Hvor kommer jern fra, eller hvordan fremstilles det?

Når du overvejer jernets oprindelse, vandrer dit sind sandsynligvis ind i visioner af stålværker i middelalderen smedje eller anden fremstillingsproces, der er kendetegnet ved hårdt, praktisk arbejde og meget højt temperaturer. Men bortset fra at være en type metal, der bruges på forskellige måder i den menneskelige industri, er jern som et element, ikke en forbindelse eller legering, hvilket betyder, at det er muligt at isolere et enkelt jernatom. Dette gælder ikke for mest velkendte materialer; for eksempel inkluderer den mindste mængde vand, som stadig kan kaldes vand, tre atomer, et af dem ilt og det andet to brint.

Interessant, selvom folk forbinder jern med usædvanligt høje temperaturer i produktionsindstillinger her på Jorden, jern som et element skylder sin eksistens til begivenheder, der er så varme og så langt væk, at de involverede tal næppe udgør følelse. Således kræver to undersøgelser af, hvordan jern fremstilles, to parallelle processer: Undersøgelse af, hvordan jern blev til og hvordan det nåede Jorden, og hvordan mennesker på Jorden fremstiller og bruger jern til hverdag såvel som specialiseret aktiviteter. Disse emner indbyder igen til diskussion om brugen af ​​jern i og af levende systemer og et generelt kig på, hvordan de forskellige elementer både stammer fra og spredes gennem kosmos.

Jern har været kendt for menneskeheden siden omkring 3500 f.Kr. eller for over 5.500 år siden. Navnet stammer fra den angelsaksiske version, som var "iren". Det periodiske bordjernssymbol Fe kommer fra det latinske ord for jern, som er ferrum. Hvis du læser på et apotek og tilfældigvis ser jerntilskud, vil du bemærke, at de fleste af deres navne er "jernholdige" noget eller andet (såsom sulfat eller gluconat). Hver gang du ser ordet "jern" eller "jern" i kemisk sammenhæng, skal du straks erkende, at jern diskuteres; "ironisk", selvom det er et glimrende og nyttigt ord, har ingen rolle i den fysiske videnskabs verden.

Jern (forkortet Fe) er klassificeret som et metal ikke kun til hverdagsformål, men også på elementernes periodiske system (se Ressourcer for et interaktivt eksempel). Dette kommer sandsynligvis som en lille overraskelse, men faktisk overstiger metaller ikke-metaller i naturen med en bred margin; af de 113 grundstoffer, som mennesker har opdaget eller skabt i laboratorieindstillinger, klassificeres 88 som metaller.

Atomer, som du måske allerede ved, består af en kerne indeholdende en blanding af protoner og neutroner med nogenlunde lige masse omgivet af en "sky" af næsten masseløse elektroner. Protoner og elektroner har en ladning af samme størrelse, men protonernes ladning er positiv, mens den for elektroner er negativ. Jernets atomnummer er 26, hvilket betyder at jern har 26 protoner og 26 elektroner i sin elektrisk neutrale tilstand. Dens atommasse, der, når den afrundes, simpelthen er summen eller protoner og neutroner, er bare genert af 56 gram pr. Mol, hvilket betyder, at dens mest kemisk stabile form indeholder (56 - 26) = 30 neutroner.

Jern har nogle formidable fysiske egenskaber. Det har en densitet på 7,87 g / cm³, hvilket gør det næsten otte gange så tæt som vand. (Densitet er masse pr. Enhed volumen; vand er defineret som 1,0 g / cm³ ved konvention.) Jern er et fast stof ved 20 grader Celsius (68 F), der generelt betragtes som "stuetemperatur" til kemiske formål. Dets smeltepunkt er ekstremt højt 1538 ° C (2800 ° F), mens dets kogepunkt - det vil sige den temperatur, hvor flydende jern begynder at fordampe og bliver gas - er en brændende 2861 ° C (5182 ° F). Det er derfor ikke underligt, at de anvendte ovne i metalbearbejdning faktisk skal være ekstraordinær kraftfulde.

Jern er i masse det fjerde mest udbredte element i jordskorpen. Jernens samlede andel af Jorden kan dog være betydeligt større, da man antager, at planetens smeltede kerne hovedsageligt består af flydende jern, nikkel og svovl. Når jern udvindes fra jorden under minedrift, er det i form af malm, som er elementært jern blandet med en eller flere typer sten. Den mest almindelige type jernmalm er hæmatit, men magnetit og taconit er også vigtige kilder til dette metal.

Jernroder eller korroderer meget let sammenlignet med andre metaller. Dette skaber problemer for ingeniører, fordi ni tiendedele af metallet, der raffineres, i øjeblikket inkluderer jern.

Det meste af jern, der udvindes til menneskelig brug, vinder op i form af stål. "Stål" er en legering, der betyder en blanding af metaller. En populær form for dette produkt i dag kaldes kulstofstål, hvilket er noget vildledende, fordi kulstof kun bidrager med en lille brøkdel af massen af ​​dette stål i alle dets former. I den højeste kulstofform af kulstofstål tegner kulstof sig for ca. 2 procent af metalets masse; dette tal kan variere ned til 1/10 af 1 procent uden at metallet mister titlen "kulstofstål".

Carbonstål kan igen forfalskes strategisk med andre metaller for at give legeringer med visse ønskelige egenskaber. Rustfrit stål er for eksempel en form for kulstofstål, der har en betydelig mængde krom - over 10 vægtprocent. Dette materiale er kendt for sin holdbarhed og sin tendens til at opretholde dets skinnende, skinnende udseende i lange perioder på grund af dets høje modstandsdygtighed over for korrosion. Rustfrit stål er fremtrædende inden for arkitektur, kuglelejer, kirurgiske instrumenter og service. Chancerne er gode, at hvis du kan se din refleksion tydeligt i en ren metaloverflade, ser du på en slags rustfrit stål.

Når fornuftige mængder af metaller som nikkel, vanadium, wolfram og mangan er integreret i stål, gør det et allerede hårdt stof endnu hårdere; disse legerede stål er derfor velegnede til inddragelse i broer, skæreinstrumenter og elektriske netkomponenter.

En jerntype, der ikke er af stål, kaldet støbejern, indeholder en hel del kulstof (i det mindste efter jernmetalbearbejdningens standard): 3 til 5 procent. Støbejern er ikke så hårdt som stål, men det er betydeligt billigere, så ved at flytte fra stål til støbning jern, du foretager den samme generelle afvejning, som du gør, når du går fra prime ribben til 70 procent lean hamburger.

Jern på jorden er fremstillet eller mere korrekt udvundet af jernmalm. Den "klippe" del af jernmalm indeholder ilt, sand og ler i varierende mængder afhængigt af malmtypen. Jernværkernes job, som de tidligste sådanne fabrikker blev kaldt, er at fjerne så meget af klippen og andet grus som muligt, mens man efterlader jern - lidt anderledes i princippet fra afskalning af en jordnød eller skrælning af en appelsin for at komme til den gode del, bortset fra at i tilfælde af jernmalm er jernet ikke kun omgivet af engangsbrug materiale; det blandes lige ind i det.

På trods af de skræmmende temperaturer og overordnede fysiske udfordringer ved jernværker brugte mennesker dem allerede i førkristen tid. Jernbearbejdning nåede først de britiske øer ved hjælp af Europa og det vestlige Asien i det 5. århundrede f.Kr. Dengang blev jern fysisk adskilt fra uønsket materiale i videst muligt omfang ved hjælp af kun trækul, ler og malmen selv, opvarmet til temperaturer, der var beskedne i forhold til hvad der ville følge efter. Under alle omstændigheder var smeltning i gang inden 1500 f.Kr., men næsten 30 århundreder senere, i 1400'erne, blev masovnen opfundet og ændrede "industrien" (som den var) radikalt og for evigt.

I dag fremstilles jern ved opvarmning af hæmatit eller magnetit i en højovn sammen med en form for kulstof kaldet "koks" samt calciumcarbonat (CaCO₃), bedre kendt som kalksten. Dette giver en forbindelse, der indeholder ca. 3 procent kulstof og andre forfalskningsmidler - ikke ideel i kvalitet, men god nok til at fremstille stål. Hvert år produceres der omkring 1,3 milliarder ton (ca. 1,43 milliarder amerikanske tons eller næsten 3 billioner pund) råstål over hele kloden.

Hvor jernet i din rustfrit stål opvaskemaskine eller din brændeovn "kommer fra" er måske et langt mindre interessant spørgsmål end hvordan jern kom til at eksistere overalt i universet i første omgang. Jern betragtes som et tungt element, og elementer af denne type kan kun skabes i katastrofale "stjernedød" -begivenheder kaldet supernovaer. Mens de fleste stjerner sprøjter ud, når de brænder gennem deres brændstoftilførsel af brint, går nogle stjerner bogstaveligt talt ud med et brag.

Disse er statistisk sjældne hændelser, der kun forekommer et par gange hvert hundrede år i hele omfanget af hele Mælkevejsgalaksen kalder den massive langsomt roterende bunke af stjerner og andet stof mennesker kalder hjem. Men de er også meget vigtige. Uden dem ville de kræfter, der var nødvendige for at få betydelige mindre elementer til at smelte sammen ved sammenstød og skabe endnu større elementer såsom jern, kobber, kviksølv, guld, jod og bly, ikke eksistere. Og hele tiden rejser en vis brøkdel af disse elementer lange afstande gennem rummet og bosætter sig på Jorden, undertiden i form af meteoritangreb.

Det antages, at jern repræsenterer det omtrentlige afskæringspunkt med hensyn til elementer, der kan genereres af almindeligt stjerneforbrændingsprocesser (som om disse processer i sig selv virkelig er "almindelige") og dem, der kun kan oprettes af supernovae.

De fleste grundstoffer - ilt, atomnummer 8, gennem men sandsynligvis ikke inklusive jern, atomnummer 26 - fremstilles, når en stjerne begynder at udtømme sin brintforsyning. Årsagen til at en stjerne "brænder" er, at den konstant gennemgår utallige fusionsreaktioner med brint, det letteste element (atomnummer 1) kolliderer med andre hydrogenatomer for at danne helium (atomnummer 2). Til sidst kolliderer heliumatomer i grupper inden for den inderste del af stjernen for at danne kulstof (atomnummer 6).

Du anerkender sandsynligvis jern som essentielt i den menneskelige diæt udelukkende baseret på reklamekrav fra fødevareproducenter ("Dette korn indeholder 100 procent af den amerikanske anbefalede daglige tilførsel af jern!"). Du ved muligvis ikke hvorfor dette er.

Som det viser sig, indeholder den typiske menneskelige krop ca. 4 gram elementært jern. Det lyder måske ikke meget, men hvorfor skulle din krop have brug for noget metal i det overhovedet? Faktisk er jern en væsentlig del af hæmoglobin, det iltbindende protein, der findes i røde blodlegemer (RBC). RBC transporterer ilt fra lungerne til vævene, hvor det bruges til cellulær respiration.

Når folk bliver mangelfuld i jern takket være utilstrækkeligt diætindtag (jern findes i kød, især organkød såvel som visse korn) eller systemiske sygdomstilstande, kan deres RBC ikke gøre deres job ordentligt. I denne tilstand, kaldet anæmi, bliver folk åndenød efter en beskeden mængde anstrengelse og lider ofte af træthed, hovedpine og generel svaghed. I alvorlige tilfælde kan det være nødvendigt med en blodtransfusion for at korrigere anæmien, selvom der typisk foretages korrektion ved hjælp af tilskud med jernholdige piller og væsker.