Rauta

Rauta on siirtymämetallien ryhmään kuuluva alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Fe ().

Rauta on painavin tähdissä nukleosynteesin kautta syntyvä alkuaine. Jaksollisessa järjestelmässä rauta on 26. alkuaine. Se on hopean värinen, kiiltävä ja ferromagneettinen metalli. Rauta on nisäkkäille välttämätön hivenaine, jonka puute on erään arvion mukaan maailman suurin ravitsemusongelma.Does Dietary Fiber Affect the Levels of Nutritional Components after Feed Formulation? Sivu 2.

Puhdas rauta on jokseenkin pehmeää, mutta monet sitä pääaineksenaan sisältävät metalliseokset ovat erittäin kovia. Niistä valmistetaan muun muassa ruoanvalmistusvälineitä, työkaluja, rakennustarvikkeita, koneita ja ajoneuvoja. Tärkeimpiä rautaseoksia ovat teräkset ja valuraudat.

Rauta reagoi helposti hapen kanssa varsinkin joutuessaan samalla tekemisiin veden kanssa. Tätä hapettumisreaktiota sanotaan ruostumiseksi. Siinä syntyvä aine, ruoste, on etupäässä rautaoksidien ja rautahydroksidien seosta. Se on huokoista, joten rautaesineet voivat ruostua vähitellen kokonaan, toisin kuin useat muut metallit, jotka hapettuvat vain pinnalta. Epäjalona metallina rauta reagoi myös happojen kanssa vapauttaen samalla niistä vetyä.

Sanan alkuperä Suomen kielen sana rauta tulee germaanisten kielten sanasta *rauđan-, joka on sukua esimerkiksi nykyruotsin sanalle röd "punainen". Sana on alun perin ilmeisesti viitannut järvimalmin punaiseen väriin.

thumb|Rautaa

Esiintyminen

Rauta on neljänneksi yleisin alkuaine ja toiseksi yleisin metalli maankuoressa, jossa sitä on noin 5 prosenttia. Sitä esiintyy luonnossa jonkin verran vapaanakin, meteoriittirautana. Maankuoressa sitä on kuitenkin paljon enemmän erilaisina yhdisteinä. Tärkeitä mineraaleina esiintyviä rautayhdisteitä ovat rautaoksidit kuten magnetiitti (Fe3O4) ja hematiitti (Fe2O3) sekä rautasulfidi, rikkikiisu eli pyriitti (FeS2). Myös rautasälpää eli sideriittiä, joka on rautakarbonaattia (FeCO3), louhitaan rautamalmina. Luonnossa rautaa on runsaasti myös silikaattimineraaleina, jotka yleensä ovat väriltään tummia, mutta niillä ei ole merkitystä malmina.

Nykyisten geologisten teorioiden mukaan maapallon sisin osa sisältää etupäässä rautaa ja nikkeliä. Jos teoria pitää paikkansa, maapallolla on rautaa enemmän kuin mitään muuta alkuainetta, noin 35 prosenttia Maan massasta.

Rautaoksidia on runsaasti myös Marsin pintakerroksissa, jotka saavat niistä punertavan värinsä.Why is Mars Red Universe today

Historia Rauta tunnettiin jo esihistoriallisena aikana. Vanhimmat todisteet sen käytöstä ovat Sumerista ja Egyptistä noin 4000 vuotta ennen ajanlaskun alkua. Silloin raudasta tehtiin pääasiassa keihään kärkiä tai muita suhteellisen pieniä esineitä, koska rautaa kerättiin meteoriittien jäännöksistä, jotka ovat varsin harvinaisia. Yleiseksi sen käyttö tuli kuitenkin sen jälkeen, kun sitä ensin Lähi-idässä noin 1400 eaa. ja myöhemmin muuallakin opittiin valmistamaan pelkistämällä oksidimalmeista. Tällöin pronssikausi päättyi ja alkoi rautakausi.

Ennen masuunin keksimistä rautaa valmistettiin suorapelkistämällä malmia puuhiilen avulla. Suorapelkistyksessä uunin lämpötila ei kohonnut raudan sulamispisteeseen saakka, vaan pelkistyminen tapahtui kiinteässä tilassa. Tällöin vain pieni osa hiilestä sitoutui rautaan, ja tuloksena oli pehmeää kanki- eli takorautaa. Jo vanhalla ajalla takoraudasta osattiin valmistaa myös terästä hehkuttamalla sitä hiilikerrosten välissä ilmalta suojassa. Teräksen etuna takorautaan verrattuna oli, että se voitiin karkaista. Teräs oli kuitenkin paljon kalliimpaa kuin takorauta, minkä vuoksi sen käyttö oli varsin rajallista.

Nykyisin lähes yksinomaisesti käytetyt teräksen ja valuraudan valmistusmenetelmät on keksitty vasta 1800-luvulla tai myöhemmin.

Fysikaaliset ominaisuudet

Allotrooppiset muodot thumb|Puhtaan raudan faasidiagrammi alhaisissa paineissa. Vaaka-akselilla paine, pystyakselilla lämpötila. Tummansinisellä alueella (”liquid”) rauta on sulana, vaaleansinisellä (”vapor”) höyrynä. thumb|Raudan allotrooppisten muotojen kidehilan rakenne. Vasemmalla α- (ferriitti) ja δ-raudan tilakeskeinen kuutiollinen (bcc), oikealla γ-raudan (austeniitin) pintakeskeinen kuutiollinen kiderakenne. Rauta voi pääasiassa lämpötilasta riippuen esiintyä useissa allo­trooppisissa muodoissa. Varmuudella tunnetaan neljä allotrooppista muotoa, joita merkitään kreikkalaisilla aakkosilla α, γ, δ ja ε, jota paitsi teoreettisesti on päätelty, että hyvin korkeassa paineessa saattaa esiintyä viideskin muoto, β-rauta. Kun puhdas sula rauta jäähtyy, se kiteytyy 1 538 °C:ssa δ-raudaksi, jolla on tilakeskeinen kuutiollinen (bcc) kiderakenne. Kun se edelleen jäähtyy 1 394 °C:seen, se muuttuu allotrooppiseksi muodoksi γ, jossa sillä on pintakeskeinen kuutiollinen (fcc) kiderakenne ja joka tunnetaan myös nimellä austeniitti. Jäähtyessään edelleen 912 °C:n alapuolelle kiderakenne muuttuu jälleen tilakeskeiseksi kuutiolliseksi, ja tällöin on kyseessä allotrooppinen muoto α, joka tunnetaan myös nimellä ferriitti. Kun sen lämpötila edelleen alenee raudan Curie-pisteeseen, 770 °C, siitä tulee ferro­magneettista. Kun rauta sivuuttaa Curie-pisteen, sen kiderakenne ei muutu, mutta vain tämän lämpötilan alapuolella siinä esiintyy Weissin alkeisalueita, joissa atomien magneettiset momentit ovat saman suuntaiset. Nämä Weissin alkeisalueet ovat läpimitaltaan vain noin 10 mikrometriä, mutta niistäkin jokaisessa on miljardeja atomeja.

Noin 10 GPa:n paineessa ja useiden satojen celsius­asteiden lämpötilassa α-rauta muuttuu ε-raudaksi, jolla on heksa­gonaalinen tiivis­pakkauksellinen (hcp) kiderakenne. Samoin käy myös γ-raudalle, mutta se edellyttää vielä korkeampaa painetta. Mikäli hypoteettinen β-rauta on olemassa, se edellyttää ainakin 50 GPa:n painetta ja 1 500 kelvinin lämpötilaa. On oletettu, että sen kiderakenne on joko ortorombinen tai kaksin­kertainen heksagonaalinen tiivispakkaus.

Käytännössä rautaa ei juuri käytetä puhtaana vaan seostettuna hiilen, usein myös muiden metallien kanssa. Teräslaatuja on hyvin monia, ja seos­aineet vaikuttavat siihen, missä allo­trooppisessa muodossa rauta niissä esiintyy. Mikäli lämpötila on muuttunut tarpeeksi nopeasti, puhdaskin rauta saattaa esiintyä muussa allotrooppisessa muodossa kuin mikä vallitsevassa lämpötilassa on pysyvin.

Tavallisissa lämpötiloissa α-rauta eli ferriitti on pysyvin. Se on jokseenkin pehmeä metalli, johon voi liueta vain pieni määrä hiiltä, 912 °C:n lämpötilassa enintään 0,021 massaprosenttia.

Kuumennettuna 912 °C:n ja 1 400 °C:n välille α-raudassa alkaa tapahtua faasimuutos, jossa sen kiderakenne muuttuu ja siitä tulee γ-rautaa eli austeniittia. Sekin on pehmeä metalli mutta siihen voi liueta enemmän hiiltä, 1 146 °C:ssa jopa 2,04 %. Jotkin rautaseokset kuten nikkeli- ja kromipitoinen ruostumaton teräs esiintyvät huoneenlämmössäkin austeniittisessa muodossa. Yleensä austeniitti kuitenkin muuttuu hitaasti jäähdytettäessä takaisin α-raudaksi eli ferriitiksi. Jos se kuitenkin jäähdytetään hyvin nopeasti ja se sisältää enemmän hiiltä kuin ferriittiin voi liueta, syntyy metastabiili muoto, martensiitti, jolla on tetragoninen kiderakenne. Tähän perustuu teräksen karkaisu.

Vain korkeissa paineissa esiintyvillä allotrooppimuodoilla kuten ε- ja β-raudalla ei ole käytännön merkitystä metallurgiassa, mutta niitä oletetaan esiintyvän planeettojen sisuksissa. Maan ytimen oletetaan koostuvan pääasiassa raudan ja nikkelin seoksesta, jolla on ε- tai mahdollisesti β-raudan rakenne.

Raudan sulamispisteen riippuvuus lämpötilasta on kokeellisesti varsin tarkoin selvitetty noin 50 gigapascaliin saakka. Suurempien paineiden osalta kokeet, joilla on yritetty selvittää γ- ja ε-muotojen sekä sulan raudan kolmoispiste, eivät ole johtaneet yhtäpitäviin tuloksiin, vaan eri tutkijoiden saamat arvot eroavat toisistaan kymmenien gigapascalien ja yli 1 000 kelvinin verran. Yleisesti ottaen molekyyli­dynaamiset raudan sulamisen ja shokkiaaltojen tietokone­mallinnukset viittaavat korkeampiin sulamispisteisiin ja sulamispisteen huomattavasti suurempaan riippuvuuteen paineesta kuin timanttialasinkammioissa tehdyt kokeet.

Isotoopit Luonnon rauta on neljän pysyvän isotoopin seos: 54Fe, 56Fe, 57Fe ja 58Fe. Näistä yleisin on 56Fe (91,66 %) ja sitä seuraavat 54Fe (5,82 %), 57Fe (2,19 %) ja 58Fe (0,33 %). Isotooppi 54Fe voi teoreettisten ennusteiden mukaan hajota kaksois-elektronisieppauksella kromin isotoopiksi 54Cr, mutta tätä ei ole koskaan havaittu, ja tällaisen hajoamisen puoliintumisajaksi on arvioitu vähintään 3,1·1022 vuotta, joten isotooppia pidetään pysyvänä.

Raudan isotooppien tutkimuksessa voidaan käyttää hyväksi Mössbauerin ilmiötä (rekyylitön gammakvantin absorptio ja uudelleen emittoituminen atomiytimestä). Isotoopin 57Fe rauta-atomit voidaan saada siirtymään korkeammalle energiatasolle gammasäteilyn taajuudella, joka on hyvin tarkka ja joka lisäksi määräytyy tutkittavan aineen hapettumisasteen, elektronikonfiguraation ja kemiallisen ympäristön perusteella. Tätä raudan huomattavaa Mössbauerin ilmiötä on käytetty tutkittaessa hemoglobiinin johdannaisia sekä erittäin tarkoissa atomikelloissa.

Raudalle tunnetaan lähes 30 keinotekoista radioisotooppia, joiden massaluvut ovat välillä 45–74. Niistä pitkäikäisin on vuonna 1957 löydetty 60Fe, jonka puoliintumisaika on noin 2,62 miljoonaa vuotta. Se hajoaa β--hajoamisella 60Co:ksi ja edelleen pysyväksi 60Ni nuklidiksi. 60Fe ei enää nykyään löydy maapallolta, mutta tietoa sen puoliintumisajasta on käytetty hyväksi arvioitaessa aurinkokunnan ikää.

Raudan valmistus Vaikka rautaa on lähes kaikissa kivilajeissa, sen valmistamiseksi kannattaa yleensä louhia vain sellaisia malmeja, joissa sitä on vähintään 30 prosenttia. Magnetiitti on perinteinen rautaa sisältävä mineraali, jota on louhittu esimerkiksi Ruotsin Kiirunassa ja Pohjois-Amerikassa. Nykyisin suuri osa raudasta saadaan hematiitti­esiintymistä, joissa louheen rautapitoisuus on noin 60 %. Raakarautaa valmistetaan rautaoksidi­malmista hiilellä pelkistämällä masuuneissa.Iron Ore Plan, Innovate, Research, Sustain, Achieve , Government of South Australia Tällöin osa hiilestä liukenee sulaan rautaan, ja tuloksena saadaan raaka- eli harkkorautaa, jossa on noin 4 % hiiltä. Terästä, jonka hiilipitoisuus on alhaisempi, valmistetaan puhaltamalla sulaan raakarautaan ilmaa, jolloin siinä oleva happi polttaa osan hiilestä. Nykyaikanakin on kehitetty myös uusia suorapelkistysmenetelmiä, mutta niiden käytännöllinen merkitys on vähäisempi.

Raudan käyttö Rauta on ihmiskunnan tärkein metalli. Sitä käytetään monta kertaa enemmän kuin kaikkia muita metalleja yhteensä – on jopa arvioitu, että 95 % ihmiskunnan käyttämästä metallista on rautaa. Rauta on pääainesosa erityyppisissä teräksissä lukemattomiin eri käyttötarkoituksiin käytettynä. Valurautojen tärkein ainesosa on raudan ohella hiili, joka esiintyy puhtaana joko suomugrafiittina tai pallografiittina rautamatriisissa, joka muodostuu hiiliteräksissäkin esiintyvistä faaseista: ferriitti, perliitti, martensiitti, jäännösausteniitti ja seostuksen avulla aikaansaadut erilaiset metallikarbidit. Hiilipitoisuuden mukaan rautaseokset jaotellaan seuraavasti:

yli 4,5 % takkirauta yli 1,7 % valurauta alle 1,7 % teräs alle 0,05 % meltorauta

Rautaa käytetään sen ferromagneettisuuden vuoksi myös erilaisiin magneetteihin muun muassa elektroniikassa ja sähkömoottoreissa. Eräisiin sähköteknisiin tarkoituksiin käytetään myös elektrolyysin avulla valmistettua puhdasta rautaa, elektrolyyttirautaa, jossa ei ole lainkaan hiiltä.

Rautaa käytetään myös katalyyttinä ammoniakin valmistukseen.

Yhdisteet