Vas

kémiai elem, rendszáma 26, vegyjele Fe

A vas fémes tulajdonságú kémiai elem, rendszáma a periódusos rendszerben 26, atomtömege 55,845 g/mol. A vegyjele Fe, ami a latin ferrum szóból ered, nyelvújításkori neve vasany.[1] Elemi állapotban szürkésfehér, szívós, jól alakítható fém. A földkéreg 4,8% vasat tartalmaz különböző vegyületek alakjában, elemi vas a természetben nem található (eltekintve a meteoritvastól). Az elemek közül ennél több csak oxigénből, szilíciumból és alumíniumból van. A vas ipari fontosságú elem. Érceiből redukálással állítják elő. Először a nyersvasgyártási eljárással nyersvasat, öntészeti célra öntöttvasat, az acélgyártás műveleteivel acélt állítanak elő.

26 mangánvaskobalt
-

Fe

Ru
   
               
               
                                 
                                   
                                                               
                                                               
   
26
Fe
Általános
Név, vegyjel, rendszám vas, Fe, 26
Latin megnevezés ferrum
Elemi sorozat átmenetifémek
Csoport, periódus, mező 8, 4, d
Megjelenés csillogó fémes
szürkés árnyalattal
Atomtömeg 55,845(2)  g/mol
Elektronszerkezet [Ar] 3d6 4s²
Elektronok héjanként 2, 8, 14, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 7,874 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on 6,98 g/cm³
Olvadáspont 1811 K
(1538 °C, 2800 °F)
Forráspont 3134 K
(2861 °C, 5182 °F)
Olvadáshő 13,81 kJ/mol
Párolgáshő 340 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 25,10 J/(mol·K)
Gőznyomás
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T/K 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet köbös tércentrált
Oxidációs szám 2, 3, 4, 6
(amfoter oxid)
Elektronegativitás 1,83 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 762,5 kJ/mol
2.: 1561,9 kJ/mol
3.: 2957 kJ/mol
Atomsugár 140 pm
Atomsugár (számított) 156 pm
Kovalens sugár 125 pm
Egyebek
Mágnesség ferromágneses
Fajlagos ellenállás (20 °C) 96,1 nΩ·m
Hőmérséklet-vezetési tényező (300 K) 80,4 W/(m·K)
Hőtágulási együttható (25 °C) 11,8 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (szobahőm.) (electrolitikus)
5120 m/s
Young-modulus 211 GPa
Nyírási modulus 82 GPa
Kompressziós modulus 170 GPa
Poisson-tényező 0,29
Mohs-keménység 4,0
Vickers-keménység 608 MPa
Brinell-keménység 490 HB
CAS-szám 7439-89-6
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A vas izotópjai
izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás
mód energia (MeV) termék
54Fe 5,8% >3,1E22 év kettős elektronbef. ? 54Cr
55Fe mest. 2,73 év elektronbef. 0,231 55Mn
56Fe 91,72% Fe stabil 30 neutronnal
57Fe 2,2% Fe stabil 31 neutronnal
58Fe 0,28% Fe stabil 32 neutronnal
59Fe mest. 44,503 d β 1,565 59Co
60Fe mest. 1,5E6 y β- 3,978 60Co
Hivatkozások

Tulajdonságai

szerkesztés
  • Elemekkel:
    • Oxigénnel:  
    • Halogénekkel (Cl, Br, I) is Fe3+ ionná oxidálódva pl. FeCl3 vagy FeBr3 halogenideket alkot, jóddal +2-ig oxidálódik (az FeI3 instabil, mg-os mennyiségben előállítható fekete anyag).
    • Kénnel (S) csak Fe2+(ferro-) ionná oxidálódik mert a kén nem annyira oxidatív, azonban nem FeS hanem FeS2 sztöchiometriai összetételű pirit képződik.
  • Vízzel nem reagál, ha az oxigénmentes, desztillált víz, de ha a vízben van oldott oxigén, akkor rozsda (FeO(OH) vagy Fe(OH)3·Fe2O3) keletkezik.
  • Savakkal:
    • A híg szervetlen savak (HCl, HNO3…) mind reagálnak vele, kénsavval és sósavval csak +2-ig oxidálódik, de így nem stabil, lassan (hetek, hónapok alatt) alakul át Fe3+ (ferri-) vegyületekké.
    • A tömény szervetlen savak passziválják, védőréteg alakul ki a felszínén, ami megakadályozza a további reakciót (a HCl csak vízmentesen passziválja), ezért a tömény savakat vastartályban lehet szállítani.
    • A híg szerves savak (CH3COOH, C3H4(OH)(COOH)3...) lassan, de oldják. Közben hidrogén gáz fejlődik.
  • Lúgokkal nem reagál, nem amfoter fém.
  • A pozitívabb standard elektródpotenciálú fémeket redukálni tudja, sóikban a helyüket átveszi.

A vas levegőn csak magas hőmérsékleten (1250 K) oxidálódik. Ekkor vas(II)-vas(III)-oxid (FeO, Fe2O3) keletkezik. A száraz klórgáz és a cseppfolyós klór közönséges körülmények között a vasat nem támadja meg, ezért hozható a klór vaspalackokban forgalomba. Viszont víznyomok jelenlétében a vas már szobahőmérsékleten is reagál a klórral. A jód 100 °C-on reagál a vassal. Ekkor a vas vas(II)-jodiddá (FeI2) oxidálódik. Hevítés hatására kénnel és foszforral is reakcióba lép, nitrogénnel azonban magas hőmérsékleten sem reagál. Finom eloszlású por alakban, oxigén jelenlétében öngyulladásra hajlamos (pirofóros vas).

Kémiai tulajdonságai

szerkesztés

Vegyületeiben főként A Fe2+ ion-vegyületek zöld színűek, az aniontól függően, de ezek a sók nem stabilak, levegőn átalakulnak sárga színű Fe3+ vegyületekké. A kettős szulfátok stabilabbak – például a Mohr-só, ennek képlete Fe(NH4)2(SO4)2 –, de levegőn lassan ezek is oxidálódnak. A vas(III)-oxalát ellenben fény hatására vas(II)-oxaláttá alakul (Fe2(C2O4)3 → 2 Fe(COO)2+2 CO2).

A Fe2+ iont tartalmazó vas(II)-vegyületek redukáló tulajdonságúak (legerősebben lúgos közegben), könnyen oxidálódnak stabilabb vas(III)-vegyületekké. Bár a vas oxidációs száma vegyületeiben leggyakrabban +2 vagy +3, egyes ritka vegyületeiben (a ferrátokban) a vas oxidációs száma +6 is lehet.

Reakcióképessége miatt kísérő elemeitől nehezen, hosszadalmas laboratóriumi műveletekkel is csak részben sikerül megtisztítani. A színvasnak minősíthető fém is csak mintegy 99,998% Fe-t tartalmaz; ezt főleg kísérleti célokra használják. Ipari célra – amennyiben tiszta vasra van szükség – nem ennyire tiszta, hanem gazdaságosabban előállítható vasfajtákat használnak, például az elektrolitvasat, vagy a túloxidálással készült Armco-vasat.

Fizikai tulajdonságai

szerkesztés

A vas 1538 °C-on olvad. Az olvadt vas hűlés közben ugyanezen a hőmérsékleten szabályos rendszerbeli, térben középpontos kockarácsú (térközepes köbös) kristályokká dermed; a kockarács élei 0,293 nm hosszúak. További hűlés során a kristályszerkezet megváltozik az A4 = 1394 °C hőmérsékleten: felületen középpontos (lapcentrált) rácsúak lesznek, a rácselem élei 0,368 nm-re változnak. Miközben az acél tovább hűl, A3 = 912 °C hőmérsékleten a kristályok ismét térben középpontos kockarácsúak lesznek, a rácselem mérete 0,29 nm. Ezután több átalakulásra már nem kerül sor; szobahőmérsékleten a vas szintén tércentrált kockarácsú, csupán az élei rövidülnek meg 0,286 nm-re a zsugorodás miatt.

A vasnak tehát három kristályos módosulata van: 1538 és 1394 °C között a δ-vas, 1394 és 912 °C között a γ-vas, 912 °C-nál kisebb hőmérsékleten pedig az α-vas állandó. Látható, hogy az α(δ)- és az α-vas azonos rácsszerkezetű, csupán a rácselemük méretében különböznek egymástól, ami pedig a hőtágulással magyarázható (ebből adódik jelzésük egyezősége is). Régebben megkülönböztették a β-vasat is, de ez csak a mágnesezhetőség határát (762 °C) jelölte, nem külön módosulat. Fontos megjegyezni, hogy a vas módosulatainak a sűrűsége (fajtérfogata) különböző. Ennek az az oka, hogy az α-vas kockarácsában a vasatomok nem olyan szorosan helyezkednek el, mint a γ-vaséban.

A vas legfontosabb ötvözete az acél, ami ötvözőként szenet és más ötvözőelemeket tartalmaz. Az ötvözők, de a szándék nélkül vasba került többi elem hatására is, az acél keményebbé, szilárdabbá – bizonyos határon túl pedig akár rideggé is – válik.

A vas az elektromosságot és a hőt közepesen vezeti, és mágnesezhető. A vason kívül csak két másik fémes elem, a kobalt és a nikkel mágnesezhető.

A vas gőznyomása[2]

állapot T p
K °C atm Pa
alfa 298,15 25 1,65E-65 1,672E-60
300 27 4,65E-65 4,712E-60
400 127 5,65E-47 5,725E-42
500 227 3,96E-36 4,012E-31
600 327 6,61E-29 6,698E-24
700 427 9,32E-24 9,443E-19
800 527 6,62E-20 6,708E-15
900 627 6,40E-17 6,485E-12
1000 727 1,52E-14 1,540E-09
1100 827 1,29E-12 1,307E-07
alfa 1185 912 3,06E-11 3,101E-06
gamma 1185 912 3,06E-11 3,101E-06
1200 927 5,10E-11 5,168E-06
1220 947 1,00E-10 1,013E-05
1296 1023 1,00E-09 1,013E-04
1300 1027 1,12E-09 1,135E-04
1382 1109 1,00E-08 1,013E-03
1400 1127 1,58E-08 1,601E-03
1480 1207 1,00E-07 1,013E-02
1500 1227 1,55E-07 0,016
1593 1320 1,00E-06 0,101
1600 1327 1,13E-06 0,114
gamma 1667 1394 3,75E-06 0,380
delta 1667 1394 3,75E-06 0,380
1700 1427 6,51E-06 0,660
1726 1453 1,00E-05 1,013
1800 1527 3,05E-05 3,090
delta 1811 1538 3,58E-05 3,627
folyadék 1811 1538 3,58E-05 3,627
1888 1615 1,00E-04 10,13
2000 1727 3,78E-04 38,30
2091 1818 1,00E-03 101,32
2200 1927 2,87E-03 290,80
2346 2073 1,00E-02 1013,25
2400 2127 1,53E-02 1550,27
2600 2327 6,17E-02 6251,75
2678 2405 1,00E-01 10132,50
2800 2527 2,01E-01 20366,32
3000 2727 5,53E-01 56032,72
3110 2837 1,00E+00 101325,00
folyadék 3200 2927 1,33E+00 134559,60

Az adatok az elemi állapotú vasra vonatkoznak. Ipari célokra szénacélt, illetve öntöttvasat gyártanak, amelyeknek alacsonyabb az olvadáspontja (az oldatok fagyáspontcsökkenésének törvénye szerint). A ledeburit például 4,3%-os összetételű eutektikuma a vasnak és a szénnek (azaz: 66% vaskarbidnak) 1147 °C-os olvadásponttal. Ezen a hőmérsékleten az elemi vas még szilárd halmazállapotú.

Spektrumvonalának hullámhossza 617,3 nm.[3]

Előállítása

szerkesztés

Története

szerkesztés

A sumer nyelvben már megjelenik a vasat jelentő szó AN.BAR formában. Jellemző módon az összetétel eleje (AN) az égre utal, a BAR pedig egy sok jelentésű szó. A szó szerinti fordítása valószínűleg „égi fém”, amely arra utal, hogy először a meteoritvassal ismerkedtek meg Mezopotámiában (ahol nincsenek érclelőhelyek). A vasat valószínűleg az ókori Anatóliában vagy a Kaukázusban kezdték el nagy mennyiségben felhasználni az i. e. 2. évezredben. A legrégebbi vasszerszámot a Kheopsz-piramisnál folytatott ásatásoknál találták. Annak, hogy fennmaradt, a sivatagi száraz klíma lehet a magyarázata. Arról nincs pontos tudásunk, hogy mikor és hogyan nyerték ki a vasat először vasércből. A felfedezést feltehetően egy tűzbe került vasércdarabon kialakuló változás megfigyelése indította el. Az első „kohók” széljárta helyeken kapart kis gödrök voltak, amelyekben faszénnel kevert vasércet izzítottak. A vasérc redukálódott, azaz oxigéntartalma eltávozott, visszamaradt a vas, amiről a salakot kovácsolással el lehetett távolítani, az acélszerű terméket pedig fel lehetett használni.

Előfordulása

szerkesztés

A nehézfémek közül a természetben a vas a legelterjedtebb. A csillagok energiatermelési folyamatai során ugyanis, mint a könnyű atomok egyesülésének energetikai végállomásaként, a szupernovákból kidobódó 56-os tömegszámú nikkel és a belőle rövid felezési idő után létrejövő vas végtermékként, „hulladékként” jelenik meg. Ezért a vas gyakori mind a meteoritokban, mind pedig a Föld-típusú bolygók magjában, rendszerint valamennyi nikkel kíséretében.[4]

A vas a talajban különböző ásványok kristályrácsában, így a csillámokban, augitban, olivinben és biotitban található. Az adszorpciós komplexuson is megkötődhet Fe2+-, Fe3+-, vagy Fe(OH)2+-, Fe(OH)2+-ion formában. A talaj oldható Fe-tartalma általában kicsi, a pH csökkenésével növekszik, és csak erősen savanyú talajokban, pl. podzolokban jelentős mennyiségű. A Fe mozgékonysága a savanyú talajokban jó. Ennek következtében a feltalaj oldható Fe-tartalma a mélyebb rétegekbe mosódik, ott kicsapódik. A kelátok a vasat megvédik a kicsapástól, a vaskelátok oldatban maradnak. A Fe mozgékonyságát a talajban nagymértékben befolyásolják az oxidációs, redukciós viszonyok. A Fe3+-ionok csak pH = 3 alatt stabilak, e fölött kicsapódnak, míg a Fe2+-ionok csak a semleges pont közelében csapódnak ki vas-hidroxid formájában. Az oxidáció a redox potenciál növekedésével fokozódik, és ennek következtében a Fe kicsapódása is nagyobb mérvű. A redox potenciál függ a pH-értéktől, növekvő pH-értékkel csökken, ezért a Fe oldhatósága annál kisebb, minél nagyobb a talaj pH-értéke. Mésztartalmú talajokon a növények Fe-ellátása ennek következtében veszélyeztetett. A Fe2+ ↔ Fe3+ átalakulás természetesen a talaj szellőzöttségétől is függ. A pangó víz elősegíti a redukciót. A kétértékű vas aránya a mélyebb talajrétegekben egyre nagyobb.

Élettani szerepe

szerkesztés

Növények

szerkesztés

A növények számára elsősorban azért fontos, mert a fotoszintézis kulcsvegyületének, a klorofill bioszintézisében alapvető szerepet játszik, de a klorofillnak nem alkotója.

A vas egyébként nemcsak a klorofill bioszintéziséhez szükséges, de komponense nagyon sok fontos növényi enzim-rendszernek: a citokróm-oxidáz például az elektrontranszportért felelős. Vas a fő komponense a ferredoxinnak, amely a nitrátok és a szulfátok redukciójában játszik szerepet. Részt vesz a vas a NADP képződésében, tehát az energialáncban, továbbá az elemi nitrogén kémiai megkötését végző nitrogenáz molekula – a molibdénen kívül – fő komponensként vasatomokat tartalmaz.

A fontosabb vastartalmú enzimek (egy kivételével mind az oxido-reduktázok csoportjába tartoznak, ezen belül is döntő többségük a molekuláris oxigén, illetőleg hidrogén-peroxid átalakulásával kapcsolatban végzi tevékenységét): glutamát-szintetáz, ferredoxin-nitrát-reduktáz, szulfit-reduktáz (NADPH), citokróm-peroxidáz, kataláz, peroxidáz, lipoxigenázok, hidrogenáz.

A növényi levelek vastartalma 10–1000 mg/kg nagyságrendben szokott mozogni: a legtöbb növénynél a kritikus alsó határt 50 mg/kg értékkel lehet megjelölni. A növények nagyobb foszfor-tartalma csökkenti a vas felvehetőségét: a P:Fe arány általában a 29:1 értékkel fejezhető ki. A növények vasellátása szempontjából a kioldható Fe(II)-formát tartják lényegesnek, de praktikusan a vas-ellátottság megbízható indikátora a klorofill mennyisége. A talajban lévő vas(III) forma a gyökereken keresztül történő vasfelvételnél általában vas(II)-formává alakul át és rendszerint komplexképző segítségével kerül a növények belsejébe. Az ionfelvételnél igen erős versengés folyik: a réz, a mangán és a cink – nagyobb mennyiségben – a vasfelvételt gátolják.

Közismert a növények életében a mészklorózisnak nevezett tünet, amikor a talajban levő nagyobb kalcium-karbonát-tartalom következtében kialakuló magasabb pH-érték miatt a vas felvétele gátolt, illetőleg a növényben levő vas nem tud részt venni a klorofill bioszintézisében. A fiatal levelek érközei világosodnak, sárgulnak, míg az erek zöldek maradnak. Egyszikűeknél jellegzetes hosszanti levélcsíkozottság jelentkezik. Súlyos hiány esetén a levelek szinte teljesen kifehérednek és a levelek erezete sem különül el a levéllemez többi részének színétől. A vas hiányának következtében csökkent hajtásnövekedés, levél- és hajtáselhalás, valamint a szőlőnél bogyólerúgás alakulhat ki, amely jelentős termésveszteséghez vezethet. A vashiányra a gyümölcsösök és a szőlőültetvények különösen érzékenyek. A vas feleslege átlagos körülmények között gyakorlatilag ismeretlen.

A vasat az állati élet is „felfedezte” magának, és a vér előállítására használta. A vas az oxigénnel való affinitás miatt alkalmas a hemoglobin létrehozására. A vas szilárdsági előnyeit azonban az életfolyamatok nem hasznosítják.[5]sokszor előfordul hogy az emlősök szervezetében hiperakció lép fel

  1. Szőkefalvi-Nagy Zoltán; Szabadváry Ferenc: A magyar kémiai szaknyelv kialakulása. A kémia története Magyarországon. Akadémiai Kiadó, 1972. (Hozzáférés: 2010. december 3.)
  2. Desai, P. D.: Thermodinamic Properties of Iron and Silicon. nist.gov, 2008. [2012. szeptember 20-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. június 8.)
  3. Astronomy magazin melléklete: Opening a New Window on the Sun, 2013
  4. Ducrocq 1979 96. oldal
  5. Ducrocq 1979 96. oldal
  • Alloway B. J. (1995): Heavy metals in soils, Blackie Academic and Professinal, London
  • Filep GY. (1987): Talajtani alapismeretek I. Általános talajtan – DATE Mg. Kar jegyzet, Debrecen
  • Filep GY. (1988): Talajkémia – Akadémia Kiadó, Bp.
  • szerk.: Geleji Sándor: Vaskohászati enciklopédia VI. – Nyersvasgyártás. Budapest: Akadémiai Kiadó (1955) 
  • Hargitai L. (1998): Talajtan és Agrokémia II. Jegyzet. Kertészeti és Élelmiszeripari Egyetem, Bp.
  • szerk.: Horst Czichos: Hütte – A mérnöki tudományok kézikönyve. Budapest: Springer Verlag (1993). ISBN 963-7775-50-1 
  • Kádár I. (1992): A növénytáplálás alapelvei és módszerei. Akaprint, Bp.
  • Kádár I. (1998): Talaj és környezet szennyeződése. GATE Mezőgazdasági Főiskolai Kar, Gyöngyös
  • Kovács M. (1998): Talajjelző növények. Természetbúvár, 53. évf. 6. sz.
  • Loch J. – Nosticzius Á. (2004): Agrokémia és növényvédelmi kémia, Mezőgazda Kiadó, Bp.
  • Mengel K. (1976): A növények táplálkozása és anyagcseréje. Mezőgazdasági Kiadó, Bp.
  • Pais I. (1999): A mikroelemek jelentősége az életben. Mezőgazda Kiadó, Bp.
  • Patócs I. (szerk.) (1989): A növények táplálkozási zavarai és betegségei. Agroinform, Bp.
  • Simon L. – Szilágyi M. (szerk.) (2003): Mikroelemek a táplálékláncban. Bessenyei György Kiadó, Nyíregyháza
  • Stefanovits P. – Filep Gy. – Füleky Gy. (1999): Talajtan. Mezőgazda, Bp.
  • Szabó S. A. – Regiusné M. Á. – Győri D. – Szentmihályi S. (1987): Mikroelemek a mezőgazdaságban I. (Esszenciális mikroelemek). Mezőgazdasági Kiadó, Bp.
  • Verő József. Fémtan. Budapest: Tankönyvkiadó (1969) 
  • Ducrocq 1979: Albert Ducrocq. Az ember regénye. Budapest: Kossuth (1979). ISBN 963 09 1300 3 

További információk

szerkesztés
A Wikimédia Commons tartalmaz Vas témájú médiaállományokat.

Kapcsolódó szócikkek

szerkesztés