Από πού προέρχεται ο σίδηρος ή πώς κατασκευάζεται;

Όταν σκέφτεστε την προέλευση του σιδήρου, το μυαλό σας πιθανότατα περιπλανιέται σε οράματα των χαλυβουργείων, στη μεσαιωνική εποχή σφυρηλάτηση ή κάποια άλλη διαδικασία κατασκευής που χαρακτηρίζεται από σκληρή, πρακτική εργασία και πολύ υψηλή θερμοκρασίες. Αλλά εκτός από το ότι είναι ένας τύπος μετάλλου που χρησιμοποιείται με διάφορους τρόπους στην ανθρώπινη βιομηχανία, ο σίδηρος είναι επίσης ένα στοιχείο, όχι μια ένωση ή κράμα, που σημαίνει ότι είναι δυνατόν να απομονωθεί ένα άτομο σιδήρου. Αυτό δεν ισχύει για τα πιο γνωστά υλικά. Για παράδειγμα, η μικρότερη ποσότητα νερού από ό, τι μπορεί ακόμα να ονομάζεται νερό περιλαμβάνει τρία άτομα, ένα από αυτά οξυγόνο και τα άλλα δύο υδρογόνο.

Είναι ενδιαφέρον, αν και οι άνθρωποι συνδέουν το σίδηρο με ασυνήθιστα υψηλές θερμοκρασίες στις ρυθμίσεις κατασκευής εδώ Η Γη, ο σίδηρος ως στοιχείο οφείλει την ύπαρξή του σε γεγονότα τόσο ζεστά και τόσο μακριά που σχεδόν δεν κάνουν οι αριθμοί που εμπλέκονται έννοια. Συνεπώς, η διεξαγωγή μελέτης για το πώς παράγεται ο σίδηρος απαιτεί δύο παράλληλες διαδικασίες: Εξερεύνηση του πώς έγινε ο σίδηρος και πώς έφτασε στη Γη, και πώς οι άνθρωποι στη Γη κατασκευάζουν και χρησιμοποιούν σίδηρο για καθημερινή αλλά και εξειδικευμένη δραστηριότητες. Αυτά τα θέματα με τη σειρά τους προσκαλούν συζήτηση σχετικά με τη χρήση του σιδήρου μέσα και από τα ζωντανά συστήματα και μια γενική ματιά στο πώς τα διάφορα στοιχεία προέρχονται και εξαπλώνονται σε όλο τον κόσμο.

Ο σίδηρος είναι γνωστός στην ανθρωπότητα από περίπου το 3500 π.Χ., ή πάνω από 5.500 χρόνια πριν. Το όνομά του προέρχεται από την αγγλοσαξονική έκδοση, η οποία ήταν "iren". Το περιοδικό επιτραπέζιο σίδερο σύμβολο Fe προέρχεται από τη λατινική λέξη για το σίδηρο, που είναι σιδήρου. Εάν μελετάτε ένα φαρμακείο και τυχαίνει να βλέπετε συμπληρώματα σιδήρου, θα παρατηρήσετε ότι τα περισσότερα από τα ονόματά τους είναι «σιδηρούχα» κάτι-ή-άλλο (όπως θειικό ή γλυκονικό). Κάθε φορά που βλέπετε τη λέξη «σιδηρούχος» ή «σιδηρούχος» σε ένα πλαίσιο χημείας, θα πρέπει να αναγνωρίσετε αμέσως ότι συζητείται ο σίδηρος. "ειρωνικό", αν και μια υπέροχη και χρήσιμη λέξη, δεν έχει κανένα ρόλο στον κόσμο της φυσικής επιστήμης.

Ο σίδηρος (συντετμημένο Fe) ταξινομείται ως μέταλλο όχι μόνο για καθημερινούς σκοπούς αλλά και στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων (βλ. Πόροι για διαδραστικό παράδειγμα). Αυτό πιθανώς έρχεται ως μια μικρή έκπληξη, αλλά στην πραγματικότητα, τα μέταλλα ξεπερνούν τα μη μέταλλα στη φύση με μεγάλο περιθώριο. από τα 113 στοιχεία που έχουν ανακαλύψει ή δημιουργήσει οι άνθρωποι σε εργαστηριακές ρυθμίσεις, τα 88 ταξινομούνται ως μέταλλα.

Τα άτομα, όπως ίσως γνωρίζετε ήδη, αποτελούνται από έναν πυρήνα που περιέχει ένα μείγμα πρωτονίων και νετρονίων περίπου ίσης μάζας που περιβάλλεται από ένα "σύννεφο" σχεδόν άμαζων ηλεκτρονίων. Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια φέρουν ένα φορτίο ίσου μεγέθους, αλλά το φορτίο των πρωτονίων είναι θετικό ενώ αυτό των ηλεκτρονίων είναι αρνητικό. Ο ατομικός αριθμός του σιδήρου είναι 26, που σημαίνει ότι ο σίδηρος έχει 26 πρωτόνια και 26 ηλεκτρόνια σε ηλεκτρικά ουδέτερη κατάσταση. Η ατομική του μάζα, η οποία όταν στρογγυλοποιείται είναι απλώς το άθροισμα ή τα πρωτόνια και τα νετρόνια, είναι απλά ντροπαλό των 56 γραμμαρίων ανά γραμμομόριο, πράγμα που σημαίνει ότι η πιο χημικώς σταθερή μορφή του περιέχει (56 - 26) = 30 νετρόνια.

Ο σίδηρος έχει κάποιες τρομερές φυσικές ιδιότητες. Έχει πυκνότητα 7,87 g / cm³, κάνοντάς το σχεδόν οκτώ φορές πιο πυκνό από το νερό. (Η πυκνότητα είναι μάζα ανά μονάδα όγκου. το νερό ορίζεται ως 1,0 g / cm³ κατά συνθήκη.) Ο σίδηρος είναι ένα στερεό στους 20 βαθμούς Κελσίου (68 F), που γενικά θεωρείται "θερμοκρασία δωματίου" για χημικούς σκοπούς. Το σημείο τήξης του είναι εξαιρετικά υψηλό στους 1538 C (2800 F), ενώ το σημείο βρασμού του - δηλαδή, η θερμοκρασία στην οποία ο υγρός σίδηρος αρχίζει να εξατμίζεται και γίνεται αέριο - είναι ένας καυτός 2861 C (5182 F). Δεν είναι λοιπόν περίεργο το ότι στη μεταλλουργία, τα είδη των κλιβάνων που χρησιμοποιούνται πρέπει πράγματι να είναι εξαιρετικά ισχυρά.

Ο σίδηρος, κατά μάζα, είναι το τέταρτο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της Γης. Το συνολικό μερίδιο του σιδήρου στη Γη μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερο, ωστόσο, δεδομένου ότι ο λιωμένος πυρήνας του πλανήτη πιστεύεται ότι αποτελείται κυρίως από υγροποιημένο σίδηρο, νικέλιο και θείο. Όταν ο σίδηρος εξάγεται από το έδαφος σε εργασίες εξόρυξης, έχει τη μορφή μεταλλεύματος, που είναι στοιχειακός σίδηρος αναμεμιγμένος με έναν ή περισσότερους τύπους βράχων. Ο πιο κοινός τύπος σιδηρομεταλλεύματος είναι ο αιματίτης, αλλά ο μαγνητίτης και ο τακονίτης είναι επίσης σημαντικές πηγές αυτού του μετάλλου.

Σιδερώματα σιδήρου ή διαβρώνονται πολύ εύκολα σε σύγκριση με άλλα μέταλλα. Αυτό δημιουργεί προβλήματα για τους μηχανικούς, διότι προς το παρόν, τα εννέα δέκατα του μετάλλου που είναι εξευγενισμένα περιλαμβάνουν σίδηρο.

Το μεγαλύτερο μέρος του σιδήρου που εξορύσσεται για ανθρώπινη χρήση καταλήγει σε μορφή χάλυβα. Το "χάλυβα" είναι ένα κράμα, που σημαίνει μείγμα μετάλλων. Μια δημοφιλής μορφή αυτού του προϊόντος σήμερα ονομάζεται ανθρακούχος χάλυβας, ο οποίος είναι κάπως παραπλανητικός επειδή ο άνθρακας συνεισφέρει μόνο ένα μικρό κλάσμα της μάζας αυτού του χάλυβα σε όλες τις μορφές του. Στην υψηλότερη μορφή άνθρακα από χάλυβα άνθρακα, ο άνθρακας αντιπροσωπεύει περίπου το 2% της μάζας του μετάλλου. Αυτό το ποσοστό μπορεί να κυμαίνεται έως το 1/10 του 1 τοις εκατό χωρίς το μέταλλο να χάσει τον τίτλο "ανθρακούχος χάλυβας".

Ο χάλυβας άνθρακα μπορεί με τη σειρά του να αλλοιωθεί στρατηγικά με άλλα μέταλλα για να δώσει κράματα με ορισμένες επιθυμητές ιδιότητες. Ο ανοξείδωτος χάλυβας, για παράδειγμα, είναι μια μορφή χάλυβα άνθρακα που έχει σημαντική ποσότητα χρωμίου - πάνω από 10 τοις εκατό κατά μάζα. Αυτό το υλικό είναι γνωστό για την ανθεκτικότητα και την τάση του να διατηρεί τη λαμπερή, λαμπερή του εμφάνιση για μεγάλα χρονικά διαστήματα λόγω της υψηλής αντοχής του στη διάβρωση. Το ανοξείδωτο ατσάλι διαθέτει εξέχουσα θέση στην αρχιτεκτονική, τα ρουλεμάν, τα χειρουργικά εργαλεία και τα επιτραπέζια σκεύη. Οι πιθανότητες είναι καλές ότι αν μπορείτε να δείτε την αντανάκλαση σας καθαρά σε μια καθαρά μεταλλική επιφάνεια, κοιτάζετε ένα είδος ανοξείδωτου χάλυβα.

Όταν συνετές ποσότητες μετάλλων όπως νικέλιο, βανάδιο, βολφράμιο και μαγγάνιο ενσωματώνονται στο χάλυβα, καθιστά μια ήδη σκληρή ουσία ακόμη πιο δύσκολη. Αυτοί οι χάλυβες από κράμα είναι επομένως κατάλληλοι για συμπερίληψη σε γέφυρες, όργανα κοπής και εξαρτήματα ηλεκτρικού πλέγματος.

Ένας μη χάλυβας τύπος σιδήρου που ονομάζεται χυτοσίδηρος περιλαμβάνει πολύ άνθρακα (τουλάχιστον από τα πρότυπα της κατεργασίας μετάλλων σιδήρου): 3 έως 5 τοις εκατό. Ο χυτοσίδηρος δεν είναι τόσο σκληρός όσο ο χάλυβας, αλλά είναι πολύ φθηνότερος, επομένως κατά τη μετάβαση από χάλυβα σε χύτευση σίδερο, κάνετε το ίδιο γενικό συμβιβασμό που κάνετε όταν πηγαίνετε από το prime rib στο 70% χάμπουργκερ.

Ο σίδηρος στη Γη κατασκευάζεται, ή εξορύσσεται καταλλήλως, από σιδηρομετάλλευμα. Το "βράχο" τμήμα του σιδηρομεταλλεύματος περιέχει οξυγόνο, άμμο και άργιλο σε διάφορες ποσότητες ανάλογα με τον τύπο του μεταλλεύματος. Η δουλειά ενός σιδήρου λειτουργεί, όπως ονομάστηκαν τα πρώτα τέτοια εργοστάσια, είναι η αφαίρεση όσο το δυνατόν περισσότερου βράχου και άλλου χαλιού αφήνοντας πίσω το σίδερο - λίγο διαφορετικό κατ 'αρχήν από το ξεφλούδισμα ενός φυστικιού ή το ξεφλούδισμα ενός πορτοκαλιού για να φτάσει στο καλό μέρος, εκτός από το ότι στην περίπτωση του σιδηρομεταλλεύματος, το σίδερο δεν περιβάλλεται απλώς από μίας χρήσης υλικό; είναι αναμεμειγμένο με αυτό.

Παρά τις τρομακτικές θερμοκρασίες και τις συνολικές φυσικές προκλήσεις των σιδήρου, οι άνθρωποι τις χρησιμοποιούσαν ήδη στην προχριστιανική εποχή. Ο σιδερένιος εργάτης έφτασε αρχικά στα Βρετανικά Νησιά μέσω της ηπειρωτικής Ευρώπης και της Δυτικής Ασίας τον 5ο αιώνα π.Χ. Τότε, ο σίδηρος χωρίστηκε φυσικά από το ανεπιθύμητο υλικό στο μέγιστο δυνατό βαθμό χρησιμοποιώντας μόνο κάρβουνο, πηλό και το ίδιο το μετάλλευμα, θερμαινόμενο σε θερμοκρασίες που ήταν μέτριες σε σύγκριση με ό, τι θα ακολουθηστε. Σε κάθε περίπτωση, η τήξη ήταν σε εξέλιξη το 1500 π.Χ., αλλά σχεδόν 30 αιώνες αργότερα, το 1400, ο υψικάμινος εφευρέθηκε, αλλάζοντας τη «βιομηχανία» (όπως ήταν) ριζικά και για πάντα.

Σήμερα, ο σίδηρος παράγεται με θέρμανση αιματίτη ή μαγνητίτη σε υψικαμίνους μαζί με μια μορφή άνθρακα που ονομάζεται "κοκ" καθώς και ανθρακικό ασβέστιο (CaCO₃), πιο γνωστό ως ασβεστόλιθος. Αυτό παράγει μια ένωση που περιέχει περίπου 3 τοις εκατό άνθρακα και άλλους μοιχείες - δεν είναι ιδανική σε ποιότητα, αλλά αρκετά καλή για να κατασκευάσει χάλυβα. Κάθε χρόνο, παράγονται περίπου 1,3 δισεκατομμύρια μετρικοί τόνοι (περίπου 1,43 δισεκατομμύρια τόνοι ΗΠΑ ή περίπου 3 τρισεκατομμύρια λίρες) αργού χάλυβα σε όλο τον κόσμο.

Όπου το σίδερο στο πλυντήριο πιάτων από ανοξείδωτο χάλυβα ή η ξυλόσομπα σας "προέρχεται" είναι ίσως μια πολύ λιγότερο ενδιαφέρουσα ερώτηση από το πώς ο σίδηρος υπήρχε οπουδήποτε στο σύμπαν. Ο σίδηρος θεωρείται βαρύ στοιχείο και στοιχεία αυτού του τύπου μπορούν να δημιουργηθούν μόνο σε καταστροφικά γεγονότα «αστέρι θανάτου» που ονομάζονται σουπερνόβα. Ενώ τα περισσότερα αστέρια ξεφλουδίζουν καθώς καίνε μέσω της παροχής καυσίμου υδρογόνου, μερικά αστέρια κυριολεκτικά βγαίνουν με ένα χτύπημα.

Αυτά είναι στατιστικά σπάνια γεγονότα, που συμβαίνουν μόνο μερικές φορές κάθε εκατό χρόνια σε όλη την έκταση ολόκληρου του γαλαξία του Γαλαξία, ο τεράστιος αργά περιστρεφόμενος σωρός των αστεριών και άλλης ύλης που καλούν οι άνθρωποι Σπίτι. Αλλά είναι επίσης ζωτικής σημασίας. Χωρίς αυτές, οι δυνάμεις που είναι απαραίτητες για να προκαλέσουν την ανάμιξη μεγάλων μικρότερων στοιχείων στην πρόσκρουση και να δημιουργήσουν ακόμη μεγαλύτερα στοιχεία όπως σίδηρος, χαλκός, υδράργυρος, χρυσός, ιώδιο και μόλυβδο δεν θα υπήρχαν. Και όλη την ώρα, ένα συγκεκριμένο μέρος αυτών των στοιχείων ταξιδεύει σε μεγάλες αποστάσεις μέσω του διαστήματος και εγκαθίσταται στη Γη, μερικές φορές με τη μορφή απεργιών μετεωριτών.

Ο σίδηρος πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύει το κατά προσέγγιση σημείο αποκοπής σε όρους στοιχείων που μπορούν να δημιουργηθούν από το συνηθισμένο διεργασίες καύσης αστεριών (σαν αυτές οι διαδικασίες να είναι πραγματικά «συνηθισμένες» με οποιονδήποτε τρόπο) και αυτές που μπορούν να δημιουργηθούν μόνο από σουπερνόβα.

Τα περισσότερα στοιχεία - οξυγόνο, ατομικός αριθμός 8, μέσω, αλλά πιθανώς δεν περιλαμβάνουν σίδηρο, ατομικός αριθμός 26 - παράγονται όταν ένα αστέρι αρχίσει να εξαντλεί την παροχή υδρογόνου. Ο λόγος που ένα αστέρι «καίει» είναι ότι υφίσταται συνεχώς αμέτρητες αντιδράσεις σύντηξης, με υδρογόνο, το ελαφρύτερο στοιχείο (ατομικός αριθμός 1) που συγκρούεται με άλλα άτομα υδρογόνου για να σχηματίσει ήλιο (ατομικός αριθμός 2). Τελικά, στο εσωτερικό μέρος του αστεριού, τα άτομα ηλίου συγκρούονται σε ομάδες για να σχηματίσουν άνθρακα (ατομικός αριθμός 6).

Πιθανότατα αναγνωρίζετε ότι ο σίδηρος είναι απαραίτητος στην ανθρώπινη διατροφή που βασίζεται αποκλειστικά σε διαφημιστικούς ισχυρισμούς από κατασκευαστές τροφίμων ("Αυτό το δημητριακό περιέχει το 100% της συνιστώμενης ημερήσιας αποζημίωσης των ΗΠΑ σίδερο!"). Ωστόσο, ίσως να μην γνωρίζετε γιατί συμβαίνει αυτό.

Όπως αποδεικνύεται, το τυπικό ανθρώπινο σώμα περιέχει περίπου 4 γραμμάρια στοιχειακού σιδήρου. Αυτό μπορεί να μην ακούγεται πολύ, αλλά γιατί το σώμα σας θα χρειαστεί καθόλου μέταλλο σε αυτό; Στην πραγματικότητα, ο σίδηρος είναι ένα ουσιαστικό μέρος της αιμοσφαιρίνης, της πρωτεΐνης που δεσμεύει το οξυγόνο που βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια (RBC). Τα RBC μεταφέρουν οξυγόνο από τους πνεύμονες στους ιστούς, όπου το χρησιμοποιούσαμε στην κυτταρική αναπνοή.

Όταν οι άνθρωποι έχουν έλλειψη σιδήρου χάρη στην ανεπαρκή διατροφική πρόσληψη (ο σίδηρος βρίσκεται στα κρέατα, ιδιαίτερα τα κρέατα οργάνων, καθώς και ορισμένα δημητριακά) ή καταστάσεις συστημικής νόσου, τα RBC τους δεν μπορούν να το κάνουν δουλειά σωστά. Σε αυτήν την κατάσταση, που ονομάζεται αναιμία, οι άνθρωποι παίρνουν δύσπνοια μετά από μια μικρή άσκηση και συχνά υποφέρουν από κόπωση, πονοκεφάλους και γενική αδυναμία. Σε σοβαρές περιπτώσεις, μπορεί να απαιτείται μετάγγιση αίματος για τη διόρθωση της αναιμίας, αν και συνήθως η διόρθωση γίνεται με συμπλήρωση με χάπια και υγρά που περιέχουν σίδηρο.