Железо (Fe) – это химический элемент восьмой группы четвертого периода периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Атомный номер железа – 26, символьное обозначение – Fe (от лат. Ferrum). Железо представляет собой ковкий металл серебристо-белого цвета, плотность которого равна 7,874 г/см3, а температура плавления – 1535°C. Железо является одним из самых распространённых металлов в земной коре, вторым после алюминия.
Железо обладает целым рядом свойств, позволяющих активно использовать этот металл в технике. Прежде всего, это пластичность, ковкость, способность беспроблемно поддаваться штамповке и волочению. Тем не менее, следует отметить, что чистое железо имеет весьма низкую прочность и химическую стойкость. Так, на воздухе при наличии влаги железо окисляется и покрывается бурой ржавчиной. Данное обстоятельство не позволяет активно использовать железо в чистом виде. Именно поэтому то, что мы в быту, как правило, называем «железным», в действительности является изделиями из чугуна и стали, т.е. сплавов железа с углеродом и в отдельных случаях с добавлением некоторых легирующих элементов, способным придавать данным сплавам специфические свойства.
В природе железо встречается в различных формах:
1. Элементарное (металлическое) железо (Fe0). Данная форма железа абсолютно не растворяется в воде. При отсутствии влаги и кислорода элементарное железо окисляется до трехвалентного, в результате чего образуется нерастворимый оксид Fe2O3. В быту данный процесс, как правило, именуют «появлением ржавчины».
2. Двухвалентное железо (Fe+2). В воде практически всегда присутствует в растворенном виде. Но в редких случаях может выпадать в осадок.
3. Трехвалентное железо (Fe+3). Гидроксид железа Fe(OH)3 в воде не растворяется, в то время как хлорид FeCl3 и сульфат Fe2(SO4)3 трехвалентного железа растворимы в воде, при этом способны образовываться даже в слабощелочных водах.
4. Органическое железо. Данный вид может присутствовать в воде в различных формах, а также в составе разных комплексов. В большинстве случаев органические соединения железа растворимы либо обладают коллоидной структурой и являются трудноудаляемыми. Известны следующие виды органического железа:
1) Бактериальное железо. Существуют бактерии, обладающие способностью использовать энергию растворенного железа для поддержания своей жизнедеятельности. В результате этих процессов двухвалентное железо преобразуется в трехвалентное, сохраняемое в желеобразной оболочке вокруг бактерии.
2) Коллоидное железо. Коллоидами называют очень маленькие нерастворимые частицы, которые по причине их размера создают трудности при фильтрации на гранулированных фильтрующих материалах. К этой категории также причисляют крупные органические молекулы (например, танины и лигнины). Коллоидные частницы образуют в воде суспензии, не осаждаются и остаются во взвешенном состоянии.
3) Растворимое органическое железо. Некоторые органические молекулы могут связывать железо в сложные растворимые комплексные соединения – хелаты. Самый яркий пример подобного соединения – это удерживающая железопорфириновая группа гемоглобина крови. В качестве примера хорошего хелатообразующего агента также можно привести гуминовую кислоту, которая имеет важнейшее значение в процессе почвенного ионообмена.
Разные формы железа по-разному проявляют себя в воде. Например, если чистая и прозрачная вода, налитая в сосуд, через какое-то время приобретает красно-бурый осадок, то можно говорить о наличии в такой воде двухвалентного железа. Если же вода, обладающая желтовато-бурым оттенком, при отстаивании образует осадок, то это является показателем присутствия в ней трехвалентного железа. Бактериальное железо образует на поверхности воды радужную пленку. А коллоидное железо окрашивает воду, не образуя при этом осадка. Таблица ниже демонстрирует «поведение» в воде разных видов железа более наглядно:
Однако стоит отметить, что случаи, когда железо встречается в воде лишь в одной из возможных форм, крайне редки. Практика показывает, что в подавляющем числе случаев железо присутствует в воде сразу в нескольких сочетаниях и видах. При этом в настоящее время не существует единых методик, позволяющих определить органическое, бактериальное и коллоидное железо. Классические методы очистки воды не во всех случаях оказываются эффективными. А потому при выборе метода очистки воды весьма многое зависит от практического опыта компании, производящего очистку воды от железа.
Источники. В природных водах соединения железа появляются, главным образом, в результате процессов химического выветривания и растворения горных пород. В природных водах содержатся минеральные и органические вещества, с которыми железо способно вступать в реакции, в ходе чего образуются различные сложные комплексные соединения, могущие находится в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии.
Железо может поступать в воду также с подземными стоками и со сточными водами различных промышленных предприятий, например, металлургических, металлообрабатывающих, лакокрасочных, текстильных и т.д.
Что касается питьевой воды, то содержание в ней железа можно объяснить применением на муниципальных станциях очистки воды коагулянтов, содержащих железо, а также коррозией водопроводных труб, изготовленных из чугуна и стали.
В пресных поверхностных водах железо содержится в десятых долях миллиграмма. Основная форма, в которой присутствует железо в таких водах, - это комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными органическими и неорганическими соединениями (например, гуматами – солями гуминовых кислот). Именно по этой причине высокое содержание железа характерно для болотных вод, ведь в них гумусовые вещества содержатся, как известно, в немалых количествах. Если pH равен 8,0, то в качестве основной формы железа в воде будет выступать гидрат оксида железа Fe(OH)3, присутствующий во взвешенном коллоидном состоянии. Высокий уровень содержания железа характерен для подземных вод с низкими показателями pH и с невысоким содержанием растворенного кислорода. При таких условиях концентрация железа может достигать десятков миллиграмм в 1 дм3. Однако в местностях, отмеченных залеганиями сульфатных руд, и в зонах молодого вулканизма концентрация железа может доходить до еще более высоких показателей – до сотен миллиграммов в 1 литре воды. Подземные воды содержат себе железо, как правило, в двухвалентном виде. Трехвалентное железо также может встречаться в воде в растворенном виде в качестве неорганических солей или в составе растворимых органических комплексов.
Влияние на качество воды. Вода, содержащая в себе железо, поначалу обладает прозрачностью и кажется чистой на вид. Но даже при недлительном контакте с кислородом воздуха такая вода начинает меняться в цвете под влиянием окисления железа. Вода приобретает желтовато-бурый оттенок. Если концентрация железа в воде превышает 0,3 мг/л, то такая вода может образовывать на сантехнике ржавые потеки, а на белье во время стирки оставлять пятна. При содержании железа, превышающем 1 мг/л, вода приобретает мутность, желто-бурый окрас и неприятный металлический привкус. Вследствие чего такая вода становится неприемлемой как для питья, так и для технического применения. По органолептическим признакам установлена норма содержания железа в воде не более 0,3 мг/л (по нормам ЕС – 0,2 мг/л).
Пути поступления в организм. Железо поступает в организм человека, главным образом, через пищу. Главными источниками этого элемента являются мясо, печень и почки животных, рыба, яичный желток, фасоль, горох, гречка, петрушка, шпинат, абрикосы, чернослив и проч. Железо трудно усваивается человеческим организмом. Так, железо, получаемое из продуктов животного происхождения, усваивается на 10-30%, а из продуктов растительного происхождения – на 1-6%. Усвоению железа способствует употребление в пищу продуктов, богатых витамином C, витаминами группы B, медью и кобальтом. Препятствуют всасыванию железа продукты, содержащие в больших количествах кальций и фосфаты, фосфатин, фитин и т.д.
Отметим также иные источники поступления железа в человеческий организм. С водой человек получает не более 10% от общего объема железа, попадающего в организм естественными путями. Однако железо может поступать в организм человека также и при дыхании вместе с пылью, что характерно для людей, занимающихся определенного рода трудовой деятельностью, например, шахтеров или сварщиков. Такая ситуация чревата возникновением некоторых профессиональных болезней (сидероз, пневмосклероз и др.).
В настоящее время не имеется достаточных данных о вредном воздействии на организм человека железа, полученного через пищу и воду. В связи с чем Всемирная Организация Здравоохранения не устанавливает каких-либо величин по содержанию железа, исходя из показаний здоровья. Однако ВОЗ полагает, что при переносимом суточном потреблении железа, равном 0,8 мг/кг массы тела человека, содержание железа в воде до 2 мг/л можно считать безопасным для человеческого здоровья.
Железо – жизненно важный для человека микроэлемент. Оно участвует в процессах кроветворения, внутриклеточного обмена, а также в окислительно-восстановительных процессах. В организме взрослого человека содержится около 4-5 г железа, из которых 55-70% входят в состав гемоглобина, отвечающего за перенос кислорода из легких в ткани, 10-25% составляют белок миоглобин, благодаря которому происходит накопление кислорода в мышечной ткани, и около 1% входит в состав разных дыхательных ферментов. Более того, примерно 20-25% железа составляют «резерв», находящийся в печени и селезенке человека (ферритин). Плазма крови содержит в себе около 0,1% железа.В сутки человек теряет около 6-10 мг железа. Выводится оно, главным образом, через стенки толстого кишечника. Поэтому потребность человека в железе также составляет 6-10 мг в сутки. Однако женский организм нуждается в железе больше, чем мужской. В связи с этим суточная потребность женщины в железе может составлять до 18 мг. Если же вспомнить, что усвояемость железа достаточна низкая, то становится очевидным, что человеку необходимо получать в день как минимум 60-100 мг железа.
За обмен железа в человеческом организме, прежде всего, несет ответственность печень. При нарушении ее функционирования возможно возникновение железодефицитной анемии – заболевания, характеризуемого бледным цветом кожи, общей слабостью, высокой утомляемостью, головокружением и некоторыми другими симптомами. Данное заболевание может развиваться не только при нарушениях в работе печени, но и в результате рациона, недостаточно обогащённого железом.