ברזל הוא היסוד העיקרי בהרכבכדור הארץ מבחינתמסה, והרביעי בהרכבקרום כדור הארץ. יש לו שימושים רבים בתרבות האנושית עוד מתקופותפרהיסטוריות. 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 ובייצורמכונות,כלים ומוצרי צריכה רבים.
הברזל הוא החומר הפרומגנטי הראשון שזוהה, ותכונה זו קרויה על שמו. תכונה זו גורמת לברזל להימשך אל קוטבימגנט ומאפשרת יצירת מגנטים מברזל.
הברזל מיוצר כחלק מתהליךנוקליאוסינתזה 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 עםניקל ויסודות קלים יותר. כוכבים שעברו פיצוץסופרנובה פיזרו את הברזל שבליבתם ברחביהיקום, וזה מקורו של כל הברזל הקיים מחוץ לשמשות (בכוכבי לכת,אסטרואידים וגופים קטנים יותר). ברזל הוא היסוד השישי הנפוץ ביותר ביקום.[3]
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 בצורתתרכובות כמוהמטיט (Fe2O3),מגנטיט (Fe3O4) וטקוניט. ברזל במצב מתכתי נמצא על פני כדור הארץ בכמויות קטנות שמקורן במטאוריטים (בסגסוגת עםניקל). ההנחה המקובלת בגאופיזיקה היא כי ליבת כדור הארץ וכוכבי הלכת הדומים לו מורכבת מסגסוגת דומה.
כמו כן ידועים 24 איזוטופים רדיואקטיביים, רובם בעלי זמן מחצית חיים קצר (חלקיקי שנייה עד שנים בודדות) ולכן אינם מצויים בטבע. רק לאיזוטופ60Fe זמן מחצית חיים ארוך יחסית, כ-2.6 מיליון שנה. איזוטופ זה נוצר בתהליך המתרחש רק במהלךסופרנובה, ומתפרק ל-60Ni, איזוטופ יציב של ניקל. קיומו של60Ni בשיעור גדול מהצפוי באסטרואידים מצביע על כך שההרכב הראשוני שלמערכת השמש כלל שיעור ניכר של60Fe, ומכך ניתן להסיק כי נוצרה מכוכבים קדומים יותר.
ברזל גולמי (Pig Iron) מכיל בין 5%-4%פחמן וכמויות משתנות של זיהומים כגוןגופרית,צורן וזרחן. לברזל זה תכונות ביניים של מחצב ברזל, ברזל יציקה ופלדה.
ברזל יציקה (יצקת) (Cast Iron) מכיל 3.5%-2% פחמן וכמויות קטנות שלמנגן. זיהומים כמו בברזל גולמי מסולקים ממנו על מנת למנוע פגיעה בתכונותיו. טמפרטורת ההיתוך שלו נעה בין 1,147–1,197מעלות 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 רכה, ניתנת לריקוע ויוצרה במיוחד עבורנפחים.
ברזל הוא המתכת השימושית ביותר לאדם (95% מכלל המתכת שמופקת בעולם). המחיר הנמוך ורמת הקשיחות הגבוהה הופכים אותו לחומר מקובל מאוד בבנייתמכוניות,אוניות, בניינים וכדומה. שימושים נוספים של ברזל:
מוטות ורשתות ברזל (פלדה) משולבים בתוך יציקותבטון ליצירתבטון מזוין, שלו עמידות גבוהה בפנימאמצים. בטון מזוין הוא חומר עיקרי בבניה של מבנים גדולים בכל העולם, ובישראל הוא משמש גם לבניית בתי מגורים. מחיר הברזל הוא מרכיב עיקרי בעלות הבניה של מבנים אלה.
צבענים מבוססיתחמוצות ברזל נפוצים מאוד בצבעים תעשייתיים, צבעי אמנות ואיפור מינרלי, ממקור סינתטי או טבעי. הצבענים אינם רעילים ונוחים לשימוש, ועל כן נפוצים מאוד. לדוגמהאומברה שרופה, אושחור מאדים.
לברזלמבנה גבישי קובייתי ממורכז גוף או קובייתי ממורכז פאה. ברזל טהור שאינו מעורב בפחמן הוא חומר רך וקל לריקוע, אולם אפילו כמות קטנה של פחמן (אשר מעורב בברזל בתהליך הפקתו) גורמת עליה ניכרת בחוזק ובקשיות. סגסוגת של ברזל ופחמן ביחסים שונים (הקרויותפלדה) מאפשרות קבלת שילובים שונים של חוזק, גמישות וקשיות.
ברזל בטמפרטורות נמוכות מ-770 מעלות צלזיוס הוא חומרפרומגנטי – הוא נמשך לקטבים של מגנט ויכול להתמגנט בעצמו. בנוכחותשדה מגנטי חיצוני, נוצר בתוך ברזל שדה מגנטי פנימי חזק יותר. תכונה זו שימושית לבנייתאלקטרומגנטים ושנאים, בהם השדה המגנטי מוכל ברובו בתוך ליבת ברזל המעוצבת בצורה הרצויה.
ברזל מגיב עםחמצן, בעיקר בנוכחותמים, בתהליךשיתוך (קורוזיה) היוצר תערובת של תרכובות ברזל המוכרת בשםחלודה. 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. ניתן לעכב את התפשטות החלודה על ידי צביעה בצבע אטום למים, או ציפוי במתכת אחרת כגון אבץ (תהליך הקרויגלוון מאפשר יצירת שכבה אחידה של ציפוי). בסגסוגת של פלדה עםכרום (פלדת אל-חלד המוכרת גם בשם המסחרינירוסטה) מתאפשרת פסיבציה המונעת החלדה של הברזל.
Fe+2: מכונה כיוםברזל (II); באנגלית כונה בעברFerrous, ובעברית:קט-ברזל.
Fe+3: מכונה כיוםברזל (III); באנגלית כונה בעברFerric, ובעברית:רב-ברזל.
Fe+4: מכונה כיוםברזל (IV); באנגלית כונה בעברFerryl. צורה זו פחות שכיחה מהקודמות.
Fe+6: מכונה כיוםברזל (VI); באנגלית כונה בעברFerrate. צורה זו נדירה מאוד.
על מנת להבין מדוע הצורות ברזל (II) ו-ברזל (III) הן הצורות היציבות יותר יש צורך להסתכל על קונפגורציית האלקטרונים באורביטלות היון. הברזל במצבו הנייטרלי הוא בעל 26 אלקטרונים הפרוסים על פני האורביטלות בקונפיגורציה של:. כאשר מייננים אטום, האלקטרונים נלקחים מהרמה הגבוהה ביותר.[4] במקרה זה מארוביטלת 4s. לכן קונפיגורציה בה אין בכלל רמה 4 היא יציבה יחסית. במצב של ברזל II בדיוק שני אלקטרונים נלקחים ומתירים את רמה 4 ריקה. במקרה של ברזל III האורביטלים לא רק שרמה 4 מבוטלת אלא גם יש בדיוק מילוי של חצי מאורביטלת d. דבר המקנה גם הוא יציבות יחסית.
בגוף האדם הבוגר יש בין ארבעה לחמישה גרם של ברזל. כ-65 אחוזים בהמוגלובין, 4–5 אחוזים במיוגלובין, כאחוז אחד במרכיבים שונים שלחמצון תוך-תאי, כעשירית האחוז מחובר לחלבוןטרנספרין וכ־15–30 אחוזים מאוכסנים בתאיכבד ובמערכת הרטיקולואנדותלית. ברזל מאוחסן בתאים בפריטין או בהמוסידרין (Hemosiderin).
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 במזונות צמחיים ובמזונות שמקורם בבעלי חיים.
מעת לעת במסגרת מעקב רפואי יישלח מטופל לביצועבדיקות דם, ובנוסף לרמות ההמוגלובין, ייבדקו 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 בדיקתהמוגלובין למבקשים לתרום דם. רמת ההמוגלובין צריכה להיות לפחות 12 גרם לדציליטר לאישה, ו-13 גרם לדציליטר לגבר. אם הרמה נמוכה יותר, לא לוקחיםתרומת דם מאותו אדם.
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 כמוהמוכרומטוזיס 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.
פרק זה לוקה בחסר. אנאתרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. גילוי הברזל (מטאוריטים), אזכורים בתנ"ך.
תקופת הברזל החלה לפני כשלושת אלפיםשנה, כשהאדם גילה את הברזל ותכונותיו. הוא השתמש בברזל לייצור כלים שונים (כמו חוד שלחנית) ומאוחר יותר למד להפיקפלדה, שהיאסגסוגת של ברזל ופחמן (אחוז הפחמן 0.02%–2.06%) ולפעמים עם מתכות שונות נוספות, כגוןכרום אוניקל.
בהודו השתמשו בברזל כבר בשנת 2500 לפנה"ס. סדרת הפסלים המפורסמת "אשוקה פילאר" לידדלהי 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 לזיקוקנחושת.
בין השנים 1600–1200 לפנה"ס, גבר השימוש בברזל במזרח התיכון אבל הוא לא החליף את הארד. בין המאה ה-12 לפנה"ס למאה ה-10 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.
