Fero

Fero (latine Ferrum) estas kemia elemento de la perioda tabelo kun la simbolo Fe kaj atomnumero 26. Ĝi estas metalo de la 4-a periodo kaj de la 8-a grupo en la perioda tabelo.

Gravaj proprecoj

La averaĝa fero-atomo havas 56-oblan mason de unu hidrogen-atomo. Fero estas la deke plej ofta elemento en la universo.

La metalo estas preparata el fererco, kiu enhavas feran oksidon. La fererco estas reduktata al kruda fero; procedo forigas la malpuraĵojn (ŝlako).

Fero gravas teknike por la produktado de ŝtalo. La ŝtaloj estas alojoj, kiuj enhavas krom fero aliajn metalojn kaj nemetalojn (precipe karbonon).

La atomkerno de fer-izotopo ⁵⁶Fe havas la plej fortan ligenergion je nukleono el inter ĉiuj atomkernoj.

La fuzio de la elementoj en la steloj finiĝas je fero. La pli pezaj elementoj aperas ĉe la eksplodo de supernovao, kiu respondecas ankaŭ pri la disĵeto de la kunkerniĝintaj materioj.

En spactemperaturo la alotropaj modifoj de la pura fero estas la ferito aŭ α-fero. Tiu-ĉi modifo montras kube spacocentritan kristalan kradon, kio estas sub 911 °C . Sube de la Curie-punkto ĉe 768 °C, la ferito estas feromagneta. La modifo inter 768 °C kaj 911 °C nomiĝas β-fero. Ĉar ĝi de la α-fero ne diferenciĝas de la ferito en la magnetaj proprecoj , ĝi estas nomata ankaŭ kutime kiel α-fero. Ĝis 1392 °C ekzistas faco-centrita modifo aŭ aŭsterito. Ĉe pli altiĝanta temperaturo ŝanĝiĝas la fero al δ-ferito, kiu denove montras kube spacocentritan kradon. La fandopunkto estas 1539 °C.

Fero kiel mineralo

Tre malofte aperas la fero pure. La mineralo kristaliĝas tiam en kuba kristala krado kaj havas durecon de 4,5 kaj koloron de ŝtalgrizo al nigro. Ankaŭ la kraspa koloro estas griza.

Pro la reakcioj kun akvo kaj oksigeno, la pura fero ne estas stabila. Ĝi aperas en ajolo kun nikelo nur en ferometeoritoj kaj en bazaltoj, en kiuj ĝi reduktiĝas el la feroentenaj mineraloj.

Uzado

Fero estas kun 95 pez-procentoj la plej ofte uzata metalo en la mondo. La kialo de tio estas la larĝa uzebleco - pro la dureco kaj la tenaceco de alojoj - , kio faras ĝin relative malmultekosta. Multe da estas foruzata en la produktado de aŭtoj, ŝipoj kaj en altdom-konstruo (ŝtalbetono).

La fero estas unu el la tri feromagnetaj metaloj (kobalto kaj nikelo estas la aliaj du). Tio permesas ĝian teknikan aplikadon de la elektromagnetismo en generatoroj, transformatoroj kaj elektromotoroj.

La pura fero uzatas preskaŭ nur en la laborejo. En la industrio disvastiĝis diversaj ŝtaloj, kiuj havas la sekvajn formojn:

• Kruda fero entenas 4 - 5%-n da karbono kaj ankaŭ diversajn kvantojn da sulfuro, fosforo kaj silicio. Tio estas interprodukto de la giso- kaj ŝtalproduktado.
• Giso entenas 2,06 - 6,67%-n da karbono kaj pliajn alojelementojn kiel ekz. silicion kaj manganon. Depende de la malvarmiga rapido, la karbono aperas en la giso kiel karbido aŭ elementa kiel grafito. Rigardante la aspekton de la romposurfaco, oni parolas en la unua kazo pri blanka kaj en la dua kazo pri griza giso. Giso estas malmola kaj neplaste deformebla.
• Ŝtalo entenas inter 0,06%-n kaj 2,06%-n da karbonon. Male al giso, ĝi estas tre elasta kaj formebla. La mekanikaj ecoj de la ŝtaloj povas varii inter larĝaj limoj ĉe alojproduktoj, kiuj produktiĝas per konvena kombino de termaj traktadoj kaj fizikaj prilaboroj, kaj aldono de alojmaterialo.

Historio

Okcident-Azio

La plej malnova homa aplikado de la fero okazis en Sumero kaj Egiptio, ĉ. en 4000 a. K. Temas pri pura fero de meteorŝtonoj (aerolitoj), kiuj uzatis kiel ornamaĵo aŭ lancopinto. Ĝi estis prolaborita ne per metodoj kiel fandado aŭ forĝado, sed per metodoj de la ŝtonprilaboro (ŝtonepoko).

Inter 3000 kaj 2000 a. K., oni trovas fanditajn ferojn (ĝi estas distingebla de la aerolitoj per la ĉeesto de nikelo) en Mezopotamio, Anatolio kaj Egiptio. Ĝi uzatis ŝajne nur ceremonie kaj estis pli kara ol oro. Ties origino necertas; laŭ unu ebleco ĝi estas la flankprodukto de la bonzoproduktado kiel spongofero.

Inter 1600 kaj 1200 a. K., la fero uzatis pli ofte, sed ĝi ankoraŭ ne anstataŭigis la bronzon. Ekde 1200 montriĝas en Okcidenta Azio la trairo de la bronzepoko al la ferepoko. Oni supozas, ke la trairo okazis ne pro la supereco de la fero, sed pro manko de stano (necesa por la bronzoproduktado).

Ĉe la unuaj paŝoj de la ŝtonepoka fandado estiĝis spongofero. Per la uzado de lignokarbo ĉe la plulaborado ligiĝis al fero karbono, tiel finfine estiginte ŝtalon (eble nur surface). Per hardado (k.e. abrupta malvarmigo, i.a. en likvaĵo) estiĝis laborpecoj kun elasteco kaj hardeco, kiuj superis tiujn de bronzo.

Hindio

La pilieroj starigitaj de imperiestro Aŝoko estas el fero aparte pura, kaj kiuj de pli ol 2000 jaroj ne rustiĝis, spite la malsekan veteron! Ties pureco estas ege pli granda ol tio, kio eblas per la modernaj teknikoj, historiistoj opinias, ke estis uzata meteora fero.

Ĉinio

Ankaŭ en Ĉinio okazis la unuaj spertoj per feroj el meteorŝtonoj. Oni trovis la unuajn arkeologiajn spurojn de forĝitaj feroj nord-okcidente, malproksime al Xinjiang, datitajn al la 8-a jarcento a.K.. Oni supozas, ke tiuj ĉi produktoj estas importitaj el Orienta Azio. En ĉ. 550 a. K. okazis la teknika eltrovo de altfornegoj, kio ebligis la produktadon de gisoj.

Eŭropo

Ĉar la prilabora tekniko atingis nur ĉ. 1.300 °C-n, la evoluo de la fandado okazis nur en la 14-a jarcento en Svedio. Tio disvastiĝis per la uzado de kanonkugloj dise en Eŭropo.

Kiam la malaperantaj arbaroj jam ne kovris la bezonon je lignokarbo, estis evoluigita la kokso far Abraham Darby kiel alternativa bazmaterialo por la feroproduktado. Tiu ŝanĝo kun la eltrovo de la vapormaŝino signifis la komencon de la industria revolucio.

Trovejoj

La fero kune kun nikelo estas verŝajne la ĉefa parto de la terkerno. La ŝanĝiĝo de la interna solida fero kaj la likva ekstera fero de la terkerno produktas verŝajne la termagnetan kampon. La fero estas la plej ofta elemento de la terkrusto kun proporcio de 5%. La unuaj fontoj, kiujn oni ekspluatis, estis la tielnomataj gazonferoercoj kaj la liberaj ercoj, ekstere kuŝantaj. Hodiaŭ jam 40 % estas magneta feroerco.

La plej grava materialo por la feroproduktado estas la hematito, kies grandparto konsistas el Fe₂O₃. La fero estas produktata per kemia redukto pere de karbono en altforno, kie estiĝas temperaturo de ĉ. 2000 °C. Oni aldonas unue kokson , kiu reakcias kun la oksigeno de la aero al karbona monoksido:

2 C + O₂ → 2 CO

La karbona monoksido reakcias kun fera oksido:

3 CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂

La estiĝanta fero estas likva pro la alta reakcia temperaturo. La produkto cetere enhavas ankoraŭ malpuraĵojn ekz. silician dioksidon. Per la aldono de kalko (CaCO₃), la silicia oksido departiĝas kiel ŝlako. La unua reakcia paŝo ŝanĝas la kalkon al kalcia monoksido:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Poste la kalcia monoksido reagas kun silicia dioksido:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

La estiĝinta ŝlako uzatas en la subtera konstruado (uzatis pli frue kiel sterkaĵo).

Oni ekspluatis en jaro 2000 tutmonde ĉ. 1.000 megatunojn de feroerco, en valoro de ĉ. 25 md. de eŭro. La plej grandaj liverantoj de feroerco estas Ĉinio, Brazilio, Aŭstralio, Rusio kaj Barato. Ili liveras kune la 70% de la monda bezono. Oni produktas el 1.000 Mt de ercoj ĉ. 572 Mt feron. Oni povas gajni ankoraŭ plian feron el la defalaĵo.

Ekspluatado

La feroerco estas ekspluatata surtere aŭ subtere. Surtera ekspluatado (tiel malmultekosta) okazas hodiaŭ en Sudameriko (Brazilio), en okcidenta Aŭstralio, Ĉinio, Ukrainio kaj Kanado. En landoj, kie la facilaj trovejoj jam pli frue estis ekspluatitaj, la minado de la feroercoj malpligrandiĝis.

Ĉiama problemo estas la rekultivado de la forlasitaj minejoj.

Kemiaj ligoj

La fero ligas oksidojn 2- aŭ 3-valore. Ĉar la fero ne havas iun defendan tavolon, ĝi oksidiĝas (rustiĝas).

Oftaj oksidaj statoj kaj ligoj:

• Fe²⁺,
• Fe³⁺,
• Fe⁴⁺, troviĝas en kelkaj enzimoj (ekz. peroksidazo).
• Fe⁶⁺, estas malofta (ekz. K₂FeO₄)
• Fe₃C

La Fe²⁺ kaj Fe³⁺ jonoj povas aperi kiel solvebla aŭ nesolvebla Berlina bluo (malhelblua kombinaĵo) per kalia heksacianferato (II/III) (uzatas ĉe 2+ III kaj 3+ II).

Izotopoj

Pli detalaj informoj troveblas en artikolo Izotopoj de fero.

La fero havas 4 naturajn stabilajn izotopojn, relative oftajn: ⁵⁴Fe (5.8%), ⁵⁶Fe (91.7%), ⁵⁷Fe (2.2%) kaj ⁵⁸Fe (0.3%). La izotopo ⁶⁰Fe havas duoniĝan tempon de 1,5 milionoj de jaroj. La ekziston de ⁶⁰Fe ĉe apero de la planeda sistemo pruvis korelativeco inter ofteco de ⁶⁰Ni, produkto de ⁶⁰Fe, kaj la ofteco de la stabila Fe-izotopo en kelkaj meteorŝtonoj (ekz. ĉe Semarkona und Chervony Kut).

Hodiaŭ ĉiu originala (estante ĉe la formiĝo de la planedoj) ⁶⁰Fe tute al ⁶⁰Ni transformiĝis. La diferenco de nikel- kaj feroizotopoj en la meteorŝtonoj permesas la mezuradon de izotop- kaj elementoftecon ĉe estiĝo de la Sunsistemo kaj la ekkonon de la regantaj cirkonstancoj antaŭ kaj dum la estiĝo de la sunsistemo.

Nur la feroizotopo ⁵⁷Fe havas kernan spinon kaj pro tio uzatas en kemio kaj biologio.

Biologio

Fero estas esenca oligoelemento por preskaŭ ĉiu vivulo. Kiel centra atomo en hemoglobino kaj mioglobino, troviĝas ĝi en multaj bestoj kaj respondecas pri la oksigen-transporto, uzado. Tio estas en tiuj proteinoj ĉirkaŭita per porfirina ringo. Fero estas parto de fero-sulfuro-komplekso en multaj enzimoj kiel ekz. nitrogenazo kaj hidrogenazo. La tria grava grupo de la feroenzimoj estas la t.n. nehema feroenzimo, ekz. metan-monooksigenzo, ribonukleotid-reduktazo kaj la hemoeritrino. Tiuj ĉi proteinoj funkciigas en diversaj organismoj la oksigen-aktivigon, oksigentransporton, redoksaj reakcioj kaj hidrolizon.

La infektaj bakterioj uzas ofte feron, tiel la defenda mekanismo de la korpo aperas kiel la ’’kaŝado’’ de la fero.

Rimedoj de singardo

Kvankam la fero estas grava spurelemento por la homo, la tro multa fero en la korpo povas esti toksa. La granda kvanto de Fe²⁺-jonoj reagas kun peroksidoj, tiel estiĝas liberaj radikoj. La korpo kontrolas en normala stato la ferocirkulon.

Ĉirkaŭ 1 gramo da fero kaŭzas ĉe dujara infano seriozajn venenajn aperaĵojn, 3 gramo eble letale. La fero akumuliĝas en la hepato kaj kaŭzas tie siderozon (akumuliĝo de feraj saloj) kaj damaĝojn de la organo. Tiel oni proponas la feraĵojn nur ĉe feromanko.

Vidu ankaŭ

• Fero-materialŝanĝo
• Oksalito