Készítette: Tóth Krisztián. Web: http://krissz.hu

Vas

26
55.847
2, 3
Fe
4s2
3d6
Vas
Alapadatok
Név, vegyjel, rendszám vas, Fe, 26
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.) 7,86 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)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet köbös tércentrált
Oxidációs állapotok 2, 3, 4, 6
(amfoter oxid)
Elektronegativitás 1,83 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 762,5 kJ/mol
Atomsugár 140 pm
Atomsugár (számított) 156 pm
Kovalens sugár 125 pm
Egyéb jellemzők
Mágnesség ferromágneses
Fajlagos ellenállás 1,68·10-8 Ω·m
Hővezetési tényező (300 K) 80,4 W/(m·K)
Hőtágulási tényező (25 °C) 11,8 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (szobahőm.) (electrolitikus)
5120 m/s
Young-modulus 211 GPa
Nyírási modulus 82 GPa
Bulk modulusz 170 GPa
Poisson-arányszám 0,29
Mohs-keménység 4,0
Vickers-keménység 608 MPa
Brinell-keménység 490 HB
CAS-szám 7439-89-6

A Vas bővebb leírása

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.

Tulajdonságai

Reakciói

  • Elemekkel:
    • Oxigénnel: \mathrm{4 \ Fe + 3 \ O_2 \rightarrow 2 \ Fe_2O_3}
    • 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.
  • 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.
  • 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, Fe3O4 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.

Kémiai tulajdonságai

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 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

Kockarácsok típusai.
Felületen középpontos a γ-vas, térben középpontos az α- és az α(δ)-vas

A vas 1538 °C-on olvad. Az olvadt vas hűlés közben ugyanezen a hőmérsékleten szabályos rendszerbeli, térben középpontos kockarácsú (vagy tércentrált) 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 0,290 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 (770 °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.

Előállítása

Története

A vasat valószínűleg az ókori Anatóliában vagy a Kaukázusban fedezték fel az i. e. II. évezredben, meteoritból származó vas felhasználásával. Az első vasszerszámot a 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 vasérc darabon kialakuló változás megfigyelése indította el. Az első „kohók” széljárta helyeken kapart kis gödrök voltak, amiben 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 a talajban

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.

Élettana

Szerepe a növények életében

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 elektron-transzportért 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 energia-láncban, továbbá az elemi nitrogén kémiai megkötését végző nitrogenáz molekula - a molibdénen kívül - fő komponensként vas-atomokat tartalmaz.

A fontosabb vas-tartalmú 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 vas-tartalma 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 vas-felvételnél általában vas(II)-formává alakul át és rendszerint komplexképző segítségével kerül a növények belsejébe. Az ion-felvételnél 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, mely jelentős termésveszteséghez vezethet. A vashiányra a gyümölcsösök és a szőlő ültetvények különösen érzékenyek. A vas feleslege átlagos körülmények között gyakorlatilag ismeretlen.