9 - Kovy.pdf

Železo a ocel
Železo je jedním z prvků, hojně se vyskytujícím v zemské kůře (4,7 %) a ještě hojněji
v jádru Země. Jako ryzí kov se nalezne jen výjimečně ve formě meteoritického železa.
Většina výskytu je v oxidických železných rudách různé čistoty. Nejkvalitnější surovinou
bývá magnetovec Fe 3 O 4 , krevel (hematit) Fe 2 O 3 , dále hydratované oxidy – hnědel (limonit)
(FeO(OH).nH 2 O). Zajímavou surovinou je i ocelek (siderit) FeCO 3 . I malé množství železa v
horninách a zeminách se projevuje načervenalým zabarvením, které se zvýrazní žíháním a
dává charakteristickou barvu cihlářským a keramickým výrobkům. Dostupnost železa,
získávaného redukcí rud, znamenalo zásadní změny ve stylu života a proto se podle něj datují
historické epochy: začátek doby železné se klade asi od doby 700 let před našim letopočtem.
Předcházející doba bronzová (slitiny Cu a Sn) se rozvinula ve střední Evropě o tisíc let dříve, ale na
Blízkém Východě asi o tři tisíciletí dříve. Předkolumbovská Amerika železo neznala a ochotně je
vyměňovala s dobyvateli za zlato. Grónští Eskymáci vyráběli nástroje z obrovského meteoritu, dokud
nebyl odcizen pro newyorské muzeum.
V ČR se chudé železné rudy vyskytují na mnoha místech. Avšak v současné době se zde
netěží ani ty kvalitnější železné rudy v malých lokalitách v Podyjí a v Krušných horách.
Železo se uvažuje většinou jenom jako konstrukční materiál. Průmyslová chemie
železa se zabývá téměř výhradně redukčními procesy výroby oceli a oxidačními procesy
koroze.
Redukce železné rudy
Do historické železářské pece se vsazovala železná ruda a dřevěné uhlí. Dmýcháním vzduchu
se vyvíjelo teplo hořením
C + O 2 → CO 2
ΔH= -393 kJ/mol
ale při vzniklé vysoké teplotě neprobíhá exotermní reakce do rovnováhy, produktem je jen
oxid uhelnatý (podobně jako při hoření síry nevzniká za vysokých teplot oxid sírový)
CO 2 + C ↔ 2CO ΔH= +93 kJ/mol
Oxid uhelnatý je rozhodujícím redukčním činidlem a reakce podle složení výchozí vsádky
probíhají jedním nebo více z kroků vesměs endotermních reakcí
3Fe 2 O 3 + CO → CO 2 + Fe 3 O 4 (450 o C)
Fe 3 O 4 + CO → CO 2 + 3FeO (600 o C)
FeO + CO → CO 2 + Fe(s) (700 o C)
Vzniklé železo byla pórézní hmota "železná houba", obsahující vměstky nečistot z rudy. Mechanickým kováním
za tepla (ručně, nebo později v hamrech, poháněných vodním kolem) se vytvářelo kompaktní železo kovového
vzhledu. Ohřevem železa v rozpáleném uhlí se měnily i vlastnosti jeho povrchu, který se stával tvrdším. Dnes to
jsme schopni vysvětlit tvorbou krystalických struktur, obsahujících vedle atomů železa také uhlík, případně
sloučeniny těchto prvků (karbid železa). Vzniká slitina vyšších užitných vlastností, nazývaná ocel. Je typickou
vlastností slitin, že mívají nižší bod tání a vyšší tvrdost. Ostatně předchůdcem oceli byl první uměle připravený
konstrukční materiál bronz, který byl pro výrobě nástrojů podstatně vhodnější, než dříve známé jeho složky Cu,
Sn, nebo čisté Al, Ag.
Podařilo-li se dosáhnout v železářské pícce vyšší teploty než 1150 o C, vznikala přímo roztavená směs,
obsahující 2 až 6% uhlíku (všimněme si i zde, že směs látek má podstatně nižší bod tání než látky čisté – bod
tání železa je 1535 o C). Ztuhnutím této taveniny vznikla litina, křehké "špatné železo", nepoužitelné pro výrobu
nástrojů. Ve staré Číně se z ní vyráběly dekorační předměty. Ve středověku našla případně vzniklá litina
uplatnění při výrobě dělových koulí.
S vynálezem koksu (1766) přestala být výroba železa (a také např. skla) vázána na oblasti lesů, poskytujících
dřevěné uhlí a zároveň se snáze dosahovalo vyšší teploty. Došlo ke koncentraci výroby železa do vysokých pecí
a k zániku malých pecí, kterých bylo do té doby např. na území českých zemí asi 200.