A vasfémes tulajdonságú kémiai elem, rendszáma a periódusos rendszerben 26, atomtömege 55,845 g/mol. A vegyjeleFe, 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:
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
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
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 0,290 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 (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.
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.
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
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
Növények
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.
Állatok
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
Jegyzetek
↑Szőkefalvi-Nagy Zoltán; Szabadváry Ferenc: A magyar kémiai szaknyelv kialakulása. A kémia története Magyarországon. Akadémiai Kiadó, 1972. (Hozzáférés: 2010. december 3.)
Szabó S. A. – Regiusné M. Á. – Győri D. – Szentmihályi S. (1987): Mikroelemek a mezőgazdaságban I. (Esszenciális mikroelemek). Mezőgazdasági Kiadó, Bp.
