Rauta

Esiintyminen

Rauta on neljänneksi yleisin alkuaine ja toiseksi yleisin metalli maankuoressa, jossa sitä on noin 5 prosenttia. Sitä esiintyy luonnossa jonkin verran vapaanakin, meteoriittirautana. Maankuoressa sitä on kuitenkin paljon enemmän erilaisina yhdisteinä. Tärkeitä mineraaleina esiintyviä rautayhdisteitä ovat rautaoksidit kuten magnetiitti (Fe₃O₄) ja hematiitti (Fe₂O₃) sekä rautasulfidi, rikkikiisu eli pyriitti (FeS₂). Myös rautasälpää eli sideriittiä, joka on rautakarbonaattia (FeCO₃), louhitaan rautamalmina. Luonnossa rautaa on runsaasti myös silikaattimineraaleina, jotka yleensä ovat väriltään tummia, mutta niillä ei ole merkitystä malmina.
Nykyisten geologisten teorioiden mukaan maapallon sisin osa sisältää etupäässä rautaa ja nikkeliä. Jos teoria pitää paikkansa, maapallolla on rautaa enemmän kuin mitään muuta alkuainetta, noin 35 prosenttia Maan massasta.
Rautaoksidia on runsaasti myös Marsin pintakerroksissa, jotka saavat niistä punertavan värinsä.

Historia

Rauta tunnettiin jo esihistoriallisena aikana. Vanhimmat todisteet sen käytöstä ovat Sumerista ja Egyptistä noin 4000 ennen ajanlaskun alkua. Silloin raudasta tehtiin pääasiassa keihään kärkiä tai muita suhteellisen pieniä esineitä, koska rautaa kerättiin meteoriittien jäännöksistä, jotka ovat varsin harvinaisia. Yleiseksi sen käyttö tuli kuitenkin sen jälkeen, kun sitä ensin Lähi-idässä noin 1400 eaa. ja myöhemmin muuallakin opittiin valmistamaan pelkistämällä oksidimalmeista. Tällöin pronssikausi päättyi ja alkoi rautakausi.
Ennen masuunin keksimistä rautaa valmistettiin suorapelkistämällä malmia puuhiilen avulla. Suorapelkistyksessä uunin lämpötila ei kohonnut raudan sulamispisteeseen saakka, vaan pelkistyminen tapahtui kiinteässä tilassa. Tällöin vain pieni osa hiilestä sitoutui rautaan, ja tuloksena oli pehmeää kanki- eli takorautaa. Jo vanhalla ajalla takoraudasta osattiin valmistaa myös terästä hehkuttamalla sitä hiilikerrosten välissä ilmalta suojassa. Teräksen etuna takorautaan verrattuna oli, että se voitiin karkaista. Teräs oli kuitenkin paljon kalliimpaa kuin takorauta, minkä vuoksi sen käyttö oli varsin rajallista.
Nykyisin lähes yksinomaisesti käytetyt teräksen ja valuraudan valmistusmenetelmät on keksitty vasta 1800-luvulla tai myöhemmin.

Allotrooppiset muodot

Rauta voi pääasiassa lämpötilasta riippuen esiintyä useissa allo­trooppisissa muodoissa. Varmuudella tunnetaan neljä allotrooppista muotoa, joita merkitään kreikkalaisilla aakkosilla α, γ, δ ja ε, jota paitsi teoreettisesti on päätelty, että hyvin korkeassa paineessa saattaa esiintyä viideskin muoto, β-rauta. Kun puhdas sula rauta jäähtyy, se kiteytyy 1 538 °C:ssä δ -raudaksi, jolla on tilakeskeinen kuutiollinen (bcc) kiderakenne. Kun se edelleen jäähtyy 1 394 °C:seen, se muuttuu allotrooppiseksi muodoksi γ, jossa sillä on pintakeskeinen kuutiollinen (fcc) kiderakenne ja joka tunnetaan myös nimellä austeniitti. Jäähtyessään edelleen 912 °C:n alapuolelle kiderakenne muuttuu jälleen tilakeskeiseksi kuutiolliseksi, ja tällöin on kyseessä allotrooppinen muoto a, joka tunnetaan myös nimellä ferriitti. Kun sen lämpötila edelleen alenee raudan Curie-pisteeseen, 770 °C, siitä tulee ferro­magneettista. Kun rauta sivuuttaa Curie-pisteen, sen kiderakenne ei muutu, mutta vain tämän lämpötilan alapuolella siinä esiintyy Weissin alkeisalueita, joissa atomien magneettiset momentit ovat saman suuntaiset. Nämä Weissin alkeisalueet ovat läpimitaltaan vain noin 10 mikrometriä, mutta niistäkin jokaisessa on miljardeja atomeja.
Noin 10 GPa:n paineessa ja useiden satojen celsius­asteiden lämpötilassa α-rauta muuttuu ε-raudaksi, jolla on heksa­gonaalinen tiivis­pakkauksellinen (hcp) kiderakenne. Samoin käy myös γ-raudalle, mutta se edellyttää vielä korkeampaa painetta. Mikäli hypoteettinen β-rauta on olemassa, se edellyttää ainakin 50 GPa:n painetta ja 1 500 kelvinin lämpötilaa. On oletettu, että sen kiderakenne on joko ortorombinen tai kaksin­kertainen heksagonaalinen tiivispakkaus.
Käytännössä rautaa ei juuri käytetä puhtaana vaan seostettuna hiilen, usein myös muiden metallien kanssa. Teräslaatuja on hyvin monia, ja seos­aineet vaikuttavat siihen, missä allo­trooppisessa muodossa rauta niissä esiintyy. Mikäli lämpötila on muuttunut tarpeeksi nopeasti, puhdaskin rauta saattaa esiintyä muussa allotrooppisessa muodossa kuin mikä vallitsevassa lämpötilassa on pysyvin.
Tavallisissa lämpötiloissa α-rauta eli ferriitti on pysyvin. Se on jokseenkin pehmeä metalli, johon voi liueta vain pieni määrä hiiltä, 912 °C:n lämpötilassa enintään 0,021 massaprosenttia.
Kuumennettuna 912 °C:n ja 1 400 °C:n välille α-raudassa alkaa tapahtua faasimuutos, jossa sen kiderakenne muuttuu ja siitä tulee γ-rautaa eli austeniittia. Sekin on pehmeä metalli mutta siihen voi liueta enemmän hiiltä, 1 146 °C:ssä jopa 2,04 %. Jotkin rautaseokset kuten nikkeli- ja kromipitoinen ruostumaton teräs esiintyvät huoneenlämmössäkin austeniittisessa muodossa. Yleensä austeniitti kuitenkin muuttuu hitaasti jäähdytettäessä takaisin α-raudaksi eli ferriitiksi. Jos se kuitenkin jäähdytetään hyvin nopeasti ja se sisältää enemmän hiiltä kuin ferriittiin voi liueta, syntyy metastabiili muoto, martensiitti, jolla on tetragoninen kiderakenne. Tähän perustuu teräksen karkaisu.
Vain korkeissa paineissa esiintyvillä allotrooppimuodoilla kuten ε- ja β-raudalla ei ole käytännön merkitystä metallurgiassa, mutta niitä oletetaan esiintyvän planeettojen sisuksissa. Maan ytimen oletetaan koostuvan pääasiassa raudan ja nikkelin seoksesta, jolla on ε- tai mahdollisesti β-raudan rakenne.
Raudan sulamispisteen riippuvuus lämpötilasta on kokeellisesti varsin tarkoin selvitetty noin 50 gigapascaliin saakka. Suurempien paineiden osalta kokeet, joilla on yritetty selvittää γ- ja ε-muotojen sekä sulan raudan kolmoispiste, eivät ole johtaneet yhtäpitäviin tuloksiin, vaan eri tutkijoiden saamat arvot eroavat toisistaan kymmenien gigapascalien ja yli 1 000 kelvinin verran. Yleisesti ottaen molekyyli­dynaamiset raudan sulamisen ja shokkiaaltojen tietokone­mallinnukset viittaavat korkeampiin sulamispisteisiin ja sulamispisteen huomattavasti suurempaan riippuvuuteen paineesta kuin timanttialasinkammioissa tehdyt kokeet.

Raudan valmistus

Vaikka rautaa on lähes kaikissa kivilajeissa, sen valmistamiseksi kannattaa yleensä louhia vain sellaisia malmeja, joissa sitä on vähintään 30 prosenttia. Magnetiitti on perinteinen rautaa sisältävä mineraali, jota on louhittu esimerkiksi Ruotsin Kiirunassa ja Pohjois-Amerikassa. Nykyisin suuri osa raudasta saadaan hematiittiesiintymistä, joissa louheen rautapitoisuus on noin 60 %. Raakarautaa valmistetaan rautaoksidimalmista hiilellä pelkistämällä masuuneissa. Tällöin osa hiilestä liukenee sulaan rautaan, ja tuloksena saadaan raaka- eli harkkorautaa, jossa on noin 4 % hiiltä. Terästä, jonka hiilipitoisuus on alhaisempi, valmistetaan puhaltamalla sulaan raakarautaan ilmaa, jolloin siinä oleva happi polttaa osan hiilestä. Nykyaikanakin on kehitetty myös uusia suorapelkistysmenetelmiä, mutta niiden käytännöllinen merkitys on vähäisempi.

Yhdisteet

Kemiallisissa yhdisteissä raudan hapetusluku on useimmiten +II tai +III. Se muodostaa kahden- ja kolmenarvoisia positiivisia ioneja Fe³⁺ ja Fe²⁺. Fe²⁺-ioni tunnetaan myös nimellä ferro-ioni, ja sen sisältäviä yhdisteitä sanotaan ferroyhdisteiksi, esimerkiksi ferrosulfaatti eli rauta(II)sulfaatti (FeSO₄). Vastaavasti ioni Fe³⁺ tunnetaan nimellä ferri-ioni, ja se esiintyy esimerkiksi ferrikloridissa (FeCl₃). Nykyisen IUPAC:in standardin mukaan ioneista tulisi kuitenkin käyttää nimityksiä rauta(III) ja rauta(II).
Rautaa on myös joissakin orgaanisissa yhdisteissä kuten hemoglobiinissa. Rauta muodostaa myös kompleksiyhdisteitä, joissa se on keskusatomina. Ligandina voi olla joko epäorgaaninen tai orgaaninen ryhmä kuten hemoglobiinissa.

Ravitsemus

Italialainen lääkäri Vincenzo Menghini havaitsi veren sisältävän rautaa vuonna 1745 polttaessaan verta. Rauta on veren punasoluissa esiintyvässä hemoglobiinissa hapen sitoja. Punasolut kuljettavat happea kudoksiin. Tämän vuoksi rauta on ravitsemuksessa tärkeä hivenaine. Aikuisen ihmisen kehossa on rautaa yhteensä 4–5 g. Liika raudan saanti on haitallista, sillä se vaurioittaa maksaa ja munuaisia.
Ravinnossamme rautaa esiintyy kahdessa eri muodossa: hemi- ja nonhemirautana. Lihan ja kalan raudasta noin puolet on hemirautaa (Fe²⁺), joka imeytyy nonhemirautaa (Fe³⁺) paremmin. Kasvikunnan tuotteiden rauta on nonhemirautaa. C-vitamiini parantaa kuitenkin nonhemiraudan imeytymisen jopa nelinkertaiseksi. Kalsium heikentää sekä hemi- että nonhemiraudan imeytymistä. Jos käyttää kalsiumlisiä, ne suositellaan otettavaksi aterioiden välillä.
Punaisesta lihasta rauta imeytyy hyvin. Muita raudan lähteitä ovat maksa ja täysjyvävilja. Sen sijaan perinteisesti hyväksi raudanlähteeksi mainitusta pinaatista rauta ei imeydy hyvin sen sisältämän oksaalihapon takia eikä pinaatissa ole enemmän rautaa kuin muissakaan vihreissä kasviksissa.
Raudan puute aiheuttaa anemiaa, josta kärsii noin kolmekymmentä prosenttia maailman väestöstä. Aneemisen ihmisen punasolujen rakenne poikkeaa normaalista tai niitä on liian vähän. Naiset menettävät rautaa kuukautisten aikana. Lisärautaa ei kuitenkaan pidä syödä varmuuden vuoksi, koska terve ihminen harvoin tarvitsee sitä. Raudan puutos kannattaa aina käydä tutkituttamassa lääkärillä/terveydenhoitajalla.
Pitkäaikaisessa raudan yliannostuksessa voi syntyä hemosideroosi, jossa rautayhdisteitä kertyy moniin kudoksiin runsaasti ilman kudosvaurioita. Kudosvaurioiden ilmaantumisen jälkeen tilasta käytetään nimitystä hemokromatoosi.
Raudan elimistöön imeytymistä säätelevä mekanismi voi myös eri syistä pettää, jolloin elimistöön saattaa imeytyä suuria määriä rautaa. Akuutin rautamyrkytyksen oireita ovat muun muassa oksentelu ja verinen ripuli. Myrkytyksen hoitoon käytetään vatsahuuhtelua ja sen yhteydessä natriumvetykarbonaattia suun kautta ruoansulatuskanavassa olevan raudan sitomiseksi. Jo imeytyneen raudan eliminaation nopeuttamiseksi annetaan lisäksi deferoksamiinia parenteraalisesti. Muita rautaa kelatoivia lääkeaineita ovat deferiproni ja deferasiroksi.

Elimistön raudan tarve ja saanti

Valtion ravitsemusneuvottelukunnan suositusten mukaan ihmisen tulisi saada rautaa 1,6 mg/vrk ravinnosta energiana saatua megajoulea kohti eli aikuisilla naisilla noin 15 mg/vrk ja miehillä 9 mg/vrk. Naisten raudantarve vaihtelee yksilöllisesti ja riippuu kuukautisten aiheuttamasta raudan menetyksestä. Osa naisista tarvitseekin rautatäydennystä ravintoainevalmisteista. Vaihdevuosien alettua tarve vähenee. Lapsilla ja nuorilla raudan saantisuositus vaihtelee iän mukaan. Raudan imeytymiseen vaikuttaa muun aterian koostumus: C-vitamiini, liha ja kala parantavat sitä ja esimerkiksi kasvisten polyfenolit ja viljavalmisteiden fytiinihappo puolestaan heikentävät sitä.
Suurimmaksi hyväksyttäväksi päiväsaanniksi on määritelty aikuiselle 25 mg/vrk (sisältää ruoasta saatavan raudan ja korkeintaan 10 mg/vrk ravintoainevalmisteesta). Finravinto 2007 tutkimuksen mukaan suomalaiset saavat rautaa keskimäärin: naiset 10,3 mg/vrk (1,6 mg/MJ/vrk) ja miehet 13,6 mg/vrk (1,5 mg/MJ/vrk). Suosituksiin verrattuna rautaa saadaan liian niukasti; erityisesti noin puolella naisista saanti on pienempää kuin keskimääräinen tarve. Vilja- ja leivontatuotteet ovat Suomessa tärkein raudan lähde. Lisäksi rautaa saadaan runsaasti liharuoista, kasviksista, hedelmistä ja marjoista.