Priče o elementima #5: Željezo – nebeski metal

Da vam priznam iskreno i po duši, nikad u životu nisam svojim očima vidio željezo. Da, dobro ste čuli, jer kad kažem „željezo“ mislim na elementarnu tvar kemijskog elementa koji se hrvatski zove željezo, a latinski ferrum, pa stoga nosi oznaku Fe. Čisto elementarno željezo je meki metal sjajan poput srebra, gustoće 7,874 g/cm³ i tališta 1535 ^oC, koji brzo oksidira na zraku, posebice vlažnom – dakle nešto posve drugo od onoga što izlazi rastaljeno iz visoke peći pri temperaturi od 1200 ^oC. Pa kako sad to?

Tajnu željeza lako je razjasniti ako dozovemo u pamet da je kovina koju u svakodnevnom životu zovemo željezom ili čelikom zapravo legura, slitina svega i svačega, a ponajviše ugljika. Baš kao i što zlatom zovemo sve kovine koje u sebi imaju zlata, često mnogo manje od drugih metala (srebra, bakra, nikla) kojima se ono legira. Zbog toga je i povijest željeza vrlo neobična budući da ga možemo smatrati i najmlađim i najstarijim metalom, jer znamo da nakon brončanog (starijeg i mlađeg) doba dolazi željezno doba.

Povijest željeza možemo početi rasvjetljavati ako zavirimo u rječnik grčkog i latinskog jezika. Grčki sideros znači željezo ili čelik, a riječ sidus (gen. sideris) – koja je očito iz grčkog došla u latinski jezik – znači zvijezda, a mnoge naknade izvedenice imaju neku vezu sa zvijezdama, s astronomijom (sjedimo se Galilejeva traktata Sidereus nuncius, Zvjezdani glasnik, iz 1610. u kojem je opisao svoja prva promatranja teleskopom). Spomenimo se još da se željezni karbonat, kad se u prirodi nađe kao mineral, zove siderit. Koja je veza između željeza i zvijezda?

Vratimo se malo maštom u daleku prošlost. Iz vedra je neba u zemlju udarila munja, mnogo snažnija od svih munja koje je itko vidio. Munja je udarila nedaleko sela u kojem je pleme živjelo, a kad su došli na mjesto njezina udara, našli su veliku rupu, a u rupi nekakav vrlo težak i tvrd kamen. Taj kamen bilo je meteoritsko željezo.

Dalje je mašta činila svoje. Nebo je otac i on udara munjom u zemlju, koja je majka. Iz tog kozmičkog braka svašta se rađa, pa i neko čudno kamenje. A sve čudno, sve što krije neku tajnu, mistično je i sveto. Stoga što je „crni bakar s neba“ ili „nebeski metal“, kako su ga zvali Egipćani, imao tajne moći pa se koristio u magiji, za čaranje i obranu od uroka.

A onda je došlo doba moderne znanosti. Ono je odbacilo drevna praznovjerja, pa i stare priče o tome da kamenje pada s neba. Ali nije dugo trebalo da se otkrije istina. Pad željeznog meteorita (siderita) 26. svibnja 1751. u našoj Hrašćini bio je prvi pravi dokaz da je padanje kamenja s neba ipak moguće. Zahvaljujući mnogim svjedocima, a napose seoskom župniku, događaj je detaljno opisan i valjano dokumentiran. Štoviše, nađeni su komadi „kamena s neba“, pa nije bilo teško orkiti da je riječ o željezu, vrlo kvalitetnom čeliku zapravo, toliko kvalitetnom da je od njega mjesni kovač iskovao čavle. Srećom, najveći dio meteorita je sačuvan i sada se nalazi u Beču.

Danas znamo mnogo više i o meteoritima i o željezu koje se u njima nalazi. Planeti, asteroidi i sve što kruži oko Sunca nastalo je nakupljanjem (akrecijom) prašine iz primordijalnog oblaka. Ako su nakupine bile male, ništa se nije promijenilo, pa su one, u obliku meteorita hondrita ostale netaknute do našega doba. Drugo je pak bilo ako su nakupine bile velike. U takvim je nakupinama dolazilo do gravitacijskog sažimanja i odvajanja težih (metalnih) od lakših (silikatnih) dijelova. Od metalnih dijelova nastala je jezgra, a od silikatnih vanjski dio nebeskog tijela. Ta su se novoformirana nebeska tijela sudarala, u sudarima raspadala, pa se metalna jezgra više ili manje odvojila od silikatne kore – stoga razlikujemo kamene i željezne meteorite.

Ono što se nalazili u središtu velikih nebeskih tijela, u koje pripada – razumije se i naša Zemlja – je željezo, ili, točnije, legura željeza i nikla. No, nije jedna nego su najmanje dvije. Prva se zove kamacit, a druga taenit. Kamacit sadrži malo nikla, manje od 7,5 %, taenit pak mnogo više, od 25 do 50 %. Nije međutim sve u sadržaju nikla jer kamacit i taenit kristaliziraju u različitim kristalnim sustavima. Danas najbolji čelici sadržavaju nikal, pa nije čudno da je kovač u Hrašćini iskoristio dar s neba za izradu čavala.

Prava povijest željeza, povijest željeznog doba počinje istom kada ga je čovjek naučio istaljivati iz rude. Čini se da su tom vještinom prvi obladali Hetiti koji su proširili proizvodnju izvan svoje države između 1200. i 1000. godine prije Krista. Bila je to tehnološka revolucija jer je željezno oružje i oruđe bilo mnogo tvrđe i čvršće od brončanog. Dok je Ahejce pod Trojom kosila „ljuta mjed“, Rimljani su već vladali svijetom ferro ignique, željezom (mačem) i ognjem. No, u čemu je tajna umijeća drevnih Hetita, u čemu je tajna proizvodnje „crnog bakra s neba“?

Željezo se, kao i svi drugi metali, poglavito bakar i olovo, dobivalo redukcijom rude ugljenom, naravno drvenim. No dok su se bakrene rude mogle istaljivati već na ognjištu (oko 700 ^oC), za dobivanje željeza trebala je mnogo viša temperatura (oko 1200 ^oC) koja se mogla postići tek u posebno građenim pećima uz obilato upuhivanje zraka. I tu se ugljen pokazao spasonosnim jer ne samo da je reducirao željeznu rudu, nego je i snižavao talište željeza – od spomentih 1535 ^oC na isto tako spomentih 1200 ^oC. Ugljik se otapao u rastaljenoj kovini kao što se šećer otapa u vodi, a kako je talište otopine uvijek niže od tališta otapala, snižavao joj je talište.

Upravo zbog toga željezo mora uvijek sadržavati ugljik. Ugljik se u njemu može izlučiti (kao šećer iz vode) u obliku tankih, grafitnih listića. Tako nastaje sivo lijevano željezo, gus, koga se ne mogu nahvaliti otkako sam kupio gril-tavu izlivenu od njega. Ugljik se također može spojiti sa željezom u željezov karbid (Fe₃C), no u tom slučaju nastaje bijelo sirovo željezo. A što je čelik? Čelik je željezo s manje ugljika (ugljični čelici) od lijevanog željeza ili pak željezo legirano drugim metalima (legirani čelici). To je već metalurgija, a gdje je kemija?

Evo je. Željezo se lako otapa u kiselinama uz razvijanje vodika i nastajanje soli, primjerice FeSO₄, pa je stoga tipičan metal. No, željezo može biti i nemetal! U soli formule K₂FeO₄, atom željeza nalazi se naime u kiselinskom ostatku (anionu) baš kao se sumpor nalazi u ionu SO₄^2-, primjerice u kalijevom sulfatu, K₂SO₄. Razlika je jedino u tome što se od kalijeva sulfata može dobiti kiselina, naravno sumporna (H₂SO₄), dok željezna kiselina, H₂FeO₄, nije dovoljno stabilna da bi se mogla prirediti u slobodnom stanju. Stoga se govori o „hipotetskoj kiselini“ – ali njezine soli nisu hipotetske!

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.