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, tпл
= 1535oС.
Железо - один из семи металлов, известных человечеству с глубокой древности.
О происхождении названия см. книгу проф. Химического факультета МГУ Н.А. Фигуровского
"Открытие
элементов и происхождение их названий".
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%.
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
(см. "Типы железа"). 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 поверхностных пресных 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. 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 (См. раздел "Органолептические
показатели качества воды") 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 (см. ниже).
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 в 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 - хронических профессиональных заболеваний легких, обусловленных
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. В качестве последствий
упоминаются неприятности со здоровьем, начиная от аллергических реакций (см.,
например, статью "Ржавая вода. Проблемы и решения"),
что, кстати, вполне не исключено - аллергия может быть на что угодно, до "увеличения
риска инфарктов и негативного влияния на репродуктивную функцию организма...
сухости и зуда" (см. там же в "Дайджесте" статью "Вода
столичная..."). 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 (55-70% 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 храниться в организме как резерв,
сосредоточенный в печени и селезенки в виде ферритина - железо-белкового
комплекса, служащего "сырьем" для получения всех вышеперечисленным
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 (речь, конечно идет об усредненных
цифрах. У женщин, например, потребность в железе выше, чем у мужчин - 15-18
мг). Однако, учитывая низкую усвояемость железа (см. выше), 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.
