آهن چیست، از کجا می آید و چگونه استخراج می شود؟ این فلز مفید کاربردهای زیادی دارد. عنصر شیمیایی نقش مهمی در صنعت جهان دارد و چرخه آهن در طبیعت در حیات سیاره مهم است.
آهن چیست؟
آهن یک عنصر فلزی است که از نظر شیمیایی بسیار واکنش پذیر است، به ویژه هنگامی که با اکسیژن برهم کنش دارد. یکی از رایج ترین عناصر روی زمین و فضا است. اتم های آهن دارای 26 پروتون در هسته خود هستند. نماد شیمیایی - Fe (ferum) از نام لاتین آن ferum گرفته شده است. در حالت خالص، فلزی نرم و شکننده است که توسط ناخالصی ها تقویت می شود. وقتی با کربن ترکیب شود، فولادی تولید می شود که از بیش از 98 درصد سنگ آهن استخراج شده امروزی استفاده می کند.
همه اتم های آهن در جهان در هسته ستارگان در مراحل پایانی همجوشی تشکیل شده و سپس در انفجارهای ستاره ای به فضا رها شده اند. این چهارمین بزرگ استعنصری در پوسته زمین پس از سیلیکون، اکسیژن و آلومینیوم. آهن چیست؟ این رایج ترین عنصری است که سیاره ما را تشکیل می دهد، اگرچه بیشتر آن از نظر جرم بسیار زیر سطح - در هسته زمین قرار دارد. تقریباً در تمام سنگهای پوسته و گوشته به عنوان یک ترکیب شیمیایی از صدها کانی مختلف وجود دارد.
سنگ آهن
این فلز به شکل خالص آن کمیاب است. برخی از شهاب سنگ ها حاوی آهن عنصری هستند. این عنصر با اکسیژن و آب واکنش شیمیایی می دهد و مواد معدنی حاوی آهن تولید می کند. هر سنگی که حاوی مقدار کافی از این فلز باشد تا برای اهداف اقتصادی استخراج شود، سنگ آهن نامیده می شود. رایج ترین مواد معدنی آن عبارتند از:
- اکسید آهن (فرمول Fe2O3)، که هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن تشکیل می شود؛
- اکسید آهن هیدراته که از واکنش در آب تشکیل می شود.
مهمترین سنگ آهن کانی های اکسید آهن به نام هماتیت و مگنتیت هستند. غلظت بالای آهن باعث می شود که آنها در صنعت ترجیح داده شوند. آهن در بزرگترین ذخایر سنگ معدن استخراج می شود. اغلب اینها سازندهای هستند که سنگهای رسوبی باستانی هستند. آنها حاوی لایه هایی از مواد معدنی اکسید آهن هستند (فرمول Fe2O33
) تا چندین سانتی متر ضخامت دارند.
آهن را از کجا می توانم پیدا کنم؟
در دمای اتاق، این استجامد. این یک فلز خاکستری براق است که به مرور زمان در معرض هوای مرطوب زنگ می زند. با بسیاری از فلزات دیگر ترکیب می شود و آلیاژ می سازد. دامنه آهن بسیار گسترده است. وقتی با کربن ترکیب می شود به فولاد تبدیل می شود. همچنین می توان آن را با فلزات دیگری مانند نیکل، کروم و تنگستن ترکیب کرد. این آلیاژها بسیار قوی هستند و می توان از آنها برای ساخت پل و ساختمان استفاده کرد.
آهن یک عنصر بسیار باستانی است که برای مدت طولانی در زمین استفاده می شده است. اشیایی از آن در مصر باستان یافت شد. حتی یک دوره کامل از زمان (1200-500 قبل از میلاد) به نام او وجود داشت - عصر آهن، زمانی که از آن برای ساخت ابزار و سلاح استفاده می شد. برای یافتن این فلز مفید، باید در اعماق زمین به دنبال آن بگردید. هم در پوسته زمین و هم در هسته زمین یافت می شود. آهن روی زمین از هر فلز دیگری بیشتر است. این عنصر را می توان در سیارات دیگر از جمله هسته مشتری و زحل و همچنین سطح گرد و غبار قرمز مریخ (به همین دلیل سیاره سرخ نامیده شد) یافت.
چرخه آهن زمینی در طبیعت
آهن (Fe) مانند بسیاری از مواد مغذی دیگر از چرخه ژئوشیمیایی پیروی می کند. معمولاً از طریق هوازدگی سنگ ها یا فوران های آتشفشانی در خاک یا اقیانوس آزاد می شود. در اکوسیستم زمینی، گیاهان ابتدا آهن را از طریق ریشه خود از خاک جذب می کنند. این یک ماده مغذی بسیار مهم است که بین موجودات زنده و ژئوسفر حرکت می کند.
آهنیک ماده غذایی محدود کننده مهم برای گیاهان است که از آن برای تولید کلروفیل استفاده می کنند. فتوسنتز به عرضه کافی این فلز بستگی دارد. گیاهان آن را از خاک به ریشه جذب می کنند. حیوانات این گیاه را مصرف می کنند و از آن برای تولید هموگلوبین استفاده می کنند. هنگامی که آنها می میرند، تجزیه می شوند و باکتری ها فلز را به خاک باز می گردانند.
چرخه دریایی آهن
چرخه دریایی آهن در طبیعت بسیار شبیه چرخه زمین است. این فرآیند به دلیل فعالیت حیاتی میکروارگانیسم های خاصی رخ می دهد که فلز را به هیدروکسید اکسید کرده و کربن را از دی اکسید کربن به دست می آورند. باکتری های آهن در رودخانه، دریا یا هر آب دیگری برای چرخه زندگی خود انرژی استخراج می کنند و پس از اتمام آن به شکل سنگ معدنی در خاک مستقر می شوند.
نقش آهن در اکوسیستم های اقیانوسی نیز قابل توجه است. تولید کنندگان اصلی که این فلز را جذب می کنند معمولا فیتوپلانکتون ها یا سیانوباکتری ها هستند. سپس مصرف کنندگان با خوردن این باکتری ها آهن جذب می کنند. چرخه آهن در طبیعت یک فرآیند بسیار پیچیده است. این به بسیاری از عوامل همزمان بستگی دارد: واکنش های شیمیایی، انواع زیستگاه ها و گروه های میکروب. همه اینها آن را با سایر چرخه های بیوژئوشیمیایی به همان اندازه مهم زمین مرتبط می کند.
ویژگی های کلی
آهن به شکل کانه های مختلف ترکیبی یکی از رایج ترین عناصری است که حدود ۵ درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد. مهم ترین کانی های آهن دار هستنداکسیدها و سولفیدها (هماتیت، مگنتیت، گوتیت، پیریت، مارکازیت). این فلز در شهاب سنگ ها، سیارات دیگر و در خورشید نیز وجود دارد. آهن هم در دریا و هم در آب شیرین یافت می شود.
حقایق جالب
در اینجا چند واقعیت جالب در مورد این عنصر شیمیایی به ظاهر ساده وجود دارد:
- آهن یک بلوک ساختمانی ضروری برای تغذیه گیاه است و به حمل اکسیژن در خون کمک می کند و در نتیجه از حیات روی زمین حمایت می کند.
- این یک جامد شکننده است که در جدول تناوبی عناصر به عنوان فلز در گروه 8 طبقه بندی می شود. در شکل خالص خود، به سرعت در اثر قرار گرفتن در معرض هوای مرطوب و دمای بالا خورده می شود.
- این چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین از نظر وزن است و اعتقاد بر این است که بیشتر هسته زمین از آهن است.
- بیشتر آن برای ساخت فولاد، آلیاژی از آهن و کربن استفاده می شود که به نوبه خود در ساخت و سازها مانند بتن مسلح استفاده می شود.
- فولاد ضد زنگ حاوی حداقل 10.5 درصد کروم در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. در کارد و چنگال و ظروف آشپزخانه مانند قابلمه های فولادی ضد زنگ استفاده می شود.
- افزودن عناصر دیگر می تواند خواص مفید جدیدی را برای فولاد فراهم کند. به عنوان مثال، نیکل دوام آلیاژ را افزایش می دهد و آن را در برابر حرارت و اسیدها مقاوم می کند.
اطلاعات مختصر در مورد عنصر Fe
- شمارهپروتون ها در هسته: 26.
- نماد اتمی: Fe.
- جرم متوسط یک اتم: 55.845 گرم در مول.
- چگالی: 7.874 گرم در سانتی متر مکعب.
- فاز در دمای اتاق: جامد.
- نقطه ذوب: 1538 0C.
- نقطه جوش: 2861 0C.
- تعداد ایزوتوپ: 33.
- ایزوتوپ های پایدار: 4.
برنامه های اصلی
آهن در بسیاری از بخش ها مانند الکترونیک، تولید، خودروسازی و ساخت و ساز استفاده می شود. موارد زیر کاربردهای آهن است:
- به عنوان ماده اصلی تشکیل دهنده فلزات آهنی، آلیاژها و فولاد.
- آلیاژی که از کربن، نیکل، کروم و عناصر مختلف دیگر برای تولید آهن یا فولاد استفاده می کند.
- در آهنربا.
- در محصولات فلزی تمام شده.
- در تجهیزات صنعتی.
- در تجهیزات حمل و نقل.
- در ابزارها.
- در اسباب بازی ها و کالاهای ورزشی.
آهن 5 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد و یکی از رایج ترین و پرکاربردترین فلزات است. این عنصر در گوشت، سیب زمینی و سبزیجات نیز وجود دارد و برای حیوانات و انسان ضروری است. بخشی جدایی ناپذیر از هموگلوبین است. این فلز در ظاهر مایل به خاکستری و بسیار انعطاف پذیر و چکش خوار است. به راحتی در اسیدهای رقیق حل می شود و واکنش پذیر است. مناطق اصلی استخراج آهن عبارتند از چین، استرالیا، برزیل، روسیه و اوکراین.
