Raud

Raud on keemiline element järjenumbriga 26.

Raud (ladina keeles ferrum; keemiline sümbol Fe) on keemiline element järjenumbriga 26.

Raud kuulub siirdemetallide hulka, täpsemalt perioodilisussüsteemi VIII B rühma ehk 8. kõrvalrühma (raua-plaatinarühm). Uue arvestuse järgi rühma 8 (rauarühma) ja 4. perioodi.

Tal on neli stabiilset isotoopi massiarvudega 54, 56, 57 ja 58.

Raud on metall ning tal on metallilised omadused.

Normaaltingimustel on raud tahke aine tihedusega 7,87 g/cm3. Raua sulamistemperatuur on 1539 °C. Raud esineb madalal rõhul nelja kristallmodifikatsioonina olenevalt temperatuurist.

Raud on üks levinumaid elemente Maa koostises. Massisisalduse järgi on raud kogu Maa ulatuses kõige levinum element (moodustades ligikaudu 30–35% Maa massist). Kogu Maa aatomite arvus on raua osatähtsus umbes 10–15% ja selle poolest on raud hinnanguliselt neljandal kohal (hapniku, magneesiumi ja räni järel). Maakoores on raua osakaal massis umbes 5% ning see on hapniku, räni ja alumiiniumi järel neljandal kohal ning metallidest alumiiniumi järel teisel kohal (vt keemiliste elementide sagedused). Maakoores on raua aatomite osakaal umbes 2–3% aatomitest. Selle näitaja järgi on raud ligikaudu 6.–7. kohal.

Maal esineb raud peale mitmesuguste maakide ja rauamineraalide sulamis raudmeteoriitides. Nendest valmistati juba enne rauaaega, kohati juba 3000 aastat eKr, kultusesemeid, tööriistu ja relvi. Kaevandatakse eelkõige rauamaake magnetiiti, hematiiti ja sideriiti.

Keemiliselt puhas raud on hõbevalge, suhteliselt pehme, plastiline, üsna kergesti reageeriv metall. Et raud on ferromagnetiline materjal, siis magnetid tõmbavad teda külge ja ta võib moodustada oma magnetvälju. Puhast rauda kasutatakse praktikas suhteliselt harva, kuid ta moodustab umbes 80 muu elemendiga sulameid, millest tähtsamad on teras ja malm. Neil on asendamatu majanduslik ja tehniline tähtsus paljudes tööstusharudes, näiteks autotööstus ja masinatööstus, samuti ehituses, transpordis ja energeetikas.

Raud on peaaegu kõikide organismide mikroelement. Selgroogsetel on ta vere koostisosa hemoglobiinis, mida kannavad punased verelibled. Raud on loomadel vajalik ka valkude moodustamiseks.

Raua asetus perioodilisussüsteemis ja aatomi ehitus

Raud kuulub perioodilisussüsteemis VIII rühma kõrvalalarühma. Raua aatomi järjenumbrist (26) ja täisarvuni ümardatud aatommassist (56) järeldub, et raua aatomi tuumas on 26 prootonit ja 56–26=30 neutronit. Raud on neljanda perioodi element, mis tähendab, et tema elektronkatte 26 elektroni asuvad neljal elektronkihil: Fe : +26 / 2)8)14)2). Raua aatomi elektronkonfiguratsioon on lühendatud kujul järgmine: (argooni aatomi elektronkonfiguratsioon pluss 8 ülejäänud raua elektroni) Ar 3d6 4s2.

Keemiliste reaktsioonide käigus võib raud loovutada elektrone ka eelviimaselt elektronkihilt.

Ühendeis on raua oksüdatsiooniaste II või III, viimane neist on keemiliselt stabiilsem. Kuigi tavaliselt on raua oksüdatsiooniaste +2 või +3, võib see harvem olla ka -4, -2, -1, 0, +1, +4, +5, +6, +7.

Raua aatomituuma nukleonide seoseenergia on üks kõrgemaid. 56Fe ja 58Fe tuumade seoseenergiast nukleoni kohta on suurem üksnes nikli (62Ni) aatomituuma seoseenergia. Vaata ka tuuma seoseenergia kõverat.

Raua füüsikalised ja keemilised omadused

Füüsikalised omadused

Keemiliselt puhas raud on hõbevalge suhteliselt pehme (keskmise kõvadusega) plastiline üsna kergesti reageeriv metall tihedusega 7,873 g/cm³, sulamistemperatuuriga 1539±1 °C (ülipuhas raud heeliumis atmosfäärirõhul[1][2]) ja keemistemperatuuriga 3070 °C.[3] Tehniliselt puhas raud sulab temperatuuril 1534±2 °C.[2] Võrreldes ülipuhta raua keemistemperatuuriga, mis arvutatakse aururõhu järgi,[4] on tehniliselt puhta raua keemistemperatuur selgelt madalam (2860 °C),[5], kusjuures kirjanduses antud väärtused on omavahel selgelt lahknevad.[6][7][8] Vaakumis rõhu all alla 10–5 mmHg sublimeerub raud temperatuuril 1100–1200 °C.[6]

Keskmise raua-aatomi mass on umbes 55 korda suurem kui vesinikuaatomil. Raua isotoobi 56Fe aatomituumal on üks suuremaid massidefekte ja seega kõikide aatomituumade seas üks suuremaid seoseanergiaid nukleoni kohta. Selle pärast vaadeldakse teda lõppastmena tähtedes toimuvas nukleosünteesis. Absoluutselt suuri massidefektiga on siiski 62Ni, millele järgneb 58Fe, ja alles kolmandal kohal on 56Fe.[9][10]

Toatemperatuuril on puhta raua ainuke stabiilne allotroopne polümorfne teisend α-raud ehk ferriit. See teisend kristalliseerub ruumkesestatud kuubilisse võresse (volframitüüp)) kristallograafilises rühmas nr 229 võreparameetriga a = 286,6 pm ja kahe valemiühikuga ühikraku kohta. See teisend on 910 °C-st madalamal temperatuuril stabiilne. Sellest temperatuurist kõrgemal muutub ta γ-modifikatsiooniks ehk austeniidiks. Sellel on pindkesestatud kuubiline võre (vasetüüp) kristallograafilise rühmaga nr 225 ja võreparameetriga a = 364,7 pm.[11]

Lisandid muudavad raua kõvemaks.

Raud on plastiline, mistõttu seda on võimalik valtsida ja sepistada. Raud on hea soojus- ja elektrijuht.

Raud on magneeditav. Raua kristallvõre muutub eri temperatuuridel.

Keemilised omadused

Raud on keskmise aktiivsusega metall (asub metallide elektrokeemilise pingerea keskpaiga lähedal). Kuivas õhus ta hapnikuga ei reageeri, kuid niiskuses kattub kergesti roostekihiga. Mida lisanditevabam on metall, seda püsivam on ta korrosiooni suhtes.

Rauasoolad

Raud(II)sooladest on kõige tähtsam raud(II)sulfaat-vesi (1/7) (FeSO4*7H2O), mida rahvapäraselt nimetatakse raudvitrioliks. See on heleroheline vees lahustuv kristalne aine. Raud(II)sulfaat saadakse raua reageerimisel lahjendatud väävelhappega:

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

Raud(II)sulfaati kasutatakse taimekahjurite tõrjevahendina, värvainetes ja tindi saamisel, kuid ka puiduimmutuslahuste valmistamiseks, et kaitsta puitu mädanemise eest.

Raud(III)sooladest on olulisemad raud(III)kloriid (FeCl3) ja raud(III)sulfaat (Fe2(SO4)3).

Raud(III)kloriidi võib saada vastavate lihtainete otsesel reageerimisel ja raud(III)oksiidi või -hüdroksiidi reageerimisel vesinikkloriidhappega:

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O

Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O

Kasutades vesinikkloriidhappe asemel väävelhapet, saadakse raud(III)sulfaat:

2Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O

Raud(III)kloriidi ja –sulfaati kasutatakse reaktiividena keemialaborites.