Raud

Raud (ladina keeles ferrum; keemiline sümbol Fe) on keemiline element järjenumbriga 26. Raud kuulub siirdemetallide hulka, ta kuulub perioodilisussüsteemi VIII B rühma ehk 8. kõrvalrühma (raua-plaatinarühm) (või uue arvestuse järgi rühma 8 (rauarühma)) ja 4. perioodi. Tal on neli stabiilset isotoopi massiarvudega 54, 56, 57 ja 58. Raud on metall, 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 kõige levinum element Maa koostises ning levimuselt maakoores massisisalduse järgi hapniku, räni ja alumiiniumi järel neljandal kohal ning metallidest alumiinium] järel teisel kohal (vt keemiliste elementide sagedused). 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 tõmbavas 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. 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. Keemiline ühendÜhendeis 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. 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) ja keemistemperatuuriga 3070 °C. Tehniliselt puhas raud sulab temperatuuril 1534±2 °C. Võrreldes ülipuhta raua keemistemperatuuriga, mis arvutatakse aururõhu järgi, on tehniliselt puhta raua keemistemperatuur selgelt madalam (2860 °C),, kusjuures kirjanduses antud väärtused on omavahel selgelt lahknevad. Vaakumis rõhu all alla 10–5 mmHg sublimeerub raud temperatuuril 1100–1200 °C. Keskmise rauaaatomi mass on umbes 55 korda suurem kui vesinikuaatomil. Raua [isotoop|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. 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. 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. 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. 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. Erinevalt perioodilisussüsteemi teistest rühmadest on VIII rühma kõrvalalarühmas elemendid kolmekaupa, triaadides. Rauatriaadi kuuluvad raud, koobalt ja nikkel. Kaks järgmist triaadi sisaldavad plaatinametalle: 1) kergete plaatinametallide triaad – ruteenium, roodium ja pallaadium, 2) raskete plaatinametallide triaad – osmium, iriidium ja plaatina. Rauasulami omadusi mõjutab oluliselt süsinikusisaldus. Teras on rauasulam, milles on alla 2% süsinikku. Kui süsiniku sisaldus on 2–5%, siis on tegemist malmiga. Kõrvuti süsinikuga sisaldub terases ja malmis veel lisandina väävlit, räni, fosforit, mangaani jt elemente. Eriterased ehk legeeritud terased sisaldavad lisandina mangaani, kroomi, niklit, molübdeeni, volframit jt metalle. Kroomilisand (kuni 13%) muudab terase korrosioonikindlaks ja suurendab kõvadust, Mo ja W suurendavad terase kuumakindlust, Mn (kuni 14%) tõstab terase kulumiskindlust, Ni suurendab terase sitkust ja vähendab soojuspaisumist, sellepärast valmistatakse sellest sulamist mõõteriistade osi, Cr ja Ni koos suurendavad terase kõvadust ja püsivust keemilistele mõjutustele. Rauamaaki töödeldakse malmiks kõrgahjudes, erilistes konverterites vähendatakse malmis süsiniku ja teiste lisandite sisaldust ning saadakse teras. Eristatakse valu- ja töötlusmalmi. Valumalmis sisaldub süsinik grafiidina. Et selle malmi murdepind on hall, nimetatakse seda sageli halliks malmiks. Valumalm on hästi valatav, sellest valatakse näiteks hoorattaid, seadmete aluseid ja pliidiraudu. Töötlusmalm sisaldab süsinikku raudkarbiidi Fe3C kujul. Niisuguse malmi murdepind on hele ja teda nimetatakse tihti valgeks malmiks. Töötlusmalm ei sobi valamiseks ja seda töödeldakse teraseks. Raud on looduses laialt levinud element. Maakoores on rauda 6,2%. Selle näitaja järgi on raud neljas element maakoores. Raud on levinud ka kosmoses. Meie Päikesesüsteemi rauarikkamad planeedid on Merkuur ja Marss. Lihtainena esineb rauda nii maailmaruumist Maale langenud meteoriitides kui ka magmakivimeis. Maa metalliline tuum sisaldab rauda. Meteoriitset rauda hakkas inimkond arvatavasti ka esimesena kasutama. Suurem osa rauast on maakoores ühenditena. Rauaühendeid, mida kasutatakse malmi ja terase tootmisel, nimetatakse rauamaakideks. Maagi kaevandamisel saadakse koos rauaühenditega ka kivimeid ja mineraale, mis rauamaagi töötlemisel pole enamasti vajalikud. Selliseid jääkaineid nimetatakse aheraineteks. Tähtsamad rauamaagid on järgmised. Punane ja pruun rauamaak sisaldavad põhiühendina raud(III)oksiidi (Fe2O3), mis on hüdraaditud vee molekulidega (2Fe2O3, 3H2O jt). Magnetiidi põhiosa moodustab triraudtetraoksiid, mis on musta värvusega kristalne magnetiline aine. Magnetiit on kõige rauarikkam ja puhtam rauamaak. Suurim leiukoht maailmas on Kurski oblast. Püriiti (FeS2) tavaliselt rauamaagina ei kasutata, sest väävel halvendab püriidist saadud rauasulamite kvaliteeti. Püriiti kasutatakse väävelhappe tootmisel. Sideriit kujutab endast raudkarbonaati (FeCO3). Raudkarbonaat reageerib süsinikdioksiidi sisaldava veega, muutudes lahustuvaks raudvesinikkarbonaadiks: FeCO3 + H2O + CO2 = Fe(HCO3)2  Pikemalt artiklis Soomaak Eestis algas rauatootmine umbes 2000 aastat tagasi ja kestis arvatavasti kuni 18. sajandini[viide?]. Raud oli ainus metall, mida Eestis sai toota kohalikust toorainest, soomaagist. See on tekkinud soistel aladel rauarikkast põhjaveest. Tallinna teletorni ehituse ajal 1977. aastal avastatud sooraua leiukohas asub maak huumushorisondi all kohati kuni 0,7 m paksuse kihina, sisaldades kuni 40% rauda. Eesti suurim muistne rauasulatuskeskus asus Põhja-Saaremaal Tuiu küla lähistel, mida tuntakse Tuiu Rauasaatme mägedena. 1988. aastal tehti seal esimene katse esivanemate eeskujul soomaagist rauda sulatada, tulemuseks oli 680 g rauda, 1990 saadi seda juba rohkem kui kaks kilogrammi[viide?]. Rauasulatusahju kaks põhilist protsessi[viide?]: 2C + O2 → 2CO; ... Fe2O3 + 3CO → rauamaagi taandamine → 2Fe + 3CO2 CaCO3 → CaO + CO2; ... CaO + SiO2 → räbu teke → CaSiO3 Vanem kultuuriperiood pronksiaeg läks väga aeglaselt üle rauaajaks. Mõnedel rahvastel, näiteks praeguse India alal, kelle käsutuses oli kergesti sulatatavat rauamaaki, ei saa pronksi- ja rauaaega eristada. Vase- ja pronksitootmisel lihtsates selituskolletes juhuslikult tekkinud rauaräbu oli suure süsiniku ja väävlisisalduse tõttu haprad. Otse säärastes kolletes rauamaagist alates ajast umbes 2000 aastat eKr toodetud raud on üsna pehme, roostetab kergesti ning jääb seetõttu omadustelt pronksile (tinapronksile) alla. Raua eelised pronksi ees seisnesid eelkõige lihtsamas töötlemises. Alles siis, kui levis tsementiitimine teraseks (näiteks Küprosel umbes 1000 eKr) sai rauast parem materjal kui pronks. Tõendeid raua kasutamisest eri kultuuridest arheoloogiliste leidudena on võrreldes pronksiga suhteliselt harva. Esiteks kasutati kõige vanematel aegadel vähe, teiseks kaldub raud niiske õhu käes, vees ja niiskes mullas korrodeeruma, mistõttu paljud esemed ei säilinud (väga korrodeerunud tööriistad sulatati uuesti üles). Ainult erilised asjaolud või eseme suured mõõtmed takistasid eseme kaotsiminekut, nii et pronksiajast on säilinud ainult umbes 150 raudartefakti. Enne kui mitme kultuuri inimesed õppisid saama rauda maagist, kasutasid nad juba enne rauaaega tuntud ning spetsiifilise 5- kuni 15-protsendilise niklisisalduse järgi äratuntavat meteoriidirauda. Harulduse tõttu oli see "taevakivi" (egiptuse bj-n-pt) väärtuslik ning seda töödeldi valdavalt kultusesemeteks ja eheteks. Nii leiti kahest Vana-Egiptuse dünastiateeelse aja hauast umbes 7,5-protsendilise niklisisaldusega ehtepärleid, mis on dateeritud aega umbes 3200 eKr. Samuti sai kinnitust ammune oletus, et hauapanusene vaarao Tutanchamon muumia juurest leitud pistoda (umbes 1350 eKr) oli valmistatud meteoriidirauast. Vanas Riigis kasutati meteoriidirauda eelkõige amulettide ja suuavamisrituaali mudeltööriistade valmistamiseks. Vanimad teadaolevad meteoriidirauast esemed pärinevad Mesopotaamiast; sumerid nimetasid meteoriidirauda urudu-an-bar 'taevavask'. Muu hulgas leiti Urist meteoriidirauast (10,8% niklit) teraga ja kullatud käepidemega pistoda, mille valmistamine on dateeritud aega 3100 eKr.  Pikemalt artiklis Kõrgahi Nähtavasti hakati ka niklivaba (maise päritoluga) rauda Mesopotaamias valmistama varajastel aegadel. Üks tõend selle kohta on niklivabast rauast teraga ja pronksist käepidemega pistoda (3000–2700 eKr), mis leiti Ešnunnast (tänapäeva Tell Asmar Iraagis). Hetiitide ülestähendused Ḫattuša (praegu Boğazkale, varasem Boğazköy) Kesk-Anatoolias) nähtub, et rauda tunti juba kuningas Anitta ajal (umbes 1800 eKr) ja rauda sulatati vähemalt ajast umbes 1300 eKr. Ajavahemikul 1600–1200 eKr oli hetiitide riigis eesrindlik rautehnoloogia, mis oli oluline tegur selle riigi mõju kasvus. Hetiidid valmistasid rauast, mis oli alguses kaalu järgi kuni kaheksa korda kullast kallim, alguses peamiselt ehteid. Hilises hetiitide riigis oli raud juba nii levinud, et inventarinimekirjades ei mainitud seda enam mitte koos väärismetallidega, vaid koos vasega. Maisest rauast esemeid keskmisest ja hilisest pronksiajast ei leidunud aga mitte ainult hetiitidel, vaid ka Kreeka ja Küprose, Jordaania, Liibanoni, Iisraeli ja Egiptuse aladel. Alates ajast 1200 eKr toodeti Levandis terast, st suurema süsinikusisaldusega rauda. Rauaaja algus Lähis-Idas paigutatakse üldiselt aastasse 1200 eKr – mitte sellepärast, et raud oleks sellest ajast alates olulist osa etendanud, vaid sellepärast, et pronksiaja kultuurid kukkusid väga lühikese aja jooksul kokku. Rauaaja esimesed sajandid olid "pime ajastu", mil paljud linnad hävitati, kaugkaubandus lakkas ja metallitootmine peaaegu lõpetati. Alles ajast umbes 700 eKr, kui kultuurid hakkasid toibuma, hakati rauda jälle sagedamini kasutama. Alates ajast umbes 1200. aastat eKr on selles piirkonnas tuntud Damaskuse linna järgi nimetatud Damaskuse teras, millel on väga suur süsinikusisaldus (umbes 1,5%) ja mille poleerimisel tuleb välja iseloomulik muster. Vana-Egiptuses on rauasulatamine tõestatud alles alates 6. sajandist eKr. Üks 6. dünastia (2347–2216 eKr) aegne raualeid ühest Abydose hauast osutus niklivabaks ja seega maist päritolu olevaks; selle otstarvet ei õnnestunud välja selgitada, sest ese oli üleni läbi roostetanud. Üks 1837. aastal Cheopsi püramiidi pilust ja dateeriti alguses 4. dünastia aega, osutus aga uusaegseks esemeks. Halübeid peeti rauametallurgia asjatundjateks. Nende järgi on vanakreka keeles nime saanud teras (chalybs) erinevalt tavalisest rauast (sideros). Kõige varajasemad jäljed rauasulatamisest kreeklaste aladel on leitud rauaräbu näol ajast umbes 2000 eKr Kreetalt Agía Triádast. Geraris (Palestiina) oli rauasulatamine tuntud umbes alates ajast 1000 aastat eKr (seda tõendavad rauasulatusahjud ja kohapeal valmistatud põllutööriistad.) Raudoksiidid Viitamistõrge: Vigane <ref>-silt. Viide nimega Swartzendruber on ilma tekstita. Viitamistõrge: Vigane <ref>-silt. Viide nimega Roeser on ilma tekstita. Viitamistõrge: Vigane <ref>-silt. Viide nimega Holleman-Wiberg on ilma tekstita. B. E. Hopkins. The Preparation and Properties of High-Purity Iron. – Metallurgical Reviews, 1956, kd 1, nr 1, lk 117–155. Michael F. Ashby, Hugh Shercliff, David Cebon. Materials, Elsevier Science 2013, ISBN=0-08-099435-0, lk 597-IA35. A. E. van Arkel, K. Lins. Reine Metalle, Springer Berlin Heidelberg 1939, lk 312. W. Pepperhoff, M. Acet. Konstitution und Magnetismus des Eisens und seiner Legierungen, Springer: Berlin, Heidelberg 2000, ISBN 978-3-642-59765-7, ptk: Struktur des Eisens, lk 1–14. Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang.'Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. – Journal of Chemical & Engineering Data, 2011, kd 56, lk 328–337. M. P. Fewell. The atomic nuclide with the highest mean binding energy. – American Journal of Physics, 1995, kd 63, nr 7, lk 653–658. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. – Nuclear Physics, 2003, kd A 729, 2003, lk 3–128. Täistekst. François Cardarelli. Materials Handbook A Concise Desktop Reference, Springer Science & Business Media 2008, ISBN 978-1-84628-669-8, lk 65. Jochen Stark, Bernd Wicht. Geschichte der Baustoffe, Vieweg Teubner Verlag 2013, ISBN 9783322928924, lk 106. Florian Neukirchen. Von der Kupfersteinzeit zu den Seltenen Erden – Eine kurze Geschichte der Metalle, Springer-Verlag 2016, ISBN 978-3-662-49347-2, lk 65. H. Moesta. Erze und Metalle', Springer Berlin Heidelberg 2013, ISBN 978-3-540-16561-3, lk 65. Vagn Fabritius Buchwald. Iron and Steel in Ancient Times, The Royal Danish Academy of Sciences and Letters 2005, ISBN 978-87-7304-308-0, lk 72. Otto Johannsen. Geschichte des Eisens, 3. trükk, Stahleisen: Düsseldorf 1953, ISBN 3514000026, lk 6. Otto Johannsen. Geschichte des Eisens, 3. trükk, Stahleisen: Düsseldorf 1953, ISBN 3514000026, lk 38. Thilo Rehren, Tamas Belgya, Albert Jambon, György Káli, Zs Kasztovszky, Zoltan Kis, Imre Kovács, Boglarka Maróti, Marcos Martinon-Torres, Gianluca Miniaci, Vincent Pigott, Miljana Radivojević, L. Rosta, László Szentmiklósi, Z. Szőkefalvi-Nagy. 5,000 years old Egyptian iron beads made from hammered meteoritic iron. – Journal of Archaeological Science, 2013, kd 40, lk 4785–4792. doi:10.1016/j.jas.2013.06.002. Täistekst. Daniela Comelli, Massimo D’orazio, Luigi Folco, Mahmud El-Halwagy, Tommaso Frizzi, Roberto Alberti, Valentina Capogrosso, Abdelrazek Elnaggar, Hala Hassan, Austin Nevin, Franco Porcelli, Mohamed G. Rashed, Gianluca Valentini. The meteoritic origin of Tutankhamun’s iron dagger blade. – Meteoritics & Planetary Science, 2016, kd 51, nr 7. Täistekst. Wolfgang Helck. Eisen. – Wolfgang Helck, Eberhard Otto (toim). Lexikon der Ägyptologie, kd 1, Harrassowitz: Wiesbaden 1975, vg 1209–1210. Johannsen1953-38">Otto Johannsen. Geschichte des Eisens, 3. trükk, Stahleisen: Düsseldorf 1953, ISBN 3514000026, lk 408. Otto Johannsen, Geschichte des Eisens, 3. trükk, Stahleisen: Düsseldorf 1953, ISBN 3514000026, lk 44. Jörg Klinger, J. David Hawkins. Herrscherinschriften und andere Dokumente zur politischen Geschichte des Hethiterreiches, Gütersloher Verlagshaus 2005, ISBN=978-3-641-21988-8. Friedrich Cornelius. Grundzüge der Geschichte der Hethiter, 5. trükk, WBG (Wissenschaftliche Buchgesellschaft) 1992, ISBN 978-3-534-06190-7. Ünsal Yalcin. Zum Eisen der Hethiter. – Das Schiff von Uluburun, 2005. Täistekst. Charles Burney. Historical Dictionary of the Hittites. Historical Dictionaries of Ancient Civilizations and Historical Eras., Scarecrow Press 2004, ISBN 0-8108-6564-5, lk 135–136. Richard A. Gabriel. The Great Armies of Antiquity. Greenwood Publishing Group 2002, ISBN 0-275-97809-5, lk 75. Howard Vyse. Operations carried on at the Pyramids of Gizeh in 1837, kd 1, Fraser: London 1840, lk 275–276. Alfred Lucas, John R. Lucas. Ancient Egyptian Materials and Industries 4. trükk, Arnold: London 1962, lk 237. Verein Deutscher Eisenhüttenleute: Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens, 17. trükk, Stahleisen: Düsseldorf 1970/71, lk 5. Otto Johannsen. Geschichte des Eisens', 3. trükk, Stahleisen: Düsseldorf 1953, ISBN 3514000026, lk 45. Raud viib väsimustunde, buduaar.ee, 21. jaanuar 2008 Arvi Lauringson: Kuidas soomaagist rauda saadi?