия, выделившаяся при распаде ⁶⁰ Fe, вместе с энергией, выделившейся ²⁶ Al , способствовала переплавке и дифференциации астероидов после их образования 4,6 миллиарда лет назад. Обилие ^{60 Ni, присутствующее во внеземном материале} , может дать дальнейшее понимание происхождения и ранней истории Солнечной системы . ^[25]

Самый распространенный изотоп железа ⁵⁶ Fe представляет особый интерес для ученых-ядерщиков, поскольку он представляет собой наиболее распространенную конечную точку нуклеосинтеза . ^[26] Поскольку ⁵⁶ Ni (14 альфа-частиц ) легко образуется из более легких ядер в альфа-процессе в ядерных реакциях в сверхновых (см. процесс горения кремния ), он является конечной точкой цепочек синтеза внутри чрезвычайно массивных звезд . Хотя добавление большего количества альфа-частиц возможно, тем не менее последовательность фактически заканчивается на ⁵⁶ Ni, поскольку условия внутри звезд вызывают конкуренцию между фотораспадом и альфа-процессом в пользу фотораспада около ⁵⁶ Ni. ^{[27] [28]} Этот ⁵⁶ Ni, период полураспада которого составляет около 6 дней, создается в большом количестве в этих звездах, но вскоре распадается двумя последовательными позитронными выбросами в продуктах распада сверхновой в газовом облаке остатков сверхновой , сначала до радиоактивного ⁵⁶ Co, а затем до стабильного ⁵⁶ Fe. Таким образом, железо является наиболее распространенным элементом в ядре красных гигантов , а также является наиболее распространенным металлом в железных метеоритах и ​​в плотных металлических ядрах планет , таких как Земля . ^[29] Оно также очень распространено во Вселенной по сравнению с другими стабильными металлами примерно с таким же атомным весом . ^{[29] [30]} Железо является шестым по распространенности элементом во Вселенной и наиболее распространенным тугоплавким элементом. ^[31]

Хотя еще один небольшой прирост энергии может быть получен путем синтеза ⁶² Ni , который имеет немного более высокую энергию связи, чем ⁵⁶ Fe, условия в звездах не подходят для этого процесса. Производство элементов в сверхновых значительно благоприятствует железу по сравнению с никелем, и в любом случае ⁵⁶ Fe все еще имеет меньшую массу на нуклон, чем ⁶² Ni из-за его более высокой доли более легких протонов. ^[32] Следовательно, элементы тяжелее железа требуют сверхновой для своего образования, включающей быстрый захват нейтронов путем запуска ядер ⁵⁶ Fe. ^[29]

В далеком будущем Вселенной, если предположить, что распад протона не произойдет, холодный синтез , происходящий посредством квантового туннелирования, заставит легкие ядра в обычной материи слиться в ядра ^{56 Fe. Деление и} испускание альфа-частиц затем заставят тяжелые ядра распасться на железо, превратив все объекты звездной массы в холодные сферы чистого железа. ^[33]

Обилие железа на каменистых планетах, таких как Земля, обусловлено его обильным производством во время неконтролируемого синтеза и взрыва сверхновых типа Ia , которые рассеивают железо в космосе. ^{[34] [35]}

Металлическое или самородное железо редко встречается на поверхности Земли, поскольку оно имеет тенденцию к окислению. Однако, как полагают, как внутреннее , так и внешнее ядро ​​Земли , которые вместе составляют 35% массы всей Земли, в основном состоят из сплава железа, возможно, с никелем . Считается, что электрические токи в жидком внешнем ядре являются источником магнитного поля Земли . Считается, что другие планеты земной группы ( Меркурий , Венера и Марс ), а также Луна имеют металлическое ядро, состоящее в основном из железа. Также считается, что астероиды типа М частично или в основном состоят из сплава металлического железа.

Редкие железные метеориты являются основной формой естественного металлического железа на поверхности Земли. Изделия из холоднодеформированного метеоритного железа были найдены в различных археологических памятниках, датируемых временем, когда выплавка железа еще не была развита; и инуиты в Гренландии , как сообщается, использовали железо из метеорита Кейп-Йорк для инструментов и охотничьего оружия. ^[36] Примерно 1 из 20 метеоритов состоит из уникальных железо-никелевых минералов тэнита (35–80% железа) и камасита (90–95% железа). ^[37] Самородное железо также редко встречается в базальтах, которые образовались из магм, вступивших в контакт с богатыми углеродом осадочными породами, которые снизили летучесть кислорода в достаточной степени для кристаллизации железа. Это известно как теллурическое железо и описано в нескольких местах, таких как остров Диско в Западной Гренландии, Якутия в России и Бюль в Германии. ^[38]

Ферропериклаз (Mg,Fe)O , твердый раствор периклаза (MgO) и вюстита (FeO), составляет около 20% объема нижней мантии Земли, что делает его второй по распространенности минеральной фазой в этом регионе после силикатного перовскита (Mg,Fe)SiO ₃ ; он также является основным хозяином железа в нижней мантии. ^[39] В нижней части переходной зоны мантии реакция γ- (Mg,Fe) ₂ [SiO ₄ ] ↔ (Mg,Fe)[SiO ₃ ] + (Mg,Fe)O превращает γ-оливин в смесь силикатного перовскита и ферропериклаза и наоборот. В литературе эту минеральную фазу нижней мантии также часто называют магнезиовюститом. ^[40] Силикатный перовскит может составлять до 93% нижней мантии, ^[41] а магниево-железная форма, (Mg,Fe)SiO ₃ , считается наиболее распространенным минералом на Земле, составляя 38% ее объема. ^[42]

Хотя железо является наиболее распространенным элементом на Земле, большая часть этого железа сосредоточена во внутреннем и внешнем ядрах. ^{[43] [44]} Доля железа, которая находится в земной коре, составляет всего около 5% от общей массы коры и, таким образом, является лишь четвертым по распространенности элементом в этом слое (после кислорода , кремния и алюминия ). ^[45]

Большая часть железа в земной коре соединяется с различными другими элементами, образуя множество железных минералов . Важный класс — это минералы оксида железа , такие как гематит (Fe ₂ O ₃ ), магнетит (Fe ₃ O ₄ ) и сидерит (FeCO ₃ ), которые являются основными рудами железа . Многие магматические породы также содержат сульфидные минералы пирротин и пентландит . ^{[46] [47]} Во время выветривания железо имеет тенденцию выщелачиваться из сульфидных отложений в виде сульфата и из силикатных отложений в виде бикарбоната. Оба они окисляются в водном растворе и осаждаются даже при слегка повышенном pH в виде оксида железа (III) . ^[48]

Крупные месторождения железа — это полосчатые железистые формации , тип горной породы, состоящий из повторяющихся тонких слоев оксидов железа, чередующихся с полосами бедного железом сланца и кремня . Полосчатые железистые формации были заложены в период между 3700 миллионами лет назад и 1800 миллионами лет назад . ^{[49] [50]}

Материалы, содержащие тонко измельченные оксиды железа (III) или оксид-гидроксиды, такие как охра , использовались в качестве желтых, красных и коричневых пигментов с доисторических времен. Они также вносят вклад в цвет различных пород и глин , включая целые геологические формации, такие как Painted Hills в Орегоне и Buntsandstein («цветной песчаник», британский Bunter ). ^[51] Через Eisensandstein ( юрский «железный песчаник», например, из Донцдорфа в Германии) ^[52] и Bath stone в Великобритании соединения железа отвечают за желтоватый цвет многих исторических зданий и скульптур. ^[53] Пресловутый красный цвет поверхности Марса происходит от реголита , богатого оксидом железа . ^[54]

Значительное количество железа содержится в сульфиде железа, минерале пирите (FeS2 ₎ , но извлечь из него железо трудно, и поэтому оно не разрабатывается. ^[55] Фактически, железо настолько распространено, что добыча обычно сосредоточена только на рудах с очень высоким его содержанием. ^[56]

Согласно отчету International Resource Panel 's Metal Stocks in Society , глобальный запас железа, используемый обществом, составляет 2200 кг на душу населения. Более развитые страны отличаются в этом отношении от менее развитых стран (7000–14000 против 2000 кг на душу населения). ^[57]

Наука об океане продемонстрировала роль железа в древних морях как в морской биоте, так и в климате. ^[58]

Железо демонстрирует характерные химические свойства переходных металлов , а именно способность образовывать переменные степени окисления, отличающиеся шагами одного и очень большой координацией и металлоорганической химией : действительно, именно открытие соединения железа, ферроцена , произвело революцию в последней области в 1950-х годах. ^[60] Железо иногда рассматривается как прототип всего блока переходных металлов из-за его распространенности и огромной роли, которую оно сыграло в технологическом прогрессе человечества. ^[61] Его 26 электронов расположены в конфигурации [ Ar]3d ⁶ 4s ² , из которых 3d и 4s электроны относительно близки по энергии, и, таким образом, некоторое количество электронов может быть ионизировано. ^[17]

Железо образует соединения в основном в степенях окисления +2 ( железо(II) , « железное ») и +3 ( железо(III) , «железное»). Железо также встречается в более высоких степенях окисления , например, пурпурный феррат калия ₍ K2FeO4 ₎ , который содержит железо в степени окисления +6. Анион [FeO4 _] – ^с железом в степени окисления +7, вместе с железо(V)-пероксоизомером, был обнаружен с помощью инфракрасной спектроскопии при 4 К после соконденсации атомов Fe, подвергнутых лазерной абляции, со смесью O2 _/ Ar. ^[62] Железо(IV) является распространенным промежуточным продуктом во многих биохимических реакциях окисления. ^{[63] [64]} Многочисленные железоорганические соединения содержат формальные степени окисления +1, 0, −1 или даже −2. Степени окисления и другие свойства связей часто оцениваются с помощью метода мёссбауэровской спектроскопии . ^[65] Многие соединения со смешанной валентностью содержат как центры железа (II), так и железа (III), такие как магнетит и берлинская лазурь ( Fe ₄ (Fe[CN] ₆ ) ₃ ). ^[64] Последняя используется как традиционный «синий» цвет в чертежах . ^[66]

Железо является первым из переходных металлов, который не может достичь своей групповой степени окисления +8, хотя его более тяжелые родственники рутений и осмий могут, причем рутений испытывает больше трудностей, чем осмий. ^[11] Рутений проявляет водную катионную химию в своих низких степенях окисления, похожую на химию железа, но осмий этого не делает, предпочитая высокие степени окисления, в которых он образует анионные комплексы. ^[11] Во второй половине 3d переходного ряда вертикальное сходство вниз по группам конкурирует с горизонтальным сходством железа с его соседями кобальтом и никелем в периодической таблице, которые также являются ферромагнитными при комнатной температуре и имеют схожую химию. Таким образом, железо, кобальт и никель иногда группируются вместе как триада железа . ^[61]

В отличие от многих других металлов, железо не образует амальгам с ртутью . В результате ртуть продается в стандартизированных 76-фунтовых колбах (34 кг), изготовленных из железа. ^[67]

Железо, безусловно, является наиболее реакционноспособным элементом в своей группе; оно пирофорно , когда мелко измельчено, и легко растворяется в разбавленных кислотах, давая Fe2 ⁺ . Однако оно не реагирует с концентрированной азотной кислотой и другими окисляющими кислотами из-за образования непроницаемого оксидного слоя, который, тем не менее, может реагировать с соляной кислотой . ^[11] Высокочистое железо, называемое электролитическим железом , считается устойчивым к ржавчине из-за своего оксидного слоя.

Железо образует различные оксидные и гидроксидные соединения ; наиболее распространенными являются оксид железа(II,III) ( _Fe3O4 ) и оксид железа(III) ( _Fe2O3 ). Оксид железа(II) также существует, хотя _{он нестабилен при комнатной температуре. Несмотря на} свои названия, на самом деле все они являются нестехиометрическими соединениями , состав которых может различаться. ^[68] Эти оксиды являются основными рудами для производства железа (см. кричные печи и доменные печи). Они также используются в производстве ферритов , полезных магнитных носителей информации в компьютерах и пигментов. Самый известный сульфид - это железный колчедан (FeS2 ₎ , также известный как золото дураков из-за его золотистого блеска. ^{[64] Это не соединение железа(IV), а на самом деле} полисульфид железа(II), содержащий Fe2 ⁺ и S²⁻
₂ионы в искаженной структуре хлорида натрия . ^[68]

Бинарные галогениды железа и железа хорошо известны. Галогениды железа обычно возникают при обработке металлического железа соответствующей галогеноводородной кислотой с получением соответствующих гидратированных солей. ^[64]

Fe + 2HX → FeX ₂ + H ₂ (X = F, Cl, Br, I)

Железо реагирует с фтором, хлором и бромом, образуя соответствующие галогениды железа, наиболее распространенным из которых является хлорид железа . ^[69]

2Fe + 3X2 _→ 2FeX3 ₍ X = F, Cl, Br)

Исключением является иодид железа , который термодинамически нестабилен из-за окислительной способности Fe ³⁺ и высокой восстановительной способности I ⁻ : ^[69]

2 I ⁻ + 2 Fe ³⁺ → I ₂ + 2 Fe ²⁺ (E ⁰ = +0,23 В)

Йодид железа, черное твердое вещество, нестабилен в обычных условиях, но может быть получен посредством реакции пентакарбонила железа с йодом и оксидом углерода в присутствии гексана и света при температуре −20 °C, при исключении кислорода и воды. ^[69] Известно, что комплексы йодида железа с некоторыми мягкими основаниями являются стабильными соединениями. ^{[70] [71]}

Стандартные восстановительные потенциалы в кислых водных растворах для некоторых распространенных ионов железа приведены ниже: ^[11]

[Fe(H 2 O) 6 ] 2+ + 2 е −	⇌ Fe	Е 0 = −0,447 В
[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + е −	⇌ [Fe( H2O ) 6 ] 2+	Е0 = +0,77 В
FeO2− 4+ 8 Н 3 О + + 3 е −	⇌ [Fe( H2O ) 6 ] 3+ + 6H2O	Е 0 = +2,20 В

Красно-фиолетовый тетраэдрический анион феррата (VI) является настолько сильным окислителем, что он окисляет аммиак до азота (N ₂ ), а воду до кислорода: ^[69]

4 FeO²⁻
₄+ 34 ч.
₂О → 4 [Fe(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ + 20 ОН⁻
+ 3 О ₂

Бледно-фиолетовый гексаводокомплекс [ Fe(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ представляет собой кислоту, которая при pH выше 0 полностью гидролизуется: ^[72]

[Fe( H2O ) 6 ] 3+	⇌ [Fe(H2O ) 5 ( OH)] 2+ + H +	К = 10−3,05 моль дм −3
[Fe( H2O ) 5 (ОН)] 2+	⇌ [Fe(H2O ) 4 ( OH) 2 ] + + H +	К = 10−3,26 моль дм −3
2[Fe( H2O ) 6 ] 3+	⇌ [Fe( H2O ) 4 (OH)]4+2+ 2Н + + 2Н 2 О	К = 10−2,91 моль дм −3

При повышении pH выше 0 образуются вышеуказанные желтые гидролизованные виды, а при повышении выше 2–3 из раствора выпадает красновато-коричневый водный оксид железа(III) . Хотя Fe3 ⁺ имеет конфигурацию ^ad5 , его спектр поглощения не похож на спектр Mn2 ⁺ с его слабыми запрещенными по спину d–d полосами, поскольку Fe3 ^{+ имеет более высокий положительный заряд и является более поляризующим, что снижает энергию поглощения} переноса заряда от лиганда к металлу . Таким образом, все вышеуказанные комплексы довольно сильно окрашены, за исключением иона гексакво, и даже у него в спектре доминирует перенос заряда в ближней ультрафиолетовой области. ^[72] С другой стороны, бледно-зеленый ион гексакво железа(II) [Fe(H2O ₎ 6 _] 2+ ^не подвергается заметному гидролизу. Диоксид углерода не выделяется при добавлении карбонатных анионов, что вместо этого приводит к осаждению белого карбоната железа(II) . При избытке углекислого газа образуется слаборастворимый бикарбонат, который обычно встречается в грунтовых водах, но быстро окисляется на воздухе, образуя оксид железа (III) , который и является причиной коричневых отложений, присутствующих в значительном количестве ручьев. ^[73]

Благодаря своей электронной структуре железо имеет очень большую координационную и металлоорганическую химию.

Известно много координационных соединений железа. Типичным шестикоординационным анионом является гексахлороферрат(III), [FeCl ₆ ] ³⁻ , обнаруженный в смешанной соли тетракис(метиламмоний) гексахлороферрат(III) хлорида . ^{[74] [75]} Комплексы с несколькими бидентатными лигандами имеют геометрические изомеры . Например, комплекс транс - хлоргидридобис(бис-1,2-(дифенилфосфино)этан)железа(II) используется в качестве исходного материала для соединений с фрагментом Fe( dppe ) ₂ . ^{[76] [77]} Ион ферриоксалата с тремя оксалатными лигандами демонстрирует спиральную хиральность с его двумя несовмещаемыми геометриями, обозначенными Λ (лямбда) для оси левого винта и Δ (дельта) для оси правого винта, в соответствии с соглашениями ИЮПАК. ^[72] Ферриоксалат калия используется в химической актинометрии и вместе с его натриевой солью подвергается фотовосстановлению, применяемому в старых фотографических процессах. Дигидрат оксалата железа(II) имеет полимерную структуру с копланарными ионами оксалата, соединяющими между центрами железа, с кристаллизационной водой, расположенной в форме шапок каждого октаэдра, как показано ниже. ^[78]

Комплексы железа (III) очень похожи на комплексы хрома (III), за исключением предпочтения железа (III) к O -донорным вместо N -донорных лигандов. Последние, как правило, гораздо более нестабильны, чем комплексы железа (II), и часто диссоциируют в воде. Многие комплексы Fe–O показывают интенсивные цвета и используются в качестве тестов на фенолы или енолы . Например, в тесте с хлоридом железа , используемом для определения присутствия фенолов, хлорид железа (III) реагирует с фенолом, образуя темно-фиолетовый комплекс: ^[72]

3 ArOH + FeCl ₃ → Fe(OAr) ₃ + 3 HCl (Ar = арил )

Среди галогенидных и псевдогалогенидных комплексов наиболее стабильны фторокомплексы железа(III), причем бесцветный [FeF5 ₍ H2O ₎ ] ²⁻ является наиболее стабильным в водном растворе. Хлорокомплексы менее стабильны и предпочитают тетраэдрическую координацию, как в [FeCl4 _] − ^; [FeBr4 _] − ^и [FeI4 _] − ^легко восстанавливаются до железа(II). Тиоцианат является распространенным тестом на присутствие железа(III), поскольку он образует кроваво-красный [Fe(SCN)(H2O ₎ 5 _] 2+ ^. Как и марганец(II), большинство комплексов железа(III) являются высокоспиновыми, исключение составляют те, у которых лиганды находятся высоко в спектрохимическом ряду , такие как цианид . Примером низкоспинового комплекса железа(III) является [Fe(CN) ₆ ] ³⁻ . Железо демонстрирует большое разнообразие электронных спиновых состояний , включая все возможные значения спинового квантового числа для элемента d-блока от 0 (диамагнитного) до 5 ⁄ 2 (5 неспаренных электронов). Это значение всегда равно половине числа неспаренных электронов. Комплексы с нулём или двумя неспаренными электронами считаются низкоспиновыми, а с четырьмя или пятью — высокоспиновыми. ^[68]

Комплексы железа(II) менее стабильны, чем комплексы железа(III), но предпочтение к лигандам-донорам O менее выражено, так что, например, [Fe(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺ известно, а [Fe(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ нет. Они имеют тенденцию окисляться до железа(III), но это можно смягчить низким pH и конкретными используемыми лигандами. ^[73]

Химия органического железа — это изучение металлоорганических соединений железа, где атомы углерода ковалентно связаны с атомом металла. Они многочисленны и разнообразны, включая цианидные комплексы , карбонильные комплексы , сэндвичевые и полусэндвичевые соединения .

Берлинская лазурь или «ферроцианид железа», Fe ₄ [Fe(CN) ₆ ] ₃ , является старым и хорошо известным комплексом железа и цианида, широко используемым в качестве пигмента и в ряде других применений. Его образование можно использовать в качестве простого теста мокрой химии для различения водных растворов Fe ²⁺ и Fe ³⁺ , поскольку они реагируют (соответственно) с феррицианидом калия и ферроцианидом калия с образованием берлинской лазури. ^[64]

Другим старым примером железоорганического соединения является пентакарбонил железа , Fe(CO) ₅ , в котором нейтральный атом железа связан с атомами углерода пяти молекул оксида углерода . Соединение может быть использовано для получения порошка карбонильного железа , высокореакционной формы металлического железа. Термолиз пентакарбонила железа дает тридодекакарбонил железа _, Fe3 ( CO) ₁₂ , комплекс с кластером из трех атомов железа в его ядре. Реагент Коллмана, динатрий тетракарбонилферрат , является полезным реагентом для органической химии; он содержит железо в степени окисления −2. Димер дикарбонила циклопентадиенилжелеза содержит железо в редкой степени окисления +1. ^[79]

Знаменательным событием в этой области стало открытие в 1951 году удивительно стабильного сэндвичевого соединения ферроцена Fe(C ₅ H ₅ ) ₂ Посоном и Кили ^[80] и независимо Миллером и коллегами ^[81] , чья удивительная молекулярная структура была определена всего год спустя Вудвордом и Уилкинсоном ^[82] и Фишером ^[83] . Ферроцен по-прежнему остается одним из важнейших инструментов и моделей в этом классе. ^[84]

В качестве катализаторов используются железоцентрированные металлоорганические соединения . Например, комплекс Кнёлкера является катализатором переноса гидрирования для кетонов . ^[85]

Соединения железа , производимые в промышленных масштабах, — это _{сульфат} железа(II) (FeSO4 _· 7H2O ) и хлорид железа(III) (FeCl3 ₎ . Первый из них является одним из наиболее доступных источников железа(II), но менее устойчив к окислению в воздухе, чем соль Мора ( (NH4 ₎ 2Fe ₍ SO4 ₎ 2 _· 6H2O ₎ . Соединения железа(II) имеют тенденцию окисляться до соединений железа(III) в воздухе. [ ^64]

Железо — один из элементов, несомненно известных древнему миру. ^[86] Его обрабатывали или ковали на протяжении тысячелетий. Однако железные артефакты большого возраста встречаются гораздо реже, чем предметы из золота или серебра, из-за легкости, с которой железо подвергается коррозии. ^[87] Технология развивалась медленно, и даже после открытия плавки потребовалось много столетий, чтобы железо заменило бронзу в качестве металла, используемого для инструментов и оружия.

Бусы, изготовленные из метеоритного железа в 3500 г. до н. э. или ранее, были найдены в Герцехе , Египет, Г. А. Уэйнрайтом . ^[88] Бусы содержат 7,5% никеля, что является признаком метеоритного происхождения, поскольку железо, встречающееся в земной коре, обычно содержит лишь незначительные примеси никеля.

Метеоритное железо высоко ценилось из-за своего небесного происхождения и часто использовалось для ковки оружия и инструментов. ^[88] Например, в гробнице Тутанхамона был найден кинжал, изготовленный из метеоритного железа , содержащий такие же пропорции железа, кобальта и никеля, как и метеорит, обнаруженный в этом районе, отложенный древним метеоритным дождем. ^{[89] [90] [91]} Предметы, которые, вероятно, были изготовлены из железа египтянами, датируются периодом от 3000 до 2500 г. до н.э. ^[87]

Метеоритное железо сравнительно мягкое и пластичное, легко поддается холодной ковке , но может стать хрупким при нагревании из-за содержания никеля . ^[92]

Первое производство железа началось в Среднем Бронзовом веке , но потребовалось несколько столетий, прежде чем железо вытеснило бронзу. Образцы выплавленного железа из Асмара, Месопотамии и Талль-Чагар-Базара на севере Сирии были сделаны где-то между 3000 и 2700 годами до нашей эры. [93] Хетты основали империю в северо ^- центральной Анатолии около 1600 года до нашей эры. Они, по-видимому, были первыми, кто понял производство железа из его руды и высоко ценил его в своем обществе. ^[94] Хетты начали выплавлять железо между 1500 и 1200 годами до нашей эры, и эта практика распространилась на остальную часть Ближнего Востока после падения их империи в 1180 году до нашей эры. ^[93] Последующий период называется железным веком .

Артефакты из выплавленного железа найдены в Индии, датируемые периодом с 1800 по 1200 гг. до н.э., ^[95] и в Леванте примерно с 1500 г. до н.э. (предполагая выплавку в Анатолии или на Кавказе ). ^{[96] [97]} Предполагаемые ссылки (сравните историю металлургии в Южной Азии ) на железо в индийских Ведах использовались для заявлений об очень раннем использовании железа в Индии, соответственно, для датировки текстов как таковых. Термин ригведы ayas (металл) относится к меди, в то время как железо, которое называется śyāma ayas , буквально «черная медь», впервые упоминается в постригведической Атхарваведе . ^[98]

Некоторые археологические свидетельства свидетельствуют о том, что железо выплавлялось в Зимбабве и на юго-востоке Африки еще в восьмом веке до нашей эры. ^[99] Обработка железа была завезена в Грецию в конце одиннадцатого века до нашей эры, откуда она быстро распространилась по всей Европе. ^[100]

Распространение обработки железа в Центральной и Западной Европе связано с кельтской экспансией. По словам Плиния Старшего , использование железа было распространено в римскую эпоху. ^[88] На землях, которые сейчас считаются Китаем, железо появляется примерно в 700–500 годах до нашей эры. ^[101] Выплавка железа, возможно, была завезена в Китай через Центральную Азию. ^[102] Самые ранние свидетельства использования доменной печи в Китае датируются I веком нашей эры, ^[103] а вагранки использовались уже в период Воюющих царств (403–221 гг. до н. э.). ^[104] Использование доменной и ваграночной печи оставалось широко распространенным во времена династий Тан и Сун . ^[105]

Во время промышленной революции в Британии Генри Корт начал перерабатывать железо из чугуна в кованое железо (или прутковое железо), используя инновационные производственные системы. В 1783 году он запатентовал процесс пудлингования для переработки железной руды. Позже его усовершенствовали другие, включая Джозефа Холла . ^[106]

Чугун впервые был произведен в Китае в V веке до нашей эры, ^[107], но в Европе его почти не было до средневекового периода. ^{[108] [109]} Самые ранние артефакты из чугуна были обнаружены археологами на территории современного уезда Лухэ провинции Цзянсу в Китае. Чугун использовался в древнем Китае для ведения войны , сельского хозяйства и архитектуры. ^[110] В средневековый период в Европе были найдены способы производства кованого железа из чугуна (в этом контексте известного как чугун ) с использованием кузнечных горнов . Для всех этих процессов в качестве топлива требовался древесный уголь . ^[111]

Средневековые доменные печи были около 10 футов (3,0 м) в высоту и сделаны из огнеупорного кирпича; нагнетание воздуха обычно обеспечивалось ручными мехами. ^[109] Современные доменные печи стали намного больше, с горнами диаметром четырнадцать метров, что позволяет им производить тысячи тонн железа каждый день, но по сути работают во многом так же, как и в средние века. ^[111]

В 1709 году Авраам Дарби I установил доменную печь на коксе для производства чугуна, заменив древесный уголь, хотя продолжал использовать доменные печи. Последующая доступность недорогого железа была одним из факторов, приведших к промышленной революции . К концу 18-го века чугун начал заменять кованое железо для определенных целей, потому что он был дешевле. Содержание углерода в железе не было связано с различиями в свойствах кованого железа, чугуна и стали до 18-го века. ^[93]

Поскольку железо становилось все более дешевым и распространенным, оно также стало основным конструкционным материалом после строительства инновационного первого железного моста в 1778 году. Этот мост до сих пор стоит как памятник роли железа в промышленной революции. После этого железо использовалось в рельсах, лодках, кораблях, акведуках и зданиях, а также в железных цилиндрах паровых двигателей . ^[111] Железные дороги сыграли центральную роль в формировании современности и идей прогресса ^[112] , и в разных языках железные дороги называют железной дорогой (например, во французском chemin de fer , в немецком Eisenbahn , в турецком demiryolu , в русском железная дорога , в китайском, японском и корейском鐵道, вьетнамском đường sắt ).

Сталь (с меньшим содержанием углерода, чем в чугуне, но большим, чем в кованом железе) впервые была произведена в древности с использованием кричного завода . Кузнецы в Луристане в западной Персии производили хорошую сталь к 1000 году до нашей эры. ^[93] Затем были разработаны улучшенные версии, сталь Вутц из Индии и дамасская сталь около 300 года до нашей эры и 500 года нашей эры соответственно. Эти методы были специализированными, и поэтому сталь не стала основным товаром до 1850-х годов. ^[113]

Новые методы его производства путем науглероживания прутков железа в процессе цементации были изобретены в 17 веке. В период промышленной революции были изобретены новые методы производства пруткового железа без древесного угля, которые позже были применены для производства стали. В конце 1850-х годов Генри Бессемер изобрел новый сталеплавильный процесс, включающий продувку воздуха через расплавленный чугун для производства мягкой стали. Это сделало сталь намного более экономичной, тем самым приведя к тому, что кованое железо больше не производилось в больших количествах. ^[114]

В 1774 году Антуан Лавуазье использовал реакцию водяного пара с металлическим железом внутри раскаленной железной трубки для получения водорода в своих экспериментах, что привело к демонстрации закона сохранения массы , что сыграло важную роль в превращении химии из качественной науки в количественную. ^[115]

Железо играет определенную роль в мифологии и нашло различное применение в качестве метафоры и в фольклоре . В « Трудах и днях » греческого поэта Гесиода (строки 109–201) перечисляются различные эпохи человека, названные в честь металлов, таких как золото, серебро, бронза и железо, чтобы учесть последовательные эпохи человечества. ^{[116] Железный век был тесно связан с Римом, и в} «Метаморфозах» Овидия

Добродетели в отчаянии покидают землю; и развращенность человека становится всеобщей и полной. Затем на смену пришла твердая сталь.

—  Овидий, Метаморфозы , Книга I, Железный век, строка 160 и далее

Примером важности символической роли железа может служить Немецкая кампания 1813 года . Фридрих Вильгельм III тогда заказал первый Железный крест в качестве военной награды. Производство берлинских железных украшений достигло пика в период между 1813 и 1815 годами, когда прусская королевская семья призвала граждан жертвовать золотые и серебряные украшения на финансирование военных нужд. Надпись Ich gab Gold für Eisen (Я отдал золото за железо) использовалась также в более поздних военных действиях. ^[117]

Для некоторых ограниченных целей, когда это необходимо, чистое железо производится в лаборатории в небольших количествах путем восстановления чистого оксида или гидроксида водородом или путем образования пентакарбонила железа и нагревания его до 250 °C, так что он разлагается с образованием чистого железного порошка. ^[48] Другим методом является электролиз хлорида железа на железном катоде. ^[118]

Производство железа 2009 (млн тонн ) ^{[119] [ сомнительно – обсудить ]}

Страна	Железная руда	Чугун	Прямое железо	Сталь
Китай	1,114.9	549,4		573,6
Австралия	393,9	4.4		5.2
Бразилия	305.0	25.1	0,011	26.5
Япония		66.9		87,5
Индия	257.4	38.2	23.4	63,5
Россия	92.1	43.9	4.7	60.0
Украина	65,8	25.7		29.9
Южная Корея	0.1	27.3		48.6
Германия	0,4	20.1	0,38	32.7
Мир	1,594.9	914.0	64,5	1,232.4

В настоящее время промышленное производство железа или стали состоит из двух основных этапов. На первом этапе железная руда восстанавливается коксом в доменной печи , а расплавленный металл отделяется от грубых примесей, таких как силикатные минералы . На этом этапе получается сплав — чугун в чушках , — который содержит относительно большое количество углерода. На втором этапе количество углерода в чугуне в чушках снижается путем окисления , чтобы получить кованое железо, сталь или чугун. ^[120] На этом этапе могут быть добавлены другие металлы для образования легированных сталей .

В доменную печь загружают железную руду, обычно гематит Fe ₂ O ₃ или магнетит Fe ₃ O ₄ , а также кокс ( уголь , который был отдельно обожжен для удаления летучих компонентов) и флюс ( известняк или доломит ). «Потоки» воздуха, предварительно нагретого до 900 °C (иногда с обогащением кислородом), продувают через смесь в количестве, достаточном для превращения углерода в оксид углерода : ^[120]

2С + О2 _→ 2СО

Эта реакция повышает температуру примерно до 2000 ° C. Окись углерода восстанавливает железную руду до металлического железа: ^[120]

Fe ₂ O ₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO ₂

Часть железа в высокотемпературной нижней части печи напрямую реагирует с коксом: ^[120]

2 Fe ₂ O ₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO ₂

Флюс удаляет кремнистые минералы из руды, которые в противном случае засорили бы печь: Тепло печи разлагает карбонаты до оксида кальция , который реагирует с любым избытком кремнезема , образуя шлак , состоящий из силиката кальция CaSiO ₃ или других продуктов. При температуре печи металл и шлак оба расплавлены. Они собираются на дне в виде двух несмешивающихся жидких слоев (со шлаком наверху), которые затем легко разделяются. ^[120] Шлак может использоваться в качестве материала в дорожном строительстве или для улучшения бедных минералами почв для сельского хозяйства . ^[109]

Таким образом, сталелитейная промышленность остается одним из крупнейших промышленных источников выбросов CO2 _в мире. ^[121]

• 
  Китайская иллюстрация XVII века, изображающая рабочих у доменной печи, выплавляющих кованое железо из чугуна ^[122]
• 
  Как добывали железо в 19 веке
• 
  Железоделательная печь в Колумбусе, штат Огайо, 1922 г.

Чугун, полученный доменным способом, содержит до 4–5% углерода (по массе) с небольшим количеством других примесей, таких как сера, магний, фосфор и марганец. Этот высокий уровень углерода делает его относительно слабым и хрупким. Уменьшение количества углерода до 0,002–2,1% дает сталь , которая может быть в 1000 раз тверже чистого железа. Затем можно изготавливать большое разнообразие стальных изделий путем холодной обработки , горячей прокатки , ковки , механической обработки и т. д. Удаление примесей из чугуна, но оставление 2–4% углерода приводит к получению чугуна , который литейные цеха отливают в такие изделия, как печи, трубы, радиаторы, фонарные столбы и рельсы. ^[120]

Стальные изделия часто подвергаются различным видам термической обработки после ковки. Отжиг заключается в нагревании до 700–800 °C в течение нескольких часов, а затем постепенном охлаждении. Это делает сталь более мягкой и более податливой к обработке. ^[123]

• 
  Эта куча железорудных окатышей будет использоваться в производстве стали.
• 
  Горшок с расплавленным железом, используемый для производства стали.

Из-за экологических проблем были разработаны альтернативные методы обработки железа. « Прямое восстановление железа » восстанавливает железную руду до железистого куска, называемого «губчатым» железом или «прямым» железом, которое пригодно для сталеплавильного производства. ^[109] Процесс прямого восстановления состоит из двух основных реакций:

Природный газ частично окисляется (с помощью тепла и катализатора): ^[109]

2 СН4 ₊ О2 _→ 2 СО + 4 _Н2

Затем железная руда обрабатывается этими газами в печи, в результате чего получается твердое губчатое железо: ^[109]

Fe ₂ O ₃ + CO + 2 H ₂ → 2 Fe + CO ₂ + 2 H ₂ O

Кремний удаляется путем добавления известнякового флюса, как описано выше. ^[109]

При воспламенении смеси алюминиевого порошка и оксида железа в результате термитной реакции образуется металлическое железо :

Fe ₂ O ₃ + 2 Al → 2 Fe + Al ₂ O ₃

Альтернативно, чугун может быть превращен в сталь (с содержанием углерода до 2%) или кованое железо (коммерчески чистое железо). Для этого использовались различные процессы, включая кузнечные печи , пудлинговые печи, бессемеровские конвертеры , мартеновские печи , кислородные печи и электродуговые печи . Во всех случаях цель состоит в том, чтобы окислить часть или весь углерод вместе с другими примесями. С другой стороны, другие металлы могут быть добавлены для изготовления легированных сталей. ^[111]

Электролиз расплавленного оксида (MOE) использует электролиз расплавленного оксида железа для получения металлического железа. Он изучается в лабораторных экспериментах и ​​предлагается как метод промышленного производства железа, который не имеет прямых выбросов углекислого газа. Он использует жидкий железный катод, анод, образованный из сплава хрома, алюминия и железа, ^[124] а электролит представляет собой смесь расплавленных оксидов металлов, в которой растворена железная руда. Ток поддерживает электролит в расплавленном состоянии и восстанавливает оксид железа. В дополнение к жидкому железу производится газообразный кислород. Единственные выбросы углекислого газа происходят от любого ископаемого топлива - вырабатываемого электричества, используемого для нагрева и восстановления металла. ^{[125] [126] [127]}

Железо является наиболее широко используемым из всех металлов, составляя более 90% мирового производства металлов. Его низкая стоимость и высокая прочность часто делают его материалом выбора для выдерживания напряжения или передачи сил, например, при строительстве машин и станков , рельсов , автомобилей , корпусов судов , арматурных стержней для бетона и несущих каркасов зданий. Поскольку чистое железо довольно мягкое, его чаще всего комбинируют с легирующими элементами для производства стали. ^[130]

Механические свойства железа и его сплавов чрезвычайно важны для их структурного применения. Эти свойства можно оценить различными способами, включая тест Бринелля , тест Роквелла и тест на твердость по Виккерсу .

Свойства чистого железа часто используются для калибровки измерений или для сравнения тестов. ^{[129] [131]} Однако механические свойства железа существенно зависят от чистоты образца: чистые монокристаллы железа на самом деле мягче алюминия, ^[128] а самое чистое промышленно производимое железо (99,99%) имеет твердость 20–30 по Бринеллю. ^[132] Чистое железо (99,9%～99,999%), в частности называемое электролитическим железом , производится в промышленных масштабах путем электролитического рафинирования .

Увеличение содержания углерода приведет к значительному повышению твердости и прочности железа на разрыв. Максимальная твердость 65 _Rc достигается при содержании углерода 0,6%, хотя сплав имеет низкую прочность на разрыв. ^[133] Из-за мягкости железа с ним гораздо легче работать, чем с его более тяжелыми сородичами рутением и осмием . ^[17]

α-Железо — довольно мягкий металл, который может растворять только небольшую концентрацию углерода (не более 0,021% по массе при 910 °C). ^[134] Аустенит (γ-железо) также мягкий и металлический, но может растворять значительно больше углерода (до 2,04% по массе при 1146 °C). Эта форма железа используется в типе нержавеющей стали, используемой для изготовления столовых приборов, а также оборудования для больниц и предприятий общественного питания. ^[21]

Коммерчески доступное железо классифицируется на основе чистоты и обилия добавок. Чугун содержит 3,5–4,5% углерода ^[135] и содержит различные количества загрязняющих веществ, таких как сера , кремний и фосфор . Чугун не является товарным продуктом, а скорее промежуточным этапом в производстве чугуна и стали. Уменьшение загрязняющих веществ в чугуне, которые отрицательно влияют на свойства материала, таких как сера и фосфор, дает чугун, содержащий 2–4% углерода, 1–6% кремния и небольшое количество марганца . ^[120] Чугун имеет температуру плавления в диапазоне 1420–1470 К, что ниже, чем у любого из его двух основных компонентов, и делает его первым продуктом, который плавится при совместном нагревании углерода и железа. ^[11] Его механические свойства сильно различаются и зависят от формы, которую углерод принимает в сплаве. ^[17]

«Белые» чугуны содержат углерод в форме цементита , или карбида железа (Fe ₃ C). ^[17] Это твердое, хрупкое соединение доминирует в механических свойствах белых чугунов, делая их твердыми, но неустойчивыми к ударам. Сломанная поверхность белого чугуна полна тонких граней сломанного карбида железа, очень бледного, серебристого, блестящего материала, отсюда и название. Медленное охлаждение смеси железа с 0,8% углерода ниже 723 °C до комнатной температуры приводит к отдельным, чередующимся слоям цементита и α-железа, которое является мягким и ковким и называется перлитом за свой внешний вид. Быстрое охлаждение, с другой стороны, не дает времени для этого разделения и создает твердый и хрупкий мартенсит . Затем сталь можно закалить, повторно нагрев до промежуточной температуры, изменив пропорции перлита и мартенсита. Конечный продукт при содержании углерода ниже 0,8% представляет собой смесь перлита и α-Fe, а при содержании углерода выше 0,8% — смесь перлита и цементита. ^[17]

В сером чугуне углерод существует в виде отдельных мелких чешуек графита , а также делает материал хрупким из-за острых кромок чешуек графита, которые создают места концентрации напряжений внутри материала. ^[136] Более новый вариант серого чугуна, называемый ковким чугуном , специально обрабатывается следовыми количествами магния для изменения формы графита на сфероиды или узелки, что снижает концентрацию напряжений и значительно увеличивает ударную вязкость и прочность материала. ^[136]

Кованое железо содержит менее 0,25% углерода, но большое количество шлака , который придает ему волокнистые свойства. ^[135] Кованое железо более устойчиво к коррозии, чем сталь. Его почти полностью заменила мягкая сталь , которая корродирует быстрее, чем кованое железо, но она дешевле и более широко доступна. Углеродистая сталь содержит 2,0% углерода или меньше, ^[137] с небольшим количеством марганца , серы , фосфора и кремния. Легированные стали содержат различные количества углерода, а также других металлов, таких как хром , ванадий , молибден , никель, вольфрам и т. д. Содержание в них сплавов повышает их стоимость, и поэтому они обычно используются только для специальных целей. Однако одной из распространенных легированных сталей является нержавеющая сталь . Недавние разработки в черной металлургии привели к появлению все большего ассортимента микролегированных сталей, также называемых « HSLA » или высокопрочными низколегированными сталями, содержащими крошечные добавки для получения высокой прочности и часто впечатляющей вязкости при минимальных затратах. ^{[137] [138] [139]}

Сплавы с высокочистым элементным составом (например, сплавы электролитического железа ) обладают особенно улучшенными свойствами, такими как пластичность , прочность на разрыв , ударная вязкость , усталостная прочность , жаропрочность и коррозионная стойкость.

Помимо традиционных применений, железо также используется для защиты от ионизирующего излучения. Хотя оно легче другого традиционного защитного материала, свинца , оно гораздо прочнее механически. ^[140]

Главным недостатком железа и стали является то, что чистое железо и большинство его сплавов сильно страдают от ржавчины , если не защищены каким-либо образом, что составляет более 1% от мировой экономики. ^[141] Окраска , гальванизация , пассивация , пластиковое покрытие и воронение используются для защиты железа от ржавчины путем исключения воды и кислорода или катодной защиты . Механизм ржавления железа следующий: ^[141]

Катод: 3 O ₂ + 6 H ₂ O + 12 e ⁻ → 12 OH ⁻

Анод: 4 Fe → 4 Fe ²⁺ + 8 e ⁻ ; 4 Fe ²⁺ → 4 Fe ³⁺ + 4 e ⁻

В целом: 4 Fe + 3 O ₂ + 6 H ₂ O → 4 Fe ³⁺ + 12 OH ⁻ → 4 Fe(OH) ₃ или 4 FeO(OH) + 4 H ₂ O

Электролитом обычно является сульфат железа (II) в городских районах (образуется, когда атмосферный диоксид серы атакует железо), а также частицы соли в атмосфере в приморских районах. ^[141]

Поскольку Fe недорогой и нетоксичный, много усилий было направлено на разработку катализаторов и реагентов на основе Fe . Однако железо менее распространено в качестве катализатора в коммерческих процессах, чем более дорогие металлы. ^[142] В биологии ферменты, содержащие Fe, широко распространены. ^[143]

Железные катализаторы традиционно используются в процессе Габера-Боша для производства аммиака и в процессе Фишера-Тропша для преобразования оксида углерода в углеводороды для топлива и смазочных материалов. ^[144] Порошковое железо в кислой среде используется в восстановлении Бешампа , превращении нитробензола в анилин . ^[145]

Оксид железа (III), смешанный с алюминиевым порошком, может быть воспламенен для создания термитной реакции , используемой при сварке крупных железных деталей (например, рельсов ) и очистке руд. Оксид железа (III) и оксигидроксид используются в качестве красноватых и охристых пигментов .

Хлорид железа (III) находит применение в очистке воды и сточных вод , при окраске тканей, в качестве красителя в красках, как добавка в корм для животных и как травитель для меди при производстве печатных плат . ^[146] Его также можно растворить в спирте для образования настойки железа, которая используется в качестве лекарства для остановки кровотечения у канареек . ^[147]

Сульфат железа (II) используется в качестве предшественника других соединений железа. Он также используется для снижения содержания хромата в цементе. Он используется для обогащения продуктов питания и лечения железодефицитной анемии . Сульфат железа (III) используется для осаждения мелких частиц сточных вод в воде резервуара. Хлорид железа (II) используется в качестве восстанавливающего флокулянта, при образовании комплексов железа и магнитных оксидов железа, а также в качестве восстанавливающего агента в органическом синтезе. ^[146]

Нитропруссид натрия — препарат, используемый в качестве сосудорасширяющего средства . Он входит в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . ^[148]

Железо необходимо для жизни. ^{[10] [149] [150]} Железо -серные кластеры широко распространены и включают нитрогеназу , ферменты, ответственные за биологическую фиксацию азота . Железосодержащие белки участвуют в транспортировке, хранении и использовании кислорода. ^[10] Железосодержащие белки участвуют в переносе электронов . ^[151]

Примерами железосодержащих белков в высших организмах являются гемоглобин, цитохром (см. высоковалентное железо ) и каталаза . ^{[10] [152]} Средний взрослый человек содержит около 0,005% веса тела железа, или около четырех граммов, из которых три четверти находятся в гемоглобине — уровень, который остается постоянным, несмотря на то, что только около одного миллиграмма железа усваивается каждый день, ^[151] потому что организм человека перерабатывает свой гемоглобин для содержания железа. ^[153]

Росту микроорганизмов может способствовать окисление железа (II) или восстановление железа (III). ^[154]

Получение железа представляет собой проблему для аэробных организмов, поскольку трехвалентное железо плохо растворяется при pH, близком к нейтральному. Таким образом, эти организмы выработали средства для поглощения железа в виде комплексов, иногда поглощая двухвалентное железо перед тем, как окислить его обратно до трехвалентного железа. ^[10] В частности, бактерии выработали очень высокоаффинные секвестрирующие агенты, называемые сидерофорами . ^{[155] [156] [157]}

После поглощения в клетках человека , хранение железа точно регулируется. ^{[10] [158]} Основным компонентом этой регуляции является белок трансферрин , который связывает ионы железа, поглощенные из двенадцатиперстной кишки , и переносит их в крови к клеткам. ^{[10] [159]} Трансферрин содержит Fe ³⁺ в середине искаженного октаэдра, связанный с одним азотом, тремя кислородами и хелатирующим карбонатным анионом, который улавливает ион Fe ³⁺ : он имеет такую ​​высокую константу стабильности , что он очень эффективен при поглощении ионов Fe ³⁺ даже из самых стабильных комплексов. В костном мозге трансферрин восстанавливается из Fe ³⁺ в Fe ²⁺ и хранится в виде ферритина для включения в гемоглобин. ^[151]

Наиболее известными и изученными бионеорганическими соединениями железа (биологическими молекулами железа) являются гем-протеины : примерами являются гемоглобин , миоглобин и цитохром P450 . ^[10] Эти соединения участвуют в транспортировке газов, построении ферментов и переносе электронов . ^[151] Металлопротеины представляют собой группу белков с кофакторами ионов металлов . Некоторые примеры железосодержащих металлопротеинов — ферритин и рубредоксин . ^[151] Многие жизненно важные ферменты содержат железо, такие как каталаза , ^[160] липоксигеназы , ^[161] и IRE-BP . ^[162]

Гемоглобин является переносчиком кислорода, который содержится в эритроцитах и ​​придает им цвет, транспортируя кислород по артериям из легких в мышцы, где он переносится в миоглобин , который хранит его до тех пор, пока он не понадобится для метаболического окисления глюкозы , вырабатывая энергию. ^[10] Здесь гемоглобин связывается с углекислым газом , образующимся при окислении глюкозы, который транспортируется гемоглобином по венам (преимущественно в виде анионов бикарбоната ) обратно в легкие, где он выдыхается. ^[151] В гемоглобине железо находится в одной из четырех гемовых групп и имеет шесть возможных координационных мест: четыре заняты атомами азота в порфириновом кольце, пятое — имидазольным азотом в остатке гистидина одной из белковых цепей, присоединенных к гемовой группе, а шестое зарезервировано для молекулы кислорода, с которой оно может обратимо связываться. ^[151] Когда гемоглобин не присоединен к кислороду (и тогда называется дезоксигемоглобином), ион Fe ²⁺ в центре гемовой группы (в гидрофобной белковой внутренней части) находится в высокоспиновой конфигурации . Таким образом, он слишком велик, чтобы поместиться внутри порфиринового кольца, которое вместо этого изгибается в купол с ионом Fe ²⁺ примерно в 55 пикометрах над ним. В этой конфигурации шестой координационный участок, зарезервированный для кислорода, блокируется другим остатком гистидина. ^[151]

Когда дезоксигемоглобин захватывает молекулу кислорода, этот остаток гистидина перемещается и возвращается, как только кислород надежно прикреплен, чтобы сформировать с ним водородную связь . Это приводит к тому, что ион Fe2 ⁺ переключается в низкоспиновую конфигурацию, что приводит к уменьшению ионного радиуса на 20%, так что теперь он может вписаться в порфириновое кольцо, которое становится плоским. ^[151] Кроме того, эта водородная связь приводит к наклону молекулы кислорода, что приводит к углу связи Fe–O–O около 120°, что позволяет избежать образования мостиков Fe–O–Fe или Fe–O2 _– Fe, которые привели бы к переносу электронов, окислению Fe2 ⁺ до Fe3 ⁺ и разрушению гемоглобина. Это приводит к перемещению всех белковых цепей, что приводит к изменению формы других субъединиц гемоглобина на форму с большим сродством к кислороду. Таким образом, когда дезоксигемоглобин захватывает кислород, его сродство к большему количеству кислорода увеличивается, и наоборот. ^[151] Миоглобин, с другой стороны, содержит только одну гемовую группу, и, следовательно, этот кооперативный эффект не может возникнуть. Таким образом, в то время как гемоглобин почти насыщен кислородом при высоких парциальных давлениях кислорода, обнаруженных в легких, его сродство к кислороду намного ниже, чем у миоглобина, который оксигенируется даже при низких парциальных давлениях кислорода, обнаруженных в мышечной ткани. ^[151] Как описано эффектом Бора (названным в честь Христиана Бора , отца Нильса Бора ), сродство гемоглобина к кислороду уменьшается в присутствии углекислого газа. ^[151]

Окись углерода и трехфтористый фосфор ядовиты для человека, поскольку они связываются с гемоглобином подобно кислороду, но с гораздо большей силой, так что кислород больше не может транспортироваться по всему организму. Гемоглобин, связанный с окисью углерода, известен как карбоксигемоглобин . Этот эффект также играет незначительную роль в токсичности цианида , но там основным эффектом является его вмешательство в правильное функционирование белка переноса электронов цитохрома a . ^[151] Цитохромные белки также включают гемовые группы и участвуют в метаболическом окислении глюкозы кислородом. Шестое координационное место затем занимает либо другой имидазольный азот, либо метиониновая сера, так что эти белки в значительной степени инертны к кислороду — за исключением цитохрома a, который связывается непосредственно с кислородом и, таким образом, очень легко отравляется цианидом. ^[151] Здесь перенос электронов происходит, поскольку железо остается в низкоспиновом состоянии, но изменяется между степенями окисления +2 и +3. Поскольку восстановительный потенциал каждого шага немного больше, чем предыдущего, энергия высвобождается шаг за шагом и, таким образом, может быть сохранена в аденозинтрифосфате . Цитохром a немного отличается, так как он находится на митохондриальной мембране, напрямую связывается с кислородом и переносит протоны, а также электроны, следующим образом: ^[151]

4 Цит ²⁺ + О ₂ + 8Н⁺
_внутри→ 4 Цит ³⁺ + 2 Н ₂ О + 4Н⁺
_{снаружи}

Хотя гем-протеины являются наиболее важным классом железосодержащих протеинов, железо-серные протеины также очень важны, поскольку участвуют в переносе электронов, что возможно, поскольку железо может стабильно существовать в состояниях окисления +2 или +3. Они имеют один, два, четыре или восемь атомов железа, каждый из которых приблизительно тетраэдрически координирован с четырьмя атомами серы; из-за этой тетраэдрической координации они всегда имеют высокоспиновое железо. Самым простым из таких соединений является рубредоксин , который имеет только один атом железа, координированный с четырьмя атомами серы из остатков цистеина в окружающих пептидных цепях. Другой важный класс железо-серных протеинов — ферредоксины , которые имеют несколько атомов железа. Трансферрин не принадлежит ни к одному из этих классов. ^[151]

Способность морских мидий удерживать сцепление со скалами в океане обеспечивается использованием ими металлоорганических железных связей в их богатых белком кутикулах . На основе синтетических реплик, присутствие железа в этих структурах увеличило модуль упругости в 770 раз, прочность на разрыв в 58 раз и прочность в 92 раза. Количество напряжения, необходимое для их постоянного повреждения, увеличилось в 76 раз. ^[164]

Железо широко распространено, но особенно богатыми источниками пищевого железа являются красное мясо , устрицы , бобы , птица , рыба , листовые овощи , кресс-салат , тофу и патока . ^[10] Хлеб и сухие завтраки иногда специально обогащаются железом. ^{[10] [165]}

Железо, поставляемое диетическими добавками, часто встречается в виде фумарата железа (II) , хотя сульфат железа (II) дешевле и усваивается так же хорошо. ^[146] Элементарное железо, или восстановленное железо, несмотря на то, что усваивается всего на одну треть или две трети эффективности (по сравнению с сульфатом железа), ^[166] часто добавляется в такие продукты, как хлопья для завтрака или обогащенная пшеничная мука. Железо наиболее доступно для организма, когда хелатировано аминокислотами ^[167] и также доступно для использования в качестве обычной добавки железа . Глицин , наименее дорогая аминокислота, чаще всего используется для производства добавок глицината железа. ^[168]

Институт медицины США (IOM) обновил Оценочные средние потребности (EAR) и Рекомендуемые диетические нормы (RDA) для железа в 2001 году. ^[10] Текущая EAR для железа для женщин в возрасте 14–18 лет составляет 7,9 мг/день, 8,1 мг/день для возраста 19–50 лет и 5,0 мг/день в дальнейшем (постменопауза). Для мужчин EAR составляет 6,0 мг/день для возраста 19 лет и старше. RDA составляет 15,0 мг/день для женщин в возрасте 15–18 лет, 18,0 мг/день для возраста 19–50 лет и 8,0 мг/день в дальнейшем. Для мужчин 8,0 мг/день в возрасте 19 лет и старше. RDA выше, чем EAR, чтобы определить количество, которое будет покрывать людей с более высокими, чем средние, потребностями. RDA для беременности составляет 27 мг/день, а для лактации — 9 мг/день. ^[10] Для детей в возрасте от 1 до 3 лет — 7 мг/день, 10 мг/день для возраста от 4 до 8 лет и 8 мг/день для возраста от 9 до 13 лет. Что касается безопасности, IOM также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда имеются достаточные доказательства. В случае железа UL установлен на уровне 45 мг/день. В совокупности EAR, RDA и UL называются диетическими референтными нормами потребления . ^[169]

Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет коллективный набор информации Диетическими референтными значениями, с Референтным потреблением населения (PRI) вместо RDA и Средней потребностью вместо EAR. AI и UL определяются так же, как в Соединенных Штатах. Для женщин PRI составляет 13 мг/день в возрасте 15–17 лет, 16 мг/день для женщин в возрасте 18 лет и старше, находящихся в пременопаузе, и 11 мг/день в постменопаузе. Для беременности и лактации 16 мг/день. Для мужчин PRI составляет 11 мг/день в возрасте 15 лет и старше. Для детей в возрасте от 1 до 14 лет PRI увеличивается с 7 до 11 мг/день. PRI выше, чем RDA в США, за исключением беременности. ^[170] EFSA рассмотрело тот же вопрос безопасности, но не установило UL. ^[171]

Младенцам могут потребоваться добавки железа, если их кормят коровьим молоком из бутылочки. ^[172] Те, кто часто сдает кровь, подвержены риску низкого уровня железа, и им часто рекомендуют принимать добавки железа. ^[173]

Для маркировки пищевых продуктов и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от суточной нормы (%DV). Для маркировки железа 100% суточной нормы составляли 18 мг, и по состоянию на 27 мая 2016 года ^{[обновлять]}оставались неизменными на уровне 18 мг. ^{[174] [175]} Таблица старых и новых суточных норм для взрослых приведена в Reference Daily Intake .

Дефицит железа является наиболее распространенным дефицитом питательных веществ в мире. ^{[10] [176] [177] [178]} Когда потеря железа не компенсируется адекватным потреблением железа с пищей, возникает состояние латентного дефицита железа , которое со временем приводит к железодефицитной анемии, если ее не лечить, которая характеризуется недостаточным количеством эритроцитов и недостаточным количеством гемоглобина. ^[179] Дети, женщины в пременопаузе (женщины детородного возраста) и люди с плохим питанием наиболее восприимчивы к заболеванию. Большинство случаев железодефицитной анемии являются легкими, но если ее не лечить, могут возникнуть такие проблемы, как учащенное или нерегулярное сердцебиение, осложнения во время беременности и задержка роста у младенцев и детей. ^[180]

Мозг устойчив к острому дефициту железа из-за медленного транспорта железа через гематоэнцефалический барьер. ^[181] Острые колебания уровня железа (отмеченные уровнем ферритина в сыворотке) не отражают уровень железа в мозге, но предполагается, что длительный дефицит железа в питании со временем снижает концентрацию железа в мозге. ^{[182] [183]} ​​В мозге железо играет роль в транспорте кислорода, синтезе миелина, митохондриальном дыхании и является кофактором для синтеза и метаболизма нейротрансмиттеров. ^[184] Животные модели дефицита железа в питании сообщают о биомолекулярных изменениях, напоминающих те, которые наблюдаются при болезнях Паркинсона и Хантингтона. ^{[185] [186]} Однако возрастное накопление железа в мозге также было связано с развитием болезни Паркинсона. ^[187]

Поглощение железа жестко регулируется человеческим организмом, который не имеет регулируемых физиологических средств выделения железа. Только небольшое количество железа теряется ежедневно из-за отшелушивания эпителиальных клеток слизистой оболочки и кожи, поэтому контроль уровня железа в первую очередь достигается путем регулирования поглощения. ^[188] Регуляция поглощения железа нарушена у некоторых людей в результате генетического дефекта , который отображается в области гена HLA-H на хромосоме 6 и приводит к аномально низким уровням гепсидина , ключевого регулятора поступления железа в кровеносную систему у млекопитающих. ^[189] У этих людей чрезмерное потребление железа может привести к расстройствам перегрузки железом , известным в медицине как гемохроматоз . ^[10] Многие люди имеют недиагностированную генетическую восприимчивость к перегрузке железом и не знают о семейной истории этой проблемы. По этой причине людям не следует принимать добавки железа, если они не страдают дефицитом железа и не проконсультировались с врачом. По оценкам, гемохроматоз является причиной 0,3–0,8% всех метаболических заболеваний у европеоидной расы. ^[190]

Передозировка потребляемого железа может привести к чрезмерному уровню свободного железа в крови. Высокий уровень свободного двухвалентного железа в крови реагирует с перекисями , образуя высокореактивные свободные радикалы , которые могут повредить ДНК , белки , липиды и другие клеточные компоненты. Токсичность железа возникает, когда клетка содержит свободное железо, что обычно происходит, когда уровень железа превышает доступность трансферрина для связывания железа. Повреждение клеток желудочно-кишечного тракта также может помешать им регулировать всасывание железа, что приводит к дальнейшему повышению уровня железа в крови. Железо обычно повреждает клетки в сердце , печени и других местах, вызывая неблагоприятные эффекты, которые включают кому , метаболический ацидоз , шок , печеночную недостаточность , коагулопатию , долгосрочное повреждение органов и даже смерть. ^[191] Люди испытывают токсичность железа, когда уровень железа превышает 20 миллиграммов на каждый килограмм массы тела; 60 миллиграммов на килограмм считаются смертельной дозой . ^[192] Чрезмерное потребление железа, часто возникающее в результате употребления детьми большого количества таблеток сульфата железа , предназначенных для взрослых, является одной из наиболее распространенных токсикологических причин смерти у детей в возрасте до шести лет. ^[192] Диетическая рекомендуемая норма потребления (DRI) устанавливает допустимый верхний уровень потребления (UL) для взрослых на уровне 45 мг/день. Для детей в возрасте до четырнадцати лет UL составляет 40 мг/день. ^[193]

Медицинское лечение отравления железом является сложным и может включать использование специального хелатирующего агента, называемого дефероксамином, для связывания и выведения избытка железа из организма. ^{[191] [194] [195]}

Некоторые исследования показали, что низкий уровень таламического железа может играть роль в патофизиологии СДВГ . ^[196] Некоторые исследователи обнаружили, что добавки железа могут быть эффективными, особенно при невнимательном подтипе расстройства. ^[197]

Некоторые исследователи в 2000-х годах предположили связь между низким уровнем железа в крови и СДВГ. Исследование 2012 года не обнаружило такой корреляции. ^[198]

Роль железа в защите от рака можно описать как «палку о двух концах» из-за его повсеместного присутствия в непатологических процессах. ^[199] У людей, проходящих химиотерапию, может развиться дефицит железа и анемия , для восстановления уровня железа в организме используется внутривенная терапия железом . ^[200] Перегрузка железом, которая может возникнуть из-за большого потребления красного мяса, ^[10] может инициировать рост опухоли и повысить восприимчивость к началу рака, ^[200] особенно колоректального рака . ^[10]

Железо играет важную роль в морских системах и может выступать в качестве ограничивающего питательного вещества для планктонной активности. ^[201] Из-за этого слишком большое снижение железа может привести к снижению темпов роста фитопланктонных организмов, таких как диатомовые водоросли. ^[202] Железо также может окисляться морскими микробами в условиях с высоким содержанием железа и низким содержанием кислорода. ^[203]

Железо может попадать в морские системы через прилегающие реки и напрямую из атмосферы. Как только железо попадает в океан, оно может распределяться по всей толще воды через смешивание океана и через рециркуляцию на клеточном уровне. ^[204] В Арктике морской лед играет важную роль в хранении и распределении железа в океане, истощая океаническое железо, когда оно замерзает зимой, и высвобождая его обратно в воду, когда летом происходит таяние. ^[205] Круговорот железа может изменять формы железа от водных до частиц, изменяя доступность железа для первичных производителей. ^[206] Увеличение света и тепла увеличивает количество железа, которое находится в формах, которые могут использоваться первичными производителями. ^[207]

• К экономически важным месторождениям железа относятся:
  • Рудник Каражас в штате Пара, Бразилия, считается крупнейшим месторождением железа в мире.
  • Эль-Мутун в Боливии, где находится 10% доступных в мире запасов железной руды.
  • Бассейн Хамерсли — крупнейшее месторождение железной руды в Австралии .
  • Киирунаваара в Швеции, где находится одно из крупнейших в мире месторождений железной руды
  • Район добычи железной руды Месаби является основным районом добычи железной руды в США.
• Металлургическая промышленность
• Цикл железа
• Наночастица железа
• Наночастица железа и платины
• Удобрение железом – предлагаемое удобрение океанов для стимуляции роста фитопланктона.
• Бактерии, окисляющие железо
• Список стран по производству железа
• Гранулирование – процесс создания железорудных окатышей
• Нержавеющее железо
• Сталь