Откъде идва желязото или как се прави?

Когато размишлявате за произхода на желязото, умът ви вероятно се лута във видения на стоманодобивни заводи, средновековна епоха ковачници или някакъв друг производствен процес, характеризиращ се с тежка, практически работа и много висока температури. Но освен че е вид метал, използван по различни начини в човешката индустрия, желязото е и елемент, а не съединение или сплав, което означава, че е възможно да се изолира един атом на желязо. Това не е вярно за повечето познати материали; например, най-малкото количество вода, което все още може да се нарече вода, включва три атома, единият от които кислород, а другите два водорода.

Интересното е, че въпреки че хората свързват желязото с необичайно високи температури в производствените настройки тук Земята, желязото като елемент дължи своето съществуване на толкова горещи и толкова далечни събития, че броят на участващите едва ли ги прави смисъл. По този начин, предприемането на проучване как се прави желязото изисква два паралелни процеса: Проучване как е възникнало желязото и как е достигнал до Земята, и как хората на Земята произвеждат и използват желязо за ежедневието, както и специализирани дейности. Тези теми от своя страна канят дискусия за използването на желязо в и от живите системи и общ поглед върху това как различните елементи произхождат и се разпространяват в космоса.

Желязото е известно на човечеството от около 3500 г. пр. Н. Е. Или преди повече от 5500 години. Името му произлиза от англосаксонската версия, която е била „ирен“. Символът за желязо на периодичната таблица Fe идва от латинската дума за желязо, която е ферум. Ако разглеждате аптека и случайно виждате добавки с желязо, ще забележите, че повечето от имената им са "железни" нещо или друго (като сулфат или глюконат). Всеки път, когато видите думата "железен" или "железен" в контекста на химията, трябва незабавно да осъзнаете, че се обсъжда желязото; „иронично“, макар и прекрасна и полезна дума, няма роля в света на физическата наука.

Желязото (съкратено Fe) е класифицирано като метал не само за ежедневни цели, но и в периодичната таблица на елементите (вж. Ресурси за интерактивен пример). Това вероятно е малко изненадващо, но всъщност металите превъзхождат неметалите в природата с голяма разлика; от 113 елемента, които хората са открили или създали в лабораторни условия, 88 са класифицирани като метали.

Атомите, както вече знаете, се състоят от ядро, съдържащо смес от протони и неутрони с приблизително еднаква маса, заобиколени от „облак“ от почти безмасови електрони. Протоните и електроните носят заряд с еднаква величина, но зарядът на протоните е положителен, докато този на електроните е отрицателен. Атомният номер на желязото е 26, което означава, че желязото има 26 протона и 26 електрона в електрически неутрално състояние. Неговата атомна маса, която, когато се закръгли, е просто сумата или протоните и неутроните, е срамежлива от 56 грама на мол, което означава, че най-химически стабилната му форма съдържа (56 - 26) = 30 неутрона.

Желязото притежава някои страховити физически свойства. Има плътност 7,87 g / cm³, което го прави почти осем пъти по-плътен от водата. (Плътността е маса на единица обем; водата се определя като 1,0 g / cm³ по конвенция.) Желязото е твърдо вещество при 20 градуса по Целзий (68 F), обикновено считано за "стайна температура" за целите на химията. Точката му на топене е изключително висока 1538 C (2800 F), докато точката му на кипене - т.е. температурата, при която течното желязо започва да се изпарява и става газ - е изгарящите 2861 C (5182 F). Затова не е чудно, че при металообработването използваните видове пещи трябва да бъдат наистина изключително мощни.

Желязото по маса е четвъртият най-разпространен елемент в земната кора. Общият дял на желязото на Земята обаче може да бъде значително по-голям, като се има предвид, че се смята, че разтопеното ядро ​​на планетата се състои главно от втечнено желязо, никел и сяра. Когато желязото се извлича от земята при минни операции, то е под формата на руда, която е елементарно желязо, смесено с един или повече видове скали. Най-често срещаният тип желязна руда е хематитът, но магнетитът и таканитът също са значими източници на този метал.

Желязната ръжда или корозия много лесно се сравнява с други метали. Това създава проблеми за инженерите, тъй като в момента девет десети от метала, който се рафинира, включва желязо.

Повечето желязо, добито за човешка употреба, се навива под формата на стомана. "Стомана" е сплав, което означава смес от метали. Популярната форма на този продукт днес се нарича въглеродна стомана, което е малко подвеждащо, тъй като въглеродът допринася само малка част от масата на тази стомана във всичките й форми. При най-въглеродната форма на въглеродната стомана въглеродът представлява около 2% от масата на метала; тази цифра може да варира до 1/10 от 1%, без металът да загуби титлата „въглеродна стомана“.

Въглеродната стомана от своя страна може да бъде стратегически подправена с други метали, за да се получат сплави с определени желани свойства. Например неръждаемата стомана е форма на въглеродна стомана, която има значително количество хром - над 10 процента по маса. Този материал е известен със своята издръжливост и с тенденцията си да запазва лъскавия си бляскав външен вид за дълги периоди поради високата си устойчивост на корозия. Неръждаемата стомана се отличава на видно място в архитектурата, сачмените лагери, хирургическите инструменти и съдовете. Шансовете са добри, че ако можете да видите отражението си ясно в чисто метална повърхност, вие гледате на един вид неръждаема стомана.

Когато разумни количества метали като никел, ванадий, волфрам и манган се интегрират в стоманата, това прави и без това твърдото вещество още по-трудно; следователно тези легирани стомани са подходящи за включване в мостове, режещи инструменти и компоненти на електрическата мрежа.

Нежелемен тип желязо, наречено чугун, включва много въглерод (поне по стандартите на металообработването на желязо): 3 до 5 процента. Чугунът не е толкова жилав, колкото стоманата, но е значително по-евтин, така че при преминаване от стомана към отливка желязо, правите същия общ компромис, който правите, когато преминавате от първостепенно ребро до 70 процента постно хамбургер.

Желязото на Земята е направено или по-правилно извлечено от желязна руда. „Скалната“ порция желязна руда съдържа кислород, пясъци и глини в различни количества в зависимост от вида на рудата. Работата на железарската фабрика, както се наричаха най-ранните такива фабрики, е да премахва колкото се може повече от скалата и други песъчинки, като същевременно оставя желязо след себе си - малко по-различно по принцип от черупка на фъстъци или белене на портокал, за да стигнете до добрата част, с изключение на това, че в случай на желязна руда желязото не е просто заобиколено от еднократна материал; тя се смесва точно с нея.

Въпреки ужасяващите температури и общите физически предизвикателства на железарските изделия, хората вече ги използват в предхристиянски времена. Обработката на желязо за първи път достига до Британските острови през континентална Европа и Западна Азия през 5 век пр.н.е. Тогава желязото беше физически отделено от нежелан материал във възможно най-пълна степен, използвайки само въглища, глина и самата руда, нагрети до температури, които са били умерени в сравнение с това, което би последвам. Във всеки случай топенето е било в ход към 1500 г. пр. Н. Е., Но близо 30 века по-късно, през 1400 г., е измислена доменната пещ, променяща радикално и завинаги „индустрията“ (каквато е била).

Днес желязото се произвежда чрез нагряване на хематит или магнетит в доменна пещ, заедно с форма на въглерод, наречена "кокс", както и калциев карбонат (CaCO₃), по-известен като варовик. Получава се съединение, което съдържа около 3% въглерод и други замърсители - не идеално по качество, но достатъчно добро, за да направи стомана. Всяка година по света се произвеждат около 1,3 милиарда метрични тона (приблизително 1,43 милиарда американски тона или близо 3 трилиона паунда) сурова стомана.

Откъде „идва“ желязото в съдомиялната ви машина от неръждаема стомана или печката ви на дърва е може би далеч по-малко интересен въпрос от това как първоначално е съществувало желязото навсякъде във Вселената. Желязото се счита за тежък елемент и елементи от този тип могат да бъдат създадени само при катастрофални събития от „звездна смърт“, наречени супернови. Докато повечето звезди се разпадат, докато изгарят горивото си с водород, някои звезди буквално излизат с гръм и трясък.

Това са статистически редки събития, които се случват само няколко пъти на всеки сто години на цялата галактика Млечен път, масивната бавно въртяща се купчина звезди и друга материя, която хората наричат У дома. Но те са и жизненоважни. Без тях силите, необходими, за да накарат значителни по-малки елементи да се слеят заедно при удар и да създадат още по-големи елементи като желязо, мед, живак, злато, йод и олово, няма да съществуват. И през цялото време определена част от тези елементи изминават големи разстояния през космоса и се установяват на Земята, понякога под формата на удари от метеорити.

Смята се, че желязото представлява приблизителната гранична точка по отношение на елементи, които могат да бъдат генерирани от обикновени процеси на изгаряне на звезди (сякаш самите тези процеси са наистина „обикновени“ по някакъв начин) и тези, които могат да бъдат създадени само от свръхнови.

Повечето елементи - кислород, атомен номер 8, но вероятно не включително желязото, атомно число 26 - се правят, след като една звезда започне да изразходва водорода си. Причината, поради която звездата "изгаря", е, че тя непрекъснато претърпява безброй реакции на синтез с водород, най-лекият елемент (атомен номер 1), който се сблъсква с други водородни атоми, образувайки хелий (атомен номер 2). В крайна сметка в най-вътрешната част на звездата атомите на хелий се сблъскват на групи, образувайки въглерод (атомен номер 6).

Вероятно разпознавате желязото като съществено в човешката диета, основаващо се единствено на рекламни твърдения от производители на храни („Тази зърнена култура съдържа 100 процента от препоръчителната за САЩ дневна доза от желязо!"). Може обаче да не знаете защо е така.

Както се оказва, типичното човешко тяло съдържа около 4 грама елементарно желязо. Това може да не звучи много, но защо тялото ви да има нужда от някакъв метал в него? Всъщност желязото е съществена част от хемоглобина, свързващия кислорода протеин, намиращ се в червените кръвни клетки (RBC). Еритроцитите транспортират кислород от белите дробове до тъканите, където той се използва при клетъчно дишане.

Когато хората станат с недостиг на желязо благодарение на недостатъчен хранителен прием (желязото се намира в месото, особено месо от органи, както и някои зърнени храни) или системни болестни състояния, техните еритроцити не могат да направят своето работа правилно. В това състояние, наречено анемия, хората остават без дъх след умерено усилие и често страдат от умора, главоболие и обща слабост. В тежки случаи може да се наложи кръвопреливане, за да се коригира анемията, въпреки че обикновено корекцията се извършва с добавки с хапчета и течности, съдържащи желязо.