آهن یک عنصر شیمیایی شناخته شده است. متعلق به فلزات با واکنش پذیری متوسط است. در این مقاله به خواص و کاربرد آهن می پردازیم.
شیوع در طبیعت
تعداد نسبتاً زیادی مواد معدنی وجود دارد که شامل فروم است. اول از همه، مگنتیت است. هفتاد و دو درصد آن آهن است. فرمول شیمیایی آن Fe3O4 است. به این ماده معدنی سنگ آهن مغناطیسی نیز می گویند. دارای رنگ خاکستری روشن، گاهی با خاکستری تیره، تا سیاه، با جلای فلزی است. بزرگترین ذخایر آن در میان کشورهای CIS در اورال واقع شده است.
ماده معدنی بعدی با محتوای آهن بالا هماتیت است - هفتاد درصد از این عنصر تشکیل شده است. فرمول شیمیایی آن Fe2O3 است. به آن سنگ آهن قرمز نیز می گویند. دارای رنگی از قرمز قهوه ای تا قرمز مایل به خاکستری است. بزرگترین سپرده در قلمرو کشورهای مستقل مشترک المنافع در Krivoy Rog واقع شده است.
سومین ماده معدنی از نظر میزان آهن، لیمونیت است. در اینجا آهن شصت درصد کل جرم است. این یک هیدرات کریستالی است، یعنی مولکول های آب در شبکه کریستالی آن بافته می شوند.فرمول شیمیایی آن Fe2O3•H۲O است. همانطور که از نام آن پیداست، این ماده معدنی دارای رنگ زرد مایل به قهوه ای، گاهی اوقات قهوه ای است. یکی از اجزای اصلی اخرای طبیعی است و به عنوان رنگدانه استفاده می شود. به آن سنگ آهن قهوه ای نیز می گویند. بزرگترین رخدادها کریمه، اورال است.
در سیدریت، به اصطلاح سنگ آهن اسپار، چهل و هشت درصد فروم است. فرمول شیمیایی آن FeCO3 است. ساختار آن ناهمگن است و متشکل از کریستال هایی با رنگ های مختلف است که به هم متصل شده اند: خاکستری، سبز کم رنگ، خاکستری-زرد، قهوه ای-زرد و غیره.
آخرین ماده معدنی طبیعی با محتوای آهن بالا پیریت است. این فرمول شیمیایی زیر را دارد: FeS2. آهن موجود در آن چهل و شش درصد کل جرم است. این ماده معدنی به دلیل داشتن اتم های گوگرد دارای رنگ زرد طلایی است.
بسیاری از مواد معدنی در نظر گرفته شده برای به دست آوردن آهن خالص استفاده می شوند. علاوه بر این، هماتیت در ساخت جواهرات از سنگ های طبیعی استفاده می شود. آخال های پیریت را می توان در جواهرات لاجورد یافت. علاوه بر این، آهن در طبیعت در ترکیب موجودات زنده یافت می شود - این یکی از مهمترین اجزای سلول است. این عنصر کمیاب باید به مقدار کافی در اختیار بدن انسان قرار گیرد. خواص درمانی آهن تا حد زیادی به این دلیل است که این عنصر شیمیایی اساس هموگلوبین است. بنابراین استفاده از فروم تأثیر خوبی بر وضعیت خون و در نتیجه کل ارگانیسم دارد.
آهن: خواص فیزیکی و شیمیایی
بیایید این دو بخش بزرگ را به ترتیب در نظر بگیریم. خواص فیزیکی آهن ظاهر، چگالی، نقطه ذوب و غیره آن است. یعنی تمام ویژگی های متمایز یک ماده که با علم فیزیک مرتبط است. خواص شیمیایی آهن توانایی آن در واکنش با سایر ترکیبات است. بیایید با اولین شروع کنیم.
خواص فیزیکی آهن
به شکل خالص خود در شرایط عادی، جامد است. رنگ خاکستری مایل به نقره ای و درخشندگی متالیک مشخصی دارد. خواص مکانیکی آهن شامل میزان سختی در مقیاس Mohs است. برابر است با چهار (متوسط). آهن رسانایی الکتریکی و حرارتی خوبی دارد. آخرین ویژگی را می توان با لمس یک جسم آهنی در یک اتاق سرد احساس کرد. از آنجایی که این ماده گرما را به سرعت هدایت می کند، بیشتر گرمای پوست شما را در مدت زمان کوتاهی جذب می کند و باعث می شود احساس سرما کنید.
مثلاً با لمس یک درخت، می توان متوجه شد که هدایت حرارتی آن بسیار کمتر است. خواص فیزیکی آهن نقطه ذوب و جوش آن است. اولی 1539 درجه سانتیگراد، دومی 2860 درجه سانتیگراد است. می توان نتیجه گرفت که خواص مشخصه آهن شکل پذیری و گداخت پذیری خوب است. اما این همه ماجرا نیست.
همچنین از خواص فیزیکی آهن می توان به فرومغناطیس بودن آن اشاره کرد. آن چیست؟ آهن که خواص مغناطیسی آن را می‌توانیم هر روز در نمونه‌های عملی مشاهده کنیم، تنها فلزی است که چنین خاصیتی داردویژگی متمایز منحصر به فرد این به این دلیل است که این ماده می تواند تحت تأثیر میدان مغناطیسی مغناطیسی شود. و پس از پایان عمل دومی، آهن، که خواص مغناطیسی آن به تازگی شکل گرفته است، برای مدت طولانی آهنربا باقی می ماند. این پدیده را می توان با این واقعیت توضیح داد که در ساختار این فلز الکترون های آزاد زیادی وجود دارد که قادر به حرکت در اطراف هستند.
از دیدگاه شیمی
این عنصر متعلق به فلزات با فعالیت متوسط است. اما خواص شیمیایی آهن برای تمام فلزات دیگر معمول است (به جز آنهایی که در سمت راست هیدروژن در سری الکتروشیمیایی قرار دارند). این ماده قادر است با گروه های زیادی از مواد واکنش نشان دهد.
شروع ساده
فروم با اکسیژن، نیتروژن، هالوژن ها (ید، برم، کلر، فلوئور)، فسفر، کربن تعامل دارد. اولین چیزی که باید در نظر گرفت واکنش با اکسیژن است. هنگامی که فروم می سوزد، اکسیدهای آن تشکیل می شود. بسته به شرایط واکنش و نسبت‌های بین دو شرکت‌کننده، می‌توان آنها را تغییر داد. به عنوان نمونه ای از این گونه برهمکنش ها، می توان معادلات واکنش زیر را ارائه داد: 2Fe + O2=2FeO; 4Fe + 3O2=2Fe2O3; 3Fe + 2O2=Fe3O4. و خواص اکسید آهن (هم فیزیکی و هم شیمیایی) بسته به تنوع آن می تواند متفاوت باشد. این نوع واکنش ها در دمای بالا رخ می دهد.
بعدی - تعامل با نیتروژن. همچنین فقط می تواند اتفاق بیفتدمشمول گرمایش اگر شش مول آهن و یک مول نیتروژن بگیریم دو مول نیترید آهن به دست می آید. معادله واکنش به این صورت خواهد بود: 6Fe + N2=2Fe3N.
هنگام تعامل با فسفر، یک فسفید تشکیل می شود. برای انجام واکنش، اجزای زیر لازم است: برای سه مول فروم - یک مول فسفر، در نتیجه، یک مول فسفید تشکیل می شود. معادله را می توان به صورت زیر نوشت: 3Fe + P=Fe3P.
علاوه بر این، در میان واکنش های با مواد ساده، می توان برهمکنش با گوگرد را نیز تشخیص داد. در این صورت می توان سولفید را بدست آورد. اصلی که فرآیند تشکیل این ماده اتفاق می افتد مشابه مواردی است که در بالا توضیح داده شد. یعنی یک واکنش اضافه رخ می دهد. همه فعل و انفعالات شیمیایی از این نوع نیاز به شرایط خاصی دارند، عمدتاً دماهای بالا و کمتر کاتالیزورها.
واکنش‌های بین آهن و هالوژن نیز در صنایع شیمیایی رایج است. اینها عبارتند از کلر زنی، برم، ید زایی، فلوئوراسیون. همانطور که از نام خود واکنش ها مشخص است، این فرآیند اضافه کردن اتم های کلر / برم / ید / فلوئور به اتم های فروم برای تشکیل کلرید / برمید / یدید / فلوراید است. این مواد در صنایع مختلف کاربرد فراوانی دارند. علاوه بر این، فروم قادر است در دماهای بالا با سیلیکون ترکیب شود. به دلیل خواص شیمیایی متنوع، آهن اغلب در صنایع شیمیایی استفاده می شود.
فروم و مواد پیچیده
از مواد ساده، بیایید به سراغ موادی برویم که مولکول‌هایشان از دو یا بیشتر تشکیل شده است.عناصر شیمیایی مختلف اولین چیزی که باید به آن اشاره کرد واکنش فروم با آب است. در اینجا به خواص اصلی آهن می پردازیم. هنگامی که آب همراه با آهن گرم می شود، یک اکسید پایه تشکیل می شود (به این دلیل نامیده می شود که در هنگام تعامل با همان آب یک هیدروکسید، به عبارت دیگر، یک پایه تشکیل می دهد). بنابراین، اگر یک مول از هر دو جزء را بگیرید، موادی مانند دی اکسید فرو و هیدروژن به شکل گاز با بوی تند - همچنین به نسبت مولی یک به یک - تشکیل می شوند. معادله این نوع واکنش را می توان به صورت زیر نوشت: Fe + H2O=FeO + H2. بسته به نسبت هایی که این دو جزء با هم مخلوط می شوند، می توان دی اکسید یا تری اکسید آهن به دست آورد. هر دوی این مواد در صنایع شیمیایی بسیار رایج هستند و در بسیاری از صنایع دیگر نیز استفاده می شوند.
با اسیدها و نمکها
از آنجایی که فروم در سمت چپ هیدروژن در سری فعالیت الکتروشیمیایی فلزات قرار دارد، می تواند این عنصر را از ترکیبات جابجا کند. نمونه ای از این واکنش جانشینی است که می توان با افزودن آهن به اسید مشاهده کرد. به عنوان مثال، اگر آهن و اسید سولفات (معروف به اسید سولفوریک) را با غلظت متوسط به یک نسبت مولی مخلوط کنید، نتیجه سولفات آهن (II) و هیدروژن به همان نسبت مولی خواهد بود. معادله چنین واکنشی به این شکل خواهد بود: Fe + H2SO4=FeSO4 + H 2.
هنگام تعامل با نمک ها، خواص کاهنده آهن ظاهر می شود. یعنی با کمک آن می توان یک فلز کمتر فعال را از نمک جدا کرد. به عنوان مثال، اگریک مول سولفات مس و همان مقدار فروم را مصرف کنید، سپس می توانید سولفات آهن (II) و مس خالص را به همان نسبت مولی دریافت کنید.
ارزش برای بدن
یکی از رایج ترین عناصر شیمیایی در پوسته زمین آهن است. ما قبلاً خواص ماده را در نظر گرفته ایم، اکنون از دیدگاه بیولوژیکی به آن می پردازیم. فروم عملکردهای بسیار مهمی را هم در سطح سلولی و هم در سطح کل ارگانیسم انجام می دهد. اول از همه، آهن اساس پروتئینی مانند هموگلوبین است. برای انتقال اکسیژن از طریق خون از ریه ها به تمام بافت ها، اندام ها، به تمام سلول های بدن، در درجه اول به نورون های مغز ضروری است. بنابراین، نمی توان خواص مفید آهن را دست بالا گرفت.
فرم علاوه بر این که بر تشکیل خون تأثیر می گذارد، برای عملکرد کامل غده تیروئید نیز مهم است (آنطور که برخی معتقدند این نه تنها به ید نیاز دارد). آهن همچنین در متابولیسم داخل سلولی شرکت می کند، ایمنی را تنظیم می کند. فروم همچنین به مقدار زیادی در سلول های کبد یافت می شود، زیرا به خنثی کردن مواد مضر کمک می کند. همچنین یکی از اجزای اصلی بسیاری از انواع آنزیم ها در بدن ما است. رژیم غذایی روزانه یک فرد باید شامل ده تا بیست میلی گرم از این عنصر کمیاب باشد.
غذاهای غنی از آهن
تعداد زیادی از آنها وجود دارد. آنها منشا گیاهی و حیوانی دارند. اولین آنها غلات، حبوبات، غلات (به ویژه گندم سیاه)، سیب، قارچ (پورسینی)، میوه های خشک، گل رز، گلابی، هلو،آووکادو، کدو تنبل، بادام، خرما، گوجه فرنگی، کلم بروکلی، کلم، زغال اخته، تمشک، کرفس، و غیره دوم - جگر، گوشت. استفاده از غذاهای سرشار از آهن در دوران بارداری بسیار مهم است، زیرا بدن جنین در حال رشد به مقدار زیادی از این عنصر برای رشد و نمو مناسب نیاز دارد.
علائم کمبود آهن
علائم ورود کم فروم به بدن عبارتند از: خستگی، یخ زدن مداوم دست ها و پاها، افسردگی، شکنندگی مو و ناخن، کاهش فعالیت فکری، اختلالات گوارشی، عملکرد کم و اختلالات تیروئید. اگر بیش از یکی از این علائم را مشاهده کردید، ممکن است بخواهید مقدار غذاهای غنی از آهن را در رژیم غذایی خود افزایش دهید یا ویتامین ها یا مکمل های حاوی فروم بخرید. همچنین، اگر هر یک از این علائم را خیلی شدید تجربه کردید، حتما به پزشک مراجعه کنید.
استفاده از فروم در صنعت
کاربردها و خواص آهن ارتباط نزدیکی با هم دارند. به دلیل فرومغناطیس بودن، از آن برای ساخت آهنربا استفاده می شود - هم برای مصارف خانگی ضعیف تر (مگنت های یخچال سوغاتی و غیره) و هم قوی تر - برای مصارف صنعتی. با توجه به اینکه فلز مورد نظر از استحکام و سختی بالایی برخوردار است، از قدیم الایام برای ساخت اسلحه، زره و سایر ابزارهای نظامی و خانگی استفاده می شده است. به هر حال، حتی در مصر باستان، آهن شهاب سنگ شناخته شده بود، خواصکه نسبت به فلزات معمولی برتری دارند. همچنین چنین آهن خاصی در روم باستان استفاده می شد. از آن سلاح های نخبه ساختند. فقط یک شخص بسیار ثروتمند و نجیب می تواند سپر یا شمشیر ساخته شده از فلز شهاب سنگ داشته باشد.
به طور کلی، فلزی که در این مقاله به آن توجه می کنیم، پرکاربردترین فلزی است که در بین تمام مواد این گروه مورد استفاده قرار می گیرد. ابتدا فولاد و چدن از آن ساخته می شود که برای تولید انواع محصولات مورد نیاز چه در صنعت و چه در زندگی روزمره استفاده می شود.
چدن آلیاژی از آهن و کربن است که در آن دومی از 1.7 تا 4.5 درصد وجود دارد. اگر دومی کمتر از 1.7 درصد باشد، این نوع آلیاژ فولاد نامیده می شود. اگر حدود 0.02 درصد کربن در ترکیب وجود داشته باشد، پس این آهن فنی معمولی است. وجود کربن در آلیاژ برای ایجاد استحکام بیشتر، مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر زنگ‌زدگی لازم است.
علاوه بر این، فولاد می تواند حاوی بسیاری از عناصر شیمیایی دیگر به عنوان ناخالصی باشد. این منگنز و فسفر و سیلیکون است. همچنین کروم، نیکل، مولیبدن، تنگستن و بسیاری از عناصر شیمیایی دیگر را می توان به این نوع آلیاژ اضافه کرد تا کیفیت خاصی به آن بدهد. انواع فولادی که در آنها مقدار زیادی سیلیکون وجود دارد (حدود چهار درصد) به عنوان فولادهای ترانسفورماتور استفاده می شود. آنهایی که حاوی مقدار زیادی منگنز (تا دوازده یا چهارده درصد) هستند در ساخت قطعات کاربرد دارند.راه‌آهن‌ها، آسیاب‌ها، سنگ شکن‌ها و سایر ابزارهایی که به سرعت قطعات را فرسوده می‌کنند.
مولیبدن به ترکیب آلیاژ وارد می شود تا از نظر حرارتی پایدارتر شود - چنین فولادهایی به عنوان فولادهای ابزار استفاده می شوند. علاوه بر این، برای به دست آوردن فولادهای زنگ نزن معروف و پرکاربرد به شکل چاقو و سایر ابزارهای خانگی، باید کروم، نیکل و تیتانیوم را به آلیاژ اضافه کرد. و برای به دست آوردن فولاد مقاوم در برابر ضربه، استحکام بالا و انعطاف پذیر کافی است وانادیوم را به آن اضافه کنید. هنگامی که در ترکیب نیوبیم وارد می شود، می توان به مقاومت بالایی در برابر خوردگی و اثرات مواد شیمیایی تهاجمی دست یافت.
مگنتیت معدنی که در ابتدای مقاله به آن اشاره شد برای ساخت هارد دیسک، کارت حافظه و سایر وسایل از این نوع مورد نیاز است. آهن به دلیل خاصیت مغناطیسی آن در ساخت ترانسفورماتورها، موتورها، محصولات الکترونیکی و غیره یافت می شود. علاوه بر این، آهن را می توان به سایر آلیاژهای فلزی اضافه کرد تا به آنها استحکام و پایداری مکانیکی بیشتری بدهد. سولفات این عنصر در باغبانی برای مبارزه با آفات (به همراه سولفات مس) استفاده می شود.
کلریدهای آهن برای تصفیه آب ضروری هستند. علاوه بر این، پودر مگنتیت در چاپگرهای سیاه و سفید استفاده می شود. کاربرد اصلی پیریت بدست آوردن اسید سولفوریک از آن است. این فرآیند در آزمایشگاه در سه مرحله انجام می شود. در مرحله اول فروم پیریت برای تولید اکسید آهن و دی اکسید گوگرد سوزانده می شود. مرحله دوم تبدیل دی اکسید استگوگرد به تری اکسید آن با مشارکت اکسیژن. و در مرحله آخر، ماده حاصل از بخار آب در حضور کاتالیزور عبور داده می شود و در نتیجه اسید سولفوریک به دست می آید.
آهن گرفتن
این فلز عمدتاً از دو ماده معدنی اصلی آن استخراج می شود: مگنتیت و هماتیت. این کار با احیای آهن از ترکیبات آن با کربن به شکل کک انجام می شود. این کار در کوره های بلند انجام می شود که دمای آن به دو هزار درجه سانتیگراد می رسد. علاوه بر این، راهی برای کاهش فروم با هیدروژن وجود دارد. این کار نیازی به کوره بلند ندارد. برای اجرای این روش، خاک رس مخصوص گرفته شده، با سنگ معدن خرد شده مخلوط شده و در کوره شفت با هیدروژن تصفیه می شود.
نتیجه گیری
خواص و کاربردهای آهن متفاوت است. این شاید مهمترین فلز در زندگی ما باشد. او پس از شناخته شدن برای بشر، جای برنز را گرفت که در آن زمان ماده اصلی برای ساخت همه ابزارها و همچنین سلاح ها بود. فولاد و چدن از بسیاری جهات از نظر خواص فیزیکی و مقاومت در برابر تنش مکانیکی بر آلیاژ مس-قلع برتری دارند.
علاوه بر این، آهن در سیاره ما بیشتر از بسیاری از فلزات دیگر رایج است. کسر جرمی آن در پوسته زمین تقریباً پنج درصد است. این عنصر چهارمین عنصر شیمیایی فراوان در طبیعت است. همچنین، این عنصر شیمیایی برای عملکرد طبیعی ارگانیسم حیوانات و گیاهان بسیار مهم است، در درجه اول به این دلیل که هموگلوبین بر اساس آن ساخته شده است. آهن یک ریز مغذی ضروری استکه برای حفظ سلامت و عملکرد طبیعی اندام ها مهم است. علاوه بر موارد فوق، تنها فلزی است که خواص مغناطیسی منحصر به فردی دارد. تصور زندگی ما بدون فروم غیر ممکن است.
