Железо

Железо (лат. Ferrum) – химический элемент VIII группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Блестящий серебристо-белый пластичный металл, плотностью 7,874 г/см3, tплав.=1535 °С. Железо – один из семи металлов, известных человечеству с глубокой древности. По распространенности в литосфере железо находится на 4-м месте среди всех элементов и на 2-м месте после алюминия среди металлов. Его кларк (процентное содержание по массе) в земной коре составляет 4,65 %. Железо входит в состав более 300-х минералов, но промышленное значение имеют только руды с содержанием не менее 16 % железа: магнетит (магнитный железняк) – Fe3O4 (72,4 % Fe), гематит (железный блеск или красный железняк) Fe2O3 (70% Fe), бурые железняки (гётит, лимонит и т.п.) с содержанием железа до 66,1% Fe, но чаще 30-55%.

  Типы железа

Железо существует в природе в различных формах (в зависимости от валентности: Fe0, Fe+2, Fe+3), а также в виде различных сложных химических соединений.

1. Бактериальное железо. Некоторые виды бактерий способны использовать энергию растворенного железа в процессе своей жизнедеятельности. При этом происходит преобразование двухвалентного железа в трехвалентное, которое сохраняется в желеобразной оболочке вокруг бактерии.
2. Коллоидное железо. Коллоиды – это нерастворимые частицы очень малого размера (менее 1 микрона), в силу чего они трудно поддаются фильтрации на гранулированных фильтрующих материалах. Крупные органические молекулы (такие как танины и лигнины) также попадают в эту категорию. Коллоидные частицы из-за своего малого размера и высокого поверхностного заряда (отталкивающего частицы друг от друга, препятствуя их укрупнению) создают в воде суспензии и не осаждаются, находясь во взвешенном состоянии.
3. Растворимое органическое железо. Также как, например, полифосфаты способны связывать и удерживать в растворе кальций и другие металлы, некоторые органические молекулы способны связывать железо в сложные растворимые комплексы, называемые хелатами. Примером такого связывания может служить удерживающая железопорфириновая группа гемоглобина крови или удерживающий магний хлорофилл растений. Так, прекрасным хелатообразующим агентом является гуминовая кислота, играющая важную роль в почвенном ионообмене. Все вышеперечисленные виды железа «ведут» себя в воде по-разному.

Так, если наливаемая в сосуд вода чиста и прозрачна, но через некоторое время в процессе отстаивания образуется красно-бурый осадок, то это признак наличия в воде двухвалентного железа. В случае если вода уже из крана идет желтовато-бурая и образуется осадок при отстаивании – надо «винить» трехвалентное железо. Коллоидное железо окрашивает воду, но не образует осадка. Бактериальное железо проявляет себя радужной опалесцирующей пленкой на поверхности воды и желеобразной массой, накапливаемой внутри труб. Основные отличительные признаки приведены в таблице.

Необходимо только отметить, что «беда никогда не ходит одна» и на практике при водоочитске почти всегда встречается сочетание нескольких или даже всех видов железа. Учитывая, что нет единых утвержденных методик определения органического, коллоидного и бактериального железа, то в деле подбора эффективного метода (скорее комплекса методов) очистки воды от железа очень много зависит от практического опыта фирмы, занимающейся водоочисткой. К сожалению, очень часто достаточно очевидные стандартные методы не работают в, казалось бы, простой ситуации. 

Железо давно и повсеместно применяется в технике, причем не столько в силу своего широкого распространения в природе, сколько в силу своих свойств: оно пластично, легко поддается горячей и холодной ковке, штамповке и волочению. Однако чистое железо обладает низкой прочностью и химической стойкостью (на воздухе в присутствии влаги окисляется, покрываясь нерастворимой рыхлой ржавчиной бурого цвета). В силу этого в чистом виде железо практически не применяется. То, что мы в быту привыкли называть «железом» и «железными» изделиями на самом деле изготовлено из чугуна и стали – сплавов железа с углеродом, иногда с добавлением других так называемых легирующих элементов, придающих этим сплавам особые свойства. 

  Источники

Главными источниками соединений железа в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения горных пород. Железо реагирует с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами, образуя сложный комплекс соединений, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками. В питьевой воде железо может присутствовать также вследствие применения на муниципальных станциях очистки воды железосодержащих коагулянтов, либо из-за коррозии «черных» (изготовленных из чугуна или стали) водопроводных труб. Содержание железа в пресных поверхностных водах составляет десятые доли миллиграмма. Основной его формой в поверхностных водах являются комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом с солями гуминовых кислот – гуматами. Поэтому повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах (единицы миллиграммов), где концентрация гумусовых веществ достаточно велика. При рН = 8,0 основной формой железа в воде является гидрат оксида железа Fe(OH)3, находящийся во взвешенной коллоидной форме. Наибольшие же концентрации железа (до нескольких десятков миллиграмм в 1 дм3) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН и с низким содержанием растворенного кислорода, а в районах залегания сульфатных руд и зонах молодого вулканизма концентрации железа могут достигать даже сотен миллиграммов в 1 литре воды. В подземных водах железо присутствует в основном в растворенном двухвалентном виде. Трехвалентное железо при определенных условиях также может присутствовать в воде в растворенном виде как в форме неорганических солей (например, сульфатов), так и в составе растворимых органических комплексов. 

  Влияние на качество воды

Содержащая железо вода (особенно подземная) сперва прозрачна и чиста на вид. Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0,3 мг/л такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. Поэтому современная система водоводготовки обеспечивает именно этот максимальный уровень концентрации. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения. По органолептическим признакам предел содержания железа в воде практически повсеместно установлен на уровне 0,3 мг/л (а по нормам ЕС даже 0,2 мг/л). Здесь необходимо подчеркнуть, что это ограничение именно по органолептическим соображениям. По показаниям вредности для здоровья такой параметр не установлен. 

  Пути поступления в организм

Основной путь поступления железа в организм человека – с пищей. По оценкам ВОЗ доля воды в общем объеме естественного поступления железа в организм среднестатистического человека не превышает 10 %. У людей определенных профессий (шахтеров, занятых на разработках железных руд и в меньшей степени у сварщиков) возможно попадание соединений железа с пылью при дыхании, что может вызывать профессиональные заболевания. Из продуктов питания наиболее богаты железом печень, мясо и почки животных, яичный желток, рыба, а также сушеные белые грибы, бобовые (горох, фасоль, соя), гречка, зелень шпината и петрушки, айва, чернослив, абрикосы, другие овощи и фрукты. При этом надо отметить, что железо – трудно усваиваемый элемент и с точки зрения его поступления в организм усвояемость железа становится даже более важным показателем, чем его абсолютное содержание в том или ином продукте. Так, из продуктов животного происхождения, где железо содержится в так называемой гемовой (дословно – «относящийся к крови») форме, усваивается от 10 % (рыба) до 20-30 % (телятина) железа. Из продуктов же растительного происхождения (где железо содержится в негемовой двухвалентной форме) этот показатель ниже – от 1 % (рис, шпинат) до 6 % (соевые бобы). Железо же в трехвалентной форме практически не усваивается. Таким образом, средняя усвояемость железа из продуктов питания составляет около 10 % (порядка 6 % у мужчин и 14 % – у женщин). Всасыванию железа способствует витамин С – аскорбиновая кислота (восстанавливающая нерастворимое трехвалентное железо до растворимого двухвалентного), витамины группы В, микроэлементы медь и кобальт. Препятствуют усвоению железа высокое содержание в пище (и, можно предполагать, воде) кальция и фосфатов, с которыми железо образует нерастворимые соединения; фосфатин и фитин, содержащиеся в зерновых продуктах (например, в хлебе и дрожжевом тесте); чай (железо образует трудно растворимые комплексы с дубильными веществами); избыток жиров; молоко и т.п. 

  Потенциальная опасность для здоровья

Как уже упоминалось выше, при систематическом вдыхании воздуха, содержащего железосодержащую пыль (например, оксид железа), возможно возникновение профессиональных заболеваний. Так, в легких шахтеров, занятых на разработках красного железняка, может накапливаться до 45 грамм железа. Это приводит к возникновению такого профессионального заболевания из разряда пневмокониозов (от греческих pneumon - легкие и konia - пыль), обусловленного длительным вдыханием производственной пыли, как сидероз (от греческого sideros - железо), чреватого развитием пневмосклероза. Что же касается вредного воздействия железа при его поступлении в организм с пищей и водой, то Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) не предлагает какой-либо рекомендуемой величины по показания здоровья, так как нет достаточных данных о негативном воздействии железа на организм человека. При уровне установленного ВОЗ переносимого суточного потребления (ПСП) железа, равном 0.8 мг/кг массы тела человека, безопасное для здоровья суммарное содержание железа в воде составляет 2 мг/л. Это означает, что употребляя ежедневно на протяжении всей жизни такую воду, можно не опасаться за последствия для здоровья (другое дело, что вода с 2 мг/л железа будет иметь весьма «неаппетитный» вид). В российской прессе регулярно проскакивают упоминания о вредном воздействии железа на организм, причем в концентрациях уже выше 0,3 мг/л, что и обеспечивает современная водоподготовка. В качестве последствий упоминаются неприятности со здоровьем, начиная от аллергических реакций, что, вполне не исключено – хронических профессиональных заболеваний легких, обусловленных длительным вдыханием производственной пыли аллергия может быть на что угодно, до «увеличения риска инфарктов и негативного влияния на репродуктивную функцию организма... сухости и зуда». Безусловно, в больших количествах железо, как и любое другое химическое вещество, способно вызвать в организме человека нарушения и даже патологии. Учитывая, однако, что железо очень трудно усваиваемый элемент, особенно в неорганической форме (в которой оно в основном и содержится в воде), представляется, что «перебрать» его достаточно трудно. Так что, гораздо более близкой к истине нам кажется точка зрения ВОЗ. 

  Физиологическое значение

Железо относится к числу эссенциальных (жизненно важных) для человека микроэлементов, участвуя в процессах кроветворения, внутриклеточного обмена и регулирования окислительно-восстановительных процессов. Организм взрослого человека содержит 4-5 г железа, которое входит в состав важнейшего дыхательного пигмента гемоглобина (5570 % от общего содержания), вырабатываемого костным мозгом и ответственного за перенос кислорода от легких к тканям, белка миоглобина (10-25 %), необходимого для накопления кислорода в мышечной ткани, а также в состав различных дыхательных ферментов (около 1 % общего содержания), например, цитохромов, катализирующих процесс дыхания в клетках и тканях. Кроме того, 20-25 % железа хранится в организме как резерв, сосредоточенный в печени и селезенке в виде ферритина – железо-белкового комплекса, служащего «сырьем» для получения всех вышеперечисленных многообразных соединений железа. В плазме крови содержится не более 0,1 % от общего содержания железа. Выделяется железо из организма в основном через стенки толстого кишечника и незначительно через почки. За сутки выводится примерно 6-10 мг железа. Отсюда и суточная потребность человека в железе (в усредненных цифрах). У женщин, например, потребность в железе выше, чем у мужчин – 15-18 мг. Однако, учитывая низкую усвояемость железа, с пищевым рационом человек должен получать в норме 60-100 мг железа в сутки. В целом, обмен железа в организме зависит от функционирования печени. При нарушениях в ее работе, а также при бедном железом рационе (например, при искусственном вскармливании детей, особенно чрезвычайно бедными железом коровьим и козьим молоком) возможно развитие железодефицитной анемии или, по-простому говоря, «малокровия». Это заболевание характеризуется бледностью кожи и слизистых, одутловатостью лица и сопровождается общей слабостью, быстрой физической и психической утомляемостью, отдышкой, головокружениями, шумом в ушах. При нарушении клеточного метаболизма может развиваться и обратное явление – избыточное накопление железа в организме. При этом содержание железа в печени может достигать 20-30 г, а также наблюдаться повышенная его концентрация в поджелудочной железе, почках, миокарде, иногда в щитовидной железе, мышцах и эпителии языка.

Все статьи