Odkud železo pochází nebo jak se vyrábí?

Když přemýšlíte o původu železa, vaše mysl pravděpodobně putuje do vizí oceláren středověkého věku kovárny nebo jiný výrobní proces charakterizovaný tvrdou, praktickou prací a velmi vysokou teploty. Ale kromě toho, že jde o druh kovu, který se v lidském průmyslu používá různými způsoby, železo je také prvek, nikoli sloučenina nebo slitina, což znamená, že je možné izolovat jediný atom železa. To neplatí pro většinu známých materiálů; například nejmenší množství vody, které lze ještě nazvat vodou, zahrnuje tři atomy, jeden z nich kyslík a další dva vodík.

Je zajímavé, že i když si zde lidé spojují železo s neobvykle vysokými teplotami ve výrobních podmínkách Země, železo jako prvek vděčí za svou existenci událostem tak horkým a tak vzdáleným, že jich zúčastněná čísla stěží dělají smysl. Studie o tom, jak se vyrábí železo, tedy vyžaduje dva paralelní procesy: Zkoumání toho, jak železo vzniklo a jak se dostalo na Zemi a jak lidé na Zemi vyrábějí a používají železo pro každodenní i specializované účely činnosti. Tato témata zase vyzývají k diskusi o používání železa v živých systémech a v nich a k obecnému pohledu na to, jak jednotlivé prvky vznikají a šíří se ve vesmíru.

Železo je známo lidstvu přibližně od roku 3500 př. N. L., Tedy před více než 5500 lety. Jeho název je odvozen od anglosaské verze, která byla „iren“. Symbol železa periodické tabulky Fe pochází z latinského slova pro železo, kterým je ferrum. Pokud si prohlížíte lékárnu a náhodou vidíte doplňky železa, všimnete si, že většina jejich jmen je něco „železného“ nebo něco jiného (například síran nebo glukonát). Kdykoli v chemickém kontextu uvidíte slovo „železitý“ nebo „železitý“, měli byste okamžitě rozpoznat, že o železa se diskutuje; „ironie“, ačkoli je to skvělé a užitečné slovo, nemá ve světě fyzikální vědy žádnou roli.

Železo (zkráceně Fe) je klasifikováno jako kov nejen pro každodenní účely, ale také na periodické tabulce prvků (interaktivní zdroje viz Zdroje). Pravděpodobně to nepřekvapuje, ale ve skutečnosti převažují kovy v přírodě nad nekovy. ze 113 prvků, které lidé objevili nebo vytvořili v laboratorních podmínkách, je 88 klasifikováno jako kovy.

Atomy, jak už možná víte, sestávají z jádra obsahujícího směs protonů a neutronů zhruba stejné hmotnosti obklopených „oblakem“ téměř bezhmotných elektronů. Protony a elektrony nesou náboj stejné velikosti, ale náboj protonů je kladný, zatímco náboj elektronů je záporný. Atomové číslo železa je 26, což znamená, že železo má v elektricky neutrálním stavu 26 protonů a 26 elektronů. Jeho atomová hmotnost, která, když je zaokrouhlena, je jednoduše součet nebo protony a neutrony, je plachá 56 gramů na mol, což znamená, že její chemicky nejstabilnější forma obsahuje (56-26) = 30 neutronů.

Železo má některé impozantní fyzikální vlastnosti. Má hustotu 7,87 g / cm³, takže je téměř osmkrát hustší než voda. (Hustota je hmotnost na jednotku objemu; voda je definována jako 1,0 g / cm³ podle dohody.) Železo je pevná látka o teplotě 20 stupňů Celsia (68 F), která se obecně pro účely chemie považuje za „pokojovou teplotu“. Jeho teplota tání je extrémně vysoká 1538 ° C (2800 ° F), zatímco jeho teplota varu - tj. Teplota, při které se tekuté železo začíná odpařovat a stát se plynem - je spalujících 2861 ° C (5182 ° F). Není tedy divu, že při zpracování kovů musí být druhy použitých pecí skutečně mimořádně silné.

Hmotnost železa je čtvrtým nejhojnějším prvkem v zemské kůře. Celkový podíl železa na Zemi může být podstatně větší, vzhledem k tomu, že se předpokládá, že roztavené jádro planety sestává hlavně ze zkapalněného železa, niklu a síry. Když se železo získává ze země při těžbě, má formu rudy, což je železo elementární smíchané s jedním nebo více druhy hornin. Nejběžnějším typem železné rudy je hematit, ale významným zdrojem tohoto kovu jsou také magnetit a taconit.

Železo rezuje nebo koroduje, velmi snadno ve srovnání s jinými kovy. To vytváří problémy pro inženýry, protože v současnosti devět desetin rafinovaného kovu zahrnuje železo.

Většina železa vytěženého pro lidské použití končí ve formě oceli. „Ocel“ je slitina, což znamená směs kovů. Populární forma tohoto produktu se dnes nazývá uhlíková ocel, což je poněkud zavádějící, protože uhlík přispívá jen malým zlomkem hmotnosti této oceli ve všech jejích formách. Ve formě uhlíkové oceli s nejvyšším obsahem uhlíku představuje uhlík asi 2 procenta hmotnosti kovu; tento údaj se může pohybovat od 1/10 procenta, aniž by kov ztratil titul „uhlíková ocel“.

Uhlíková ocel může být zase strategicky znehodnocena jinými kovy za vzniku slitin s určitými požadovanými vlastnostmi. Například nerezová ocel je forma uhlíkové oceli, která má významné množství chromu - přes 10 hmotnostních procent. Tento materiál je známý svou trvanlivostí a tendencí k dlouhodobému udržování lesklého lesklého vzhledu díky vysoké odolnosti proti korozi. Nerezová ocel je prominentní v architektuře, kuličkových ložiscích, chirurgických nástrojích a nádobí. Je velká šance, že pokud jasně vidíte svůj odraz na čistě kovovém povrchu, díváte se na druh nerezové oceli.

Pokud je do oceli integrováno rozumné množství kovů, jako je nikl, vanad, wolfram a mangan, je již tvrdá látka ještě těžší; tyto legované oceli jsou proto vhodné pro použití v mostech, řezných nástrojích a elektrických součástech.

Neželezný typ železa nazývaný litina obsahuje velké množství uhlíku (minimálně podle standardů zpracování železa): 3 až 5 procent. Litina není tak tvrdá jako ocel, ale je podstatně levnější, takže při přechodu z oceli na litinu železo, uděláte stejný obecný kompromis jako při přechodu z primárního žebra na 70 procent štíhlosti hamburger.

Železo na Zemi se vyrábí nebo přesněji získává ze železné rudy. „Horninová“ část železné rudy obsahuje kyslík, písky a jíly v různých množstvích v závislosti na druhu rudy. Úkolem železárny, jak se takové továrny nazývaly nejdříve, je odstranit co nejvíce horniny a jiné drti, přičemž železo zanechat - trochu jinak v zásadě od loupání arašídů nebo loupání pomeranče, abyste se dostali do dobré části, kromě toho, že v případě železné rudy není železo pouze obklopeno jednorázovým materiál; je to přímo promíchané.

Navzdory skličujícím teplotám a celkovým fyzickým výzvám železáren už je lidé používali v předkřesťanských dobách. Železo se nejprve dostalo na Britské ostrovy prostřednictvím kontinentální Evropy a západní Asie v 5. století př. N. L. Tehdy bylo železo fyzicky odděleno od nežádoucí materiál v maximální možné míře pouze s použitím dřevěného uhlí, hlíny a samotné rudy, zahřátý na teploty, které jsou skromné ​​ve srovnání s tím, co by následovat. Tavení každopádně probíhalo do roku 1500 př. N. L., Ale téměř o 30 století později, ve 14. století, byla vynalezena vysoká pec, která radikálně a navždy změnila „průmysl“ (jaký byl).

Dnes se železo vyrábí zahříváním hematitu nebo magnetitu ve vysoké peci spolu s formou uhlíku zvaného „koks“ a také uhličitanem vápenatým (CaCO₃), lépe známý jako vápenec. Tím se získá sloučenina, která obsahuje asi 3 procenta uhlíku a další cizí látky - není ideální v kvalitě, ale dost dobrá na výrobu oceli. Každý rok se po celém světě vyprodukuje asi 1,3 miliardy metrických tun (zhruba 1,43 miliardy amerických tun, neboli téměř 3 biliony liber) surové oceli.

Odkud „pochází“ žehlička ve vaší myčce z nerezové oceli nebo ve vašich kamnech na dřevo, je možná mnohem méně zajímavá otázka než to, jak vůbec vůbec ve vesmíru existovalo železo. Železo je považováno za těžký prvek a prvky tohoto typu lze vytvořit pouze při katastrofických událostech „smrti hvězd“ nazývaných supernovy. Zatímco většina hvězd při svícení palivem vodíku trochu zhasíná, některé hvězdy doslova zhasnou.

Jedná se o statisticky vzácné události, které se v celém rozsahu vyskytují jen několikrát každých sto let celé galaxie Mléčná dráha, mohutná pomalu rotující hromada hvězd a další hmoty, kterou lidé nazývají Domov. Jsou však také životně důležité. Bez nich by síly potřebné k tomu, aby se velké malé prvky spojily při nárazu, a vytvořily ještě větší prvky, jako je železo, měď, rtuť, zlato, jód a olovo, by neexistovaly. Určitý zlomek těchto prvků neustále cestuje na velké vzdálenosti vesmírem a usazuje se na Zemi, někdy v podobě úderů meteoritu.

Předpokládá se, že železo představuje přibližný mezní bod z hlediska prvků, které lze generovat obyčejnými procesy hvězdného spalování (jako by tyto procesy samy o sobě byly jakýmkoli způsobem skutečně „obyčejné“) a ty, které lze pouze vytvořit supernovy.

Většina prvků - kyslík, atomové číslo 8, je, ale pravděpodobně nezahrnuje železo, atomové číslo 26 - vyrobena, jakmile hvězda začne vyčerpávat svůj vodíkový přísun. Důvod, proč hvězda „hoří“, je ten, že neustále podstupuje nespočet fúzních reakcí s vodíkem, nejlehčí prvek (atomové číslo 1), který se srazil s jinými atomy vodíku a vytvořil helium (atomové číslo 2). Nakonec se v nejvnitřnější části hvězdy atomy helia srazí ve skupinách a vytvoří uhlík (atomové číslo 6).

Pravděpodobně uznáváte železo jako zásadní v lidské stravě založené pouze na reklamních tvrzeních od výrobci potravin („Tato obilovina obsahuje 100 procent doporučené denní dávky v USA ve výši žehlička!"). Možná nevíte, proč tomu tak je.

Jak se ukázalo, typické lidské tělo obsahuje asi 4 gramy elementárního železa. To nemusí znít moc, ale proč by vaše tělo vůbec potřebovalo nějaký kov? Ve skutečnosti je železo nezbytnou součástí hemoglobinu, proteinu vázajícího kyslík, který se nachází v červených krvinkách (RBC). Červené krvinky transportují kyslík z plic do tkání, kde jsme je používali v buněčném dýchání.

Když lidé trpí nedostatkem železa díky nedostatečnému příjmu potravy (železo se nachází v mase, zejména orgánové maso, stejně jako určitá zrna) nebo systémové systémové stavy, jejich červené krvinky nemohou dělat své pracovat správně. V tomto stavu, který se nazývá anémie, se lidem po skromném namáhání krátí dech a často trpí únavou, bolestmi hlavy a celkovou slabostí. V závažných případech může být nutná krevní transfuze k nápravě anémie, ačkoli obvykle se korekce provádí pomocí suplementace pilulkami a tekutinami obsahujícími železo.