ברזל

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
קובלט - ברזל - מנגן
 

Fe
Ru  
 
 
Fe-TableImage.png
כללי
מספר אטומי 26
סמל כימי Fe
סדרה כימית מתכות מעבר
צפיפות 7874 kg/m3
מראה
מתכת מבריקה בגוון אפרפר
Iron electrolytic and 1cm3 cube.jpg
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

ברזללטינית: Ferrum) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי Fe ומספרו האטומי 26.

ברזל הוא היסוד העיקרי בהרכב כדור הארץ מבחינת מסה, והרביעי בהרכב קרום כדור הארץ. יש לו שימושים רבים בתרבות האנושית עוד מתקופות פרהיסטוריות. שיטות להפקת ברזל ועיבודו התפתחו בעיקר החל מהמאה ה-19 והביאו לפיתוח התעשייה הכבדה, בה הברזל הוא היסוד המופק בכמות הרבה ביותר. בתרבות המודרנית ברזל הוא מרכיב עיקרי בבנייה ובייצור מכונות, כלים ומוצרי צריכה רבים.

הברזל הוא החומר הפרומגנטי הראשון שזוהה, ותכונה זו קרויה על שמו. תכונה זו גורמת לברזל להימשך אל קוטבי מגנט ומאפשרת יצירת מגנטים מברזל.

בבעלי חיים, הברזל הוא מינרל קורט החיוני לבניית התרכובת האורגנית הם, אשר מאפשרת נשיאת חמצן על ידי תאי דם אדומים. כמו כן הברזל משמש בשמירת החמצן בתוך רקמת תא בתוך מיוגלובין.

בטבע[עריכת קוד מקור | עריכה]

הברזל מיוצר כחלק מתהליך נוקליאוסינתזה כוכבית - היתוך גרעיני בכוכבים בעלי מסה גבוהה, והוא היסוד היציב הכבד ביותר והאחרון המיוצר בתהליך זה. בליבה של כוכבים אלה נוצרות כמויות גדולות של ברזל, יחד עם ניקל ויסודות קלים יותר. כוכבים שעברו פיצוץ סופרנובה פיזרו את הברזל שבליבתם ברחבי היקום, וזה מקורו של כל הברזל הקיים מחוץ לשמשותכוכבי לכת, אסטרואידים וגופים קטנים יותר). ברזל הוא היסוד השישי הנפוץ ביותר ביקום.

ברזל הוא היסוד המתכתי הנפוץ ביותר בכדור הארץ (כ-5% ממסת קרום כדור הארץ, כ-32% ממסת כדור הארץ הכוללת). בקרום כדור הארץ הוא נמצא כמעט תמיד בצורת תרכובות כמו המטיט (Fe2O3), מגנטיט (Fe3O4) וטקוניט. ברזל במצב מתכתי נמצא על פני כדור הארץ בכמויות קטנות שמקורן במטאוריטים (בסגסוגת עם ניקל). ההנחה המקובלת בגאופיזיקה היא כי ליבת כדור הארץ וכוכבי הלכת הדומים לו מורכבת מסגסוגת דומה.

ברזל מופיע בטבע בארבעה איזוטופים:

כמו כן ידועים 24 איזוטופים רדיואקטיביים, רובם בעלי זמן מחצית חיים קצר (חלקיקי שנייה עד שנים בודדות) ולכן אינם מצויים בטבע. רק לאיזוטופ 60Fe‏ זמן מחצית חיים ארוך יחסית, כ-2.6 מיליון שנה. איזוטופ זה נוצר בתהליך המתרחש רק במהלך סופרנובה, ומתפרק ל-60Ni‏, איזוטופ יציב של ניקל. קיומו של 60Ni‏ בשיעור גדול מהצפוי באסטרואידים מצביע על כך שההרכב הראשוני של מערכת השמש כלל שיעור ניכר של 60Fe‏, ומכך ניתן להסיק כי נוצרה מכוכבים קדומים יותר.

בתעשייה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ערימת עפרת ברזל המשמשת כחומר גלם לייצור פלדה

הפקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

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.

מוצרי תעשיית הברזל[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • 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.


סגסוגות ברזל מכילות לעתים חומרים כמו כרום, ניקל, מוליבדן, ונדיום טונגסטן ועוד לקבלת תכונות רצויות.

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

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. שימושים נוספים של ברזל:

תכונות[עריכת קוד מקור | עריכה]

ברזל טהור שאינו מעורב בפחמן הוא חומר רך ופריך מאוד, אולם אפילו כמות קטנה של פחמן (אשר מעורב בברזל בתהליך הפקתו) גורמת עליה ניכרת בחוזק ובקשיות. סגסוגת של ברזל ופחמן ביחסים שונים (הקרויות פלדה) מאפשרות קבלת שילובים שונים של חוזק, גמישות וקשיות.

ברזל בטמפרטורות נמוכות מ-770 מעלות צלזיוס הוא חומר פרומגנטי - הוא נמשך לקטבים של מגנט ויכול להתמגנט בעצמו. בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, נוצר בתוך ברזל שדה מגנטי פנימי חזק יותר. תכונה זו שימושית לבניית אלקטרומגנטים ושנאים, בהם השדה המגנטי מוכל ברובו בתוך ליבת ברזל המעוצבת בצורה הרצויה.

ברזל מגיב עם חמצן, בעיקר בנוכחות מים, בתהליך שיתוך (קורוזיה) היוצר תערובת של תרכובות ברזל המוכרת בשם חלודה. בניגוד למתכות אחרות שהתחמוצות שלהן יוצרות שכבת מגן (פסיבציה) העוצרת את תהליך השיתוך, חלודה היא רכה יותר ובעלת צפיפות נמוכה יותר מהברזל ממנו היא נוצרת. כתוצאה מכך החלודה נוטה לפרק את הברזל ולהתקלף ממנו, תוך חשיפת שכבה חדשה של ברזל לחמצן ולמים, כך שתהליך החלודה יכול להמשיך ואף להתגבר, עד להפיכת כל הברזל לתחמוצת. כדי למנוע החלדה של מוצרים העשויים מברזל ניתן לצבוע אותם בצבע אטום למים, או לצפותם במתכת אחרת כגן אבץ (תהליך הקרוי גלוון מאפשר יצירת שכבה אחידה של ציפוי). בסגסוגת של פלדה עם כרום (פלדת אל-חלד המוכרת גם בשם המסחרי נירוסטה) מתאפשרת פסיבציה המונעת החלדה של הברזל.

יוני ברזל[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

המבנה הכימי של הם b

לברזל חשיבות עליונה בביולוגיה; הוא חומר חיוני לרוב היצורים החיים. הברזל נמצא בעיקר 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. לברזל חשיבות גם למחזור התא, להפיכה של ריבונוקלאוטידים (המרכיב את ה-RNA) לדאוקסיריבונוקלאוטיד (המרכיב את ה-DNA).‏[1]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

ברזל הוא מרכיב 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 מדי של ברזל עלולה להיות 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.

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.

במזונות מן החי מצוי הברזל ב- בשר אדום, דגים ובשר עוף. כבד הוא מקור עשיר לברזל.

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.

מחסור בברזל[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אנמיה מחוסר ברזל

מחסור בברזל יכול לגרום לתופעות כגון נשירת שיער, שבירת ציפורניים, עייפות, דיכאון ועוד.

מעת לעת במסגרת מעקב רפואי ישלח מטופל לביצוע בדיקות דם ובנוסף לרמות ההמוגלובין, תבדקנה גם רמות ה-iron (ברזל זמין), פריטין וטראנספרין (Transferrin, מאגרי הברזל ויכולת ניודו).

תורמי דם נמצאים בסיכון מיוחד של רמות ברזל נמוכות בדם. לכן מתבצעת בדיקת המוגלובין למבקשים לתרום דם. רמת ההמוגלובין צריכה להיות לפחות 12 גרם לדציליטר לאישה ו-13 גרם לדציליטר לגבר, אם הרמה נמוכה יותר לא לוקחים תרומת דם מאותו אדם.

עודף ברזל[עריכת קוד מקור | עריכה]

קליטת ברזל בגוף מווסתת בדרך כלל בזמן העיכול. לגוף אין תהליך לפליטת ברזל ולכן הדרך לוויסות כמות הברזל בגוף היא בקרה על קליטתו.

עודף ברזל בגוף יכול לגרום למחלות כמו המוכרומטוזיס שבה כמות רבה של ברזל נאגרת באיברים. תופעה זו עלולה להתרחש אצל אנשים שבקרת קליטת הברזל שלהם אינה תקינה, בדרך כלל כתוצאה מפגם גנטי תורשתי. מעריכים ששכיחות התופעה היא כ-0.3% עד 0.5% מהאוכלוסייה אצל אנשים לבנים. לכן עדיף להימנע מנטילת תוספי מזון המכילים ברזל ללא המלצת רופא.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 נקי למדי (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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ FM Torti and SV Torti, Regulation of ferritin genes and protein, Blood Journal, 2002