ברזל

קובלט - ברזל - מנגן   Fe Ru       הטבלה המחזורית
כללי
מספר אטומי	26
סמל כימי	Fe
סדרה כימית	מתכות מעבר
צפיפות	7874 kg/m3
מראה	מתכת מבריקה בגוון אפרפר
תכונות אטומיות
משקל אטומי	55.845 amu
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 8, 14, 2
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
טמפרטורת התכה	1811.15K (1,538°C)
טמפרטורת רתיחה	3134.15K (2,861°C)
לחץ אדים	7.05Pa ב-1808K
מהירות הקול	4910 מטר לשנייה ב293.15K
שונות
אלקטרושליליות	1.83
קיבול חום סגולי	440 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	9.93 106/m·Ω
מוליכות תרמית	80.2 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	762.5 kJ/mol

ברזל (בלטינית: Ferrum) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי Fe ומספרו האטומי 26.

הברזל מהווה חלק ממינרל קורט החיוני כחלק מהתרכובת האורגנית הם, המאפשרת נשיאת חמצן על ידי תאי דם אדומים. כמו כן הברזל משמש בשמירת החמצן בתוך רקמת תא בתוך מיוגלובין.

צורה בטבע

ברזל הוא יסוד מתכתי, הנפוץ ביותר בכדור הארץ (כ-32% מהרכבו הכימי של כדור הארץ). ברזל טהור נמצא רק במטאוריטים. בכדור הארץ ניתן למוצאו רק בצורת תרכובת.

רוב הברזל נמצא במינרלים שמכילים אותו, כמו המטיט (Fe₂O₃), מגנטיט (Fe₃O₄) וטקוניט. מאמינים שליבת כדור הארץ מורכבת מסגסוגת ברזל-ניקל.

בתעשייה, ברזל ממוצה מעפרותיו (בעיקר המטיט ומגנטיט) כשהוא מחומם עם פחמן בכבשן לטמפרטורה של 2000 מעלות צלזיוס. לכבשן מוכנס אוויר חם ברציפות ומתרחשת התגובה הבאה: $6C_{(s)} + 3O_{2(g)} \rarr 6CO_{(g)}$

הפחמן החד-חמצני מגיב עם המטיט (או מקור ברזל אחר) כך:

$6CO_{(g)} + 2Fe_2O_{3(s)} \rarr 4Fe_{(l)} + 6CO_{2(g)}$

בשנת 2000 הופקו כ-1100 מיליון טון עפרות ברזל בשווי 25 מיליארד דולר. חמש המפיקות הגדולות ביותר של עפרות ברזל הן סין, ברזיל, אוסטרליה, רוסיה והודו.

יוני ברזל

קיימות ארבע צורות (מצבי חמצון) של יוני ברזל:

• Fe⁺²: מכונה כיום ברזל (II); באנגלית כונה בעבר Ferrous, ובעברית: קט-ברזל.
• Fe⁺³: מכונה כיום ברזל (III); באנגלית כונה בעבר Ferric, ובעברית: רב-ברזל.
• Fe⁺⁴: מכונה כיום ברזל (IV); באנגלית כונה בעבר Ferryl. צורה זו פחות שכיחה מהקודמות.
• Fe⁺⁶: מכונה כיום ברזל (VI); באנגלית כונה בעבר Ferrate. צורה זו נדירה מאוד.

הברזל נוטה ליצור קשרים יוניים עם אל-מתכות וקשרים מתכתיים עם מתכות ויכול ליצור קשר קוולנטי בצורת יון מורכב.

הברזל ביצורים חיים

המבנה הכימי של הם b

שבבי ברזל טהור שזוקקו באלקטרוליזה

לברזל חשיבות עליונה בביולוגיה; הוא חומר חיוני לרוב היצורים החיים, אולם יש יצורים חיים שמשתמשים במקום ברזל במתכות אחרות, כמו קובלט או מנגן. בעיקר נמצא הברזל באתר הפעיל של כמה אנזימים וחלבונים חשובים כמרכיב בתרכובת האורגנית הם.

בבעלי חיים נמצא הברזל בהמוגלובין, החלבון נושא החמצן בכדוריות הדם האדומות אשר בדם ובמיוגלובין הנושא חמצן מהדם לשרירים. החמצן הנקלט בריאות נקשר באופן ישיר אל אטום הברזל, ומועבר באמצעות הדם אל כל תאי הגוף. חוסר ברזל בגוף (עקב תזונה לקויה או מחלה) עלול לגרום לאנמיה.

בכל היצורים האווירניים מצוי הברזל במרכזו של האנזים ציטוכרום, אנזים מרכזי בתהליך הנשימה התאית.

בגוף האדם יש בין ארבעה לחמישה גרם של ברזל. כ-65 אחוזים בהמוגלובין, 4–5 אחוזים במיוגלובין, כאחוז אחד במרכיבים שונים של חמצון תוך-תאי, כעשירית האחוז מחובר לחלבון טראנספרין וכ־15–30 אחוזים מאוכסנים בתאי כבד ובמערכת הרטיקולואנדותלילית. ברזל מאוכסן בתאים בפריטין או בהמוסידרין.

תזונה

ברזל הוא תוסף תזונה חשוב לגוף, כמות נמוכה מדי של ברזל גורמת לאנמיה - ירידה בכמות ההמוגלובין בתאי הדם האדומים, כמו גם לירידה במספר תאי הדם האדומים. דבר זה מוביל לירידת כמות החמצן שמגיע לרקמות בגוף ולתפקוד פחות טוב של רקמות אלה. גם כמות גדולה מידי של ברזל מסוכנת לבריאות.

בממוצע, הכמות היומית המומלצת לגבר בוגר היא 8.7 מיליגרם ולאישה בגיל הפוריות 14.8 מיליגרם. נשים בתקופת הפוריות צריכות כמות גדולה יותר של ברזל מגברים, משום שהן מאבדות דם בווסת.

הברזל מצוי הן במזונות צמחיים ובמזונות שמקורם בבעלי חיים - בבשר אדום, דגים ובשר עוף. ברזל שמקורו מן הצומח נספג בקושי רב מפני שלגוף יותר קשה לעכל מזונות אלו.

כבד הוא מקור עשיר לברזל, אך הוא עשיר גם בוויטמין A שכמות עודפת ממנו עלולה להזיק לבריאות. לאנשים בסיכון לסוכרת כולל נשים לאחר גיל הבלות וגברים זקנים, כדאי להימנע מכמות יתר של ויטמין A. גם לנשים בהריון או שרוצות להיכנס להריון כדאי להימנע מכמות יתר של ויטמין A.

במזונות מן הצומח מצוי הברזל ב- קטניות כמו שעועית, אפונה, פול, חומוס, עדשים; מוצרי סויה (כמו טופו, חלב סויה ועוד), אגוזים, טחינה, ברוקולי, אבוקדו, פירות יבשים; קינואה, דבשה, בורגול ושמרי בירה; ומזון מדגנים מלאים כמו לחם מלא.

קפה ותה מכילים תרכובות פוליפנול שעלולות להקשות על ספיגת הברזל בגוף, לכן מומלץ למי שחושש ממחסור בברזל להימנע משתייתם בזמן הארוחה או עד חצי שעה לאחריה. ויטמין C מסייע לגוף לספוג ברזל, ולכן אכילת ירקות כמו כרוב ניצנים, פטרוזיליה, ברוקולי, פלפל או כרוב הקלח בזמן הארוחה או אכילת פירות כמו תפוז, תות שדה או פפאיה לקינוח עשוית לסייע לספיגת הברזל בגוף.

סכנות בריאותיות

מחסור בברזל

תורמי דם נמצאים בסיכון מיוחד של רמות ברזל נמוכות בדם. לכן מתבצעת בדיקת המוגלובין למבקשים לתרום דם. רמת ההמוגלובין צריכה להיות מ-12 גרם לדציליטר לאישה ומ-13 גרם לדציליטר לגבר, אם הרמה נמוכה יותר לא לוקחים תרומת דם מאותו אדם. מעת לעת במסגרת מעקב רפואי ישלח מטופל לביצוע בדיקות דם ובנוסף לרמות ההמוגלובין, תבדקנה גם רמות ה-IRON (ברזל זמין), FERRITIN ו-TRANSFERRIN (מאגרי הברזל ויכולת ניודו). מחסור בברזל יכול לגרום לתופעות לוואי, כגון נשירת שיער, שבירת ציפורניים, עייפות, דיכאון וכו'.

עודף ברזל

תזונה מוגזמת של ברזל מסוכנת ואף רעילה. הברזל מגיב עם אל תחמוצות בגוף ומשחרר רדיקלים חופשיים. כשברזל נצרך בכמויות רגילות הוא אינו מזיק, מכיוון שלגוף מנגנונים נוגדי חמצון המווסתים תהליך זה.

מנה של 3 גרם ברזל הניתנת לתינוק בן שנתיים מסוגלת להרגו. גרם אחד מסוגל לגרום להרעלה.

צריכה מוגזמת של ברזל יכולה לגרום למחלות כמו המוכרומטוזיס שבה כמות רבה של ברזל נאגר באיברים. לכן עדיף להימנע מנטילת תוספי מזון המכילים ברזל ללא המלצת רופא.

שימושים בתרבות האדם

ערימת מחצב ברזל שבעתיד תשמש בייצור פלדה

ברזל הוא המתכת השימושית ביותר לאדם (95% מכלל המתכת שמופקת בעולם). המחיר הנמוך ורמת הקשיחות הגבוהה הופכים אותו לחומר מקובל מאוד בבניית מכוניות, אוניות, בניינים וכדומה. פלדה היא הסגסוגת הנפוצה ביותר של ברזל. שימושים נוספים של ברזל:

• ברזל גולמי (Pig Iron) מכיל בין 5%-4% פחמן וכמויות משתנות של זיהומים כגון גופרית, צורן וזרחן. לברזל זה תכונות ביניים של מחצב ברזל, ברזל יציקה ופלדה.
• ברזל יציקה (יצקת) (Cast Iron) מכיל 3.5%-2% פחמן וכמויות קטנות של מנגן. זיהומים כמו בברזל גלמי מסולקים ממנו על מנת למנוע פגיעה בתכונותיו. טמפרטורת ההיתוך שלו נעה בין 1147 - 1197 מעלות צלזיוס.
• פלדה (Carbon Steel) שמכילה בין 0.5% ל-1.5% פחמן, עם כמויות קטנות של מנגן, גופרית, זרחן וצורן.
• ברזל חשיל (Wrought Iron) מכיל פחות מ-0.5% פחמן. סגסוגת זו חזקה, ניתנת לריקוע ונתיכה פחות מברזל גלמי.
• ברזל תלת ערכי משמש לייצור אחסון מגנטי למחשבים.
• סגסוגות ברזל מכילות לעתים חומרים כמו כרום, ניקל, מוליבדן, ונדיום טונגסטן ועוד.
• צבענים מבוססי תחמוצות ברזל נפוצים מאוד בצבעים תעשייתיים, צבעי אמנות ואיפור מינרלי, ממקור סינתטי או טבעי. הצבענים אינם רעילים ונוחים לשימוש, ועל כן נפוצים מאוד. לדוגמה אומברה שרופה, או שחור מאדים.

היסטוריה

תקופת הברזל החלה לפני כשלושת אלפים שנה, כשהאדם גילה את הברזל ותכונותיו. הוא השתמש בברזל לייצור כלים שונים (כמו חוד של חנית) ומאוחר יותר גילה את הפלדה, שהיא סגסוגת של ברזל ופחמן (אחוז הפחמן 0.02% - 2.06%) ולפעמים עם מתכות שונות נוספות, כגון כרום או ניקל.

גרזן ברזל קדום שנמצא בגוטלנד שבשבדיה

בהודו השתמשו בברזל כבר בשנת 2500 לפנה"ס. סדרת הפסלים המפורסמת "אשוקה פילאר" ליד דלהי עשויה מברזל טהור כמעט (98%) שלא החליד או נשחק עד היום. בין השנים 3000 - 2000 לפנה"ס, גדלו מספר החפצים העשויים ברזל (המקור ככל הנראה בברזל ממטאור) במסופוטמיה, השימושים היו טקסיים וברזל היה מתכת יקרה מאוד, אפילו יותר מזהב. באיליאדה, מתואר שכלי נשק היו עשויים מארד, אבל השתמשו במטילי ברזל בסחר. מספר מקורות מציעים שברזל היה מופק באותו זמן כתוצר נלווה לזיקוק נחושת.

בין השנים 1600 - 1200 לפנה"ס, גבר השימוש בברזל במזרח התיכון אבל הוא לא החליף את הארד. בין המאה ה-10 לפנה"ס למאה ה-12 לפנה"ס הייתה מגמה להחליף כלי ארד לכלי ברזל במזרח התיכון. באותו זמן התגלתה טכניקת הפחמון (או קרבוניזציה, שבה מעלים את אחוז הפחמן במתכת) שבעזרתה אנשי המזרח התיכון ייצרו ברזל חזק בהרבה ופחות שביר.

קישורים חיצוניים

• ברזל ב-Webelements (באנגלית)
• ברזל בספריה הווירטואלית של מט"ח (בעברית)