Kust raud tuleb või kuidas seda valmistatakse?

Raua päritolu üle järele mõeldes rändab teie mõte tõenäoliselt keskaegsete terasetehaste visioonidesse sepised või mõni muu tootmisprotsess, mida iseloomustab raske, praktiline töö ja väga kõrge temperatuurid. Kuid lisaks metallitüübile, mida inimtööstuses kasutatakse mitmel viisil, on raud ka elemendina, mitte ühend või sulam, mis tähendab, et on võimalik eraldada üks raua aatom. See ei kehti enamiku tuttavate materjalide kohta; näiteks väikseim veekogus, mida veel veeks nimetada saab, sisaldab kolme aatomit, millest üks on hapnik ja teine ​​kaks vesinikku.

Huvitav on see, et kuigi inimesed seostavad siinses tootmisviisis rauda ebatavaliselt kõrge temperatuuriga Maa, raud kui element, võlgneb oma olemasolu sündmustele, mis on nii kuumad ja nii kauged, et asjaomased arvud vaevalt seda teevad meel. Seega nõuab raua valmistamise uuringu läbiviimine kahte paralleelset protsessi: raua tekkimise uurimine ja kuidas see jõudis Maale ning kuidas inimesed maa peal valmistavad ja kasutavad rauda nii igapäevaseks kui ka spetsialiseerumiseks tegevused. Need teemad kutsuvad omakorda arutama raua kasutamist elussüsteemides ja nende poolt ning üldist ülevaadet sellest, kuidas erinevad elemendid nii tekivad kui levivad kogu kosmoses.

Raud on inimkonnale teada olnud umbes 3500 eKr ehk üle 5500 aasta tagasi. Selle nimi tuleneb anglosaksi versioonist, mis oli "iren". Perioodilise laua rauasümbol Fe pärineb ladinakeelsest sõnast raud, mis on ferrum. Kui tutvute apteegiga ja näete juhtumisi rauapreparaate, märkate, et enamik nende nimesid on midagi muud või muud (näiteks sulfaat või glükonaat). Alati, kui näete keemiakontekstis sõna "raud" või "raud", peaksite kohe aru saama, et rauast räägitakse; "iroonilisel", ehkki suurepärasel ja kasulikul sõnal, pole füüsikateaduste maailmas mingit rolli.

Raud (lühendatult Fe) on liigitatud metalliks mitte ainult igapäevastel eesmärkidel, vaid ka elementide perioodilisustabelis (interaktiivse näite leiate jaotisest Ressursid). See tuleb ilmselt väikese üllatusena, kuid tegelikult ületab metallid looduses mittemetalle laia ülekaaluga; inimese poolt laboris avastatud või loodud 113 elemendist on 88 liigitatud metallideks.

Nagu te juba teate, koosnevad aatomid tuumast, mis sisaldab ligikaudu võrdse massiga prootonite ja neutronite segu ja mida ümbritseb peaaegu massitute elektronide "pilv". Prootonitel ja elektronidel on võrdse suurusega laeng, kuid prootonite laeng on positiivne, samas kui elektronide negatiivne. Raua aatomnumber on 26, mis tähendab, et raua elektriliselt neutraalses olekus on 26 prootonit ja 26 elektroni. Selle aatomimass, mis ümardatuna on lihtsalt summa või prootonid ja neutronid, on vaid häbelik 56 grammist mooli kohta, mis tähendab, et selle keemiliselt kõige stabiilsem vorm sisaldab (56 - 26) = 30 neutronit.

Raud omab mõningaid tohutuid füüsikalisi omadusi. Selle tihedus on 7,87 g / cm³, muutes selle peaaegu kaheksa korda tihedamaks kui vesi. (Tihedus on mass mahuühiku kohta; vee määratletakse kui 1,0 g / cm3³ Raud on tahke aine temperatuuril 20 kraadi (68 F), mida peetakse keemias tavaliselt "toatemperatuuriks". Selle sulamistemperatuur on äärmiselt kõrge 1538 C (2800 F), samal ajal kui selle keemistemperatuur - see tähendab temperatuur, mille juures vedel raud hakkab aurustuma ja gaasiks muutuma - kõrvetav 2861 C (5182 F). Pole siis ime, et metallitöötlemisel peavad kasutatavad ahjud olema erakordselt võimsad.

Raud on massina maapõues arvult neljas element. Raua kogu osakaal Maast võib olla siiski tunduvalt suurem, arvestades, et planeedi sula südamik koosneb peamiselt veeldatud rauast, niklist ja väävlist. Kui kaevandamisel eraldatakse maapinnast rauda, ​​on see maagi kujul, mis on ühe või mitme kivimiliigiga segatud elementaarraud. Kõige tavalisem rauamaagi tüüp on hematiit, kuid magnetiit ja takoniit on ka selle metalli olulised allikad.

Raud roostetab ehk korrodeerub teiste metallidega võrreldes väga lihtsalt. See tekitab inseneridele probleeme, sest praegu sisaldab üheksa kümnendikku rafineeritavast metallist rauda.

Enamik inimtarbeks kaevandatud rauda kerib üles terasena. "Teras" on sulam, mis tähendab metallide segu. Selle toote tänapäeval populaarset vormi nimetatakse süsinikteraseks, mis on mõnevõrra eksitav, kuna süsinik moodustab selle terase massist kõigis vormides ainult väikese osa. Süsinikterase kõrgeima süsinikusisaldusega kujul moodustab süsinik umbes 2 protsenti metalli massist; see näitaja võib ulatuda 1/10-ni 1 protsendini, ilma et metall kaotaks "süsinikterase" tiitlit.

Süsinikterasest saab omakorda strateegiliselt võltsida teisi metalle, et saada teatud soovitavate omadustega sulameid. Näiteks roostevaba teras on süsinikterase vorm, milles on märkimisväärne kogus kroomi - üle 10 massiprotsendi. See materjal on tuntud oma vastupidavuse ja kalduvuse tõttu säilitada oma läikiv, läikiv välimus pikka aega, kuna see on vastupidav korrosioonile. Roostevabast terasest on arhitektuuris, kuullaagrites, kirurgilistes instrumentides ja lauanõudes silmatorkavalt palju. On tõenäoline, et kui näete oma peegeldust puhtalt metallpinnal, siis vaatate mingit roostevaba terast.

Kui terasesse integreeritakse mõistlikus koguses metalle nagu nikkel, vanaadium, volfram ja mangaan, muudab see niigi kõva aine veelgi raskemaks; need legeerterased sobivad seetõttu hästi sildadesse, lõikeriistadesse ja elektrivõrgu komponentidesse lisamiseks.

Mittterasest tüüpi malm, mida nimetatakse malmiks, sisaldab palju süsinikku (vähemalt raua metallitöötlemise standardite järgi): 3–5 protsenti. Malm ei ole nii sitke kui teras, kuid see on oluliselt odavam, nii et liikudes terasest valatud raud, teete sama üldise kompromissi, mida teete, kui lähete pearibilt 70-protsendiliseks hamburger.

Maal olevat rauda valmistatakse või õigemini ekstraheeritakse rauamaagist. Rauamaagi "kivimi" osa sisaldab hapnikku, liiva ja savi erinevates kogustes, sõltuvalt maagi tüübist. Raudteede ülesanne, nagu varem selliseid tehaseid kutsuti, on eemaldada võimalikult palju kivimit ja muud ruppi, jättes samal ajal rauda maha - vähe erinev põhimõtteliselt maapähkli koorimisest või apelsini koorimisest, et jõuda selleni, et rauamaagi puhul ei ole rauda ümbritsetud ainult ühekordselt kasutatavate materjal; see on segatud otse sellega.

Vaatamata rauatööde hirmutavale temperatuurile ja üldistele füüsilistele väljakutsetele kasutasid inimesed neid juba kristluseelsel ajal. Rauatööstus jõudis Briti saartele mandri-Euroopa ja Lääne-Aasia kaudu 5. sajandil e.m.a. Siis oli raud füüsiliselt eraldatud soovimatut materjali võimalikult suures ulatuses, kasutades ainult puusütt, savi ja maaki, mida kuumutatakse temperatuurile, mis on tagasihoidlik järgi. Igal juhul oli sulatamine käimas 1500. aastal eKr, kuid ligi 30 sajandit hiljem, 1400. aastatel, leiutati kõrgahi, muutes radikaalselt ja igaveseks "tööstust" (nagu see oli).

Tänapäeval valmistatakse rauda kõrgahjus hematiidi või magnetiidi kuumutamisel koos süsiniku vormiga, mida nimetatakse "koksiks", ja kaltsiumkarbonaadiks (CaCO₃), paremini tuntud kui lubjakivi. Nii saadakse ühend, mis sisaldab umbes 3 protsenti süsinikku ja muid võltsaineid - mitte ideaalse kvaliteediga, kuid piisavalt hea terase valmistamiseks. Igal aastal toodetakse kogu maailmas umbes 1,3 miljardit tonni (umbes 1,43 miljardit USA tonni ehk ligi 3 triljonit naela) toorterast.

Kust teie roostevabast terasest nõudepesumasinas olev raud või puupliit "pärineb", on ehk palju vähem huvitav küsimus kui see, kuidas raud üldse universumis kusagil eksisteeris. Rauda peetakse raskeks elemendiks ja seda tüüpi elemente saab luua ainult katastroofilistes "tähesurma" sündmustes, mida nimetatakse supernoovadeks. Kui enamik tähti kihiseb vesiniku kütusevaru kaudu, siis mõned tähed sõna otseses mõttes pauguga.

Need on statistiliselt haruldased sündmused, mis esinevad kogu ulatuses vaid paar korda saja aasta jooksul kogu Linnutee galaktikast kutsuvad massiliselt aeglaselt pöörlevad tähtede ja muude ainete hunnikud Kodu. Kuid need on ka eluliselt olulised. Ilma nendeta ei eksisteeri jõude, mis on vajalikud selleks, et suured väiksemad elemendid kokkupõrkel kokku sulaksid ja tekitaksid veelgi suuremaid elemente, nagu raud, vask, elavhõbe, kuld, jood ja plii. Ja kogu aeg läbib teatud osa neist elementidest pikki vahemaid läbi kosmose ja asetub Maale, mõnikord meteoriidilöökidena.

Arvatakse, et raud esindab ligikaudset piirväärtust elementide osas, mida tavaline võib tekitada tähepõletusprotsessid (justkui oleksid need protsessid ise mingil viisil tõeliselt "tavalised") ja need, mida saab luua ainult supernoovade poolt.

Enamik elemente - hapnik, aatomnumber 8, läbi, kuid tõenäoliselt mitte raud, aatomnumber 26 - tehakse siis, kui täht hakkab oma vesinikuvaru ammendama. Täht "põleb" seetõttu, et ta läbib pidevalt lugematuid vesinikuga liitumisreaktsioone, kergeim element (aatomnumber 1) põrkub teiste vesinikuaatomitega, moodustades heeliumi (aatomnumber 2). Lõpuks põrkuvad tähe sisimas osas heeliumi aatomid rühmadesse, moodustades süsiniku (aatomnumber 6).

Tõenäoliselt tunnete rauda inimese toidusedelis hädavajalikuna, tuginedes ainult reklaamide väidetele toidutootjad ("See teravili sisaldab 100 protsenti USA soovitatavast päevakogusest rauda! "). Te ei pruugi siiski teada, miks see nii on.

Nagu selgub, sisaldab tüüpiline inimkeha umbes 4 grammi elementaarset rauda. See ei pruugi kõlada kuigi palju, kuid miks peaks teie keha üldse metalli vajama? Tegelikult on raud hemoglobiini, punastes verelibledes (RBC) leiduva hapnikku siduva valgu, oluline osa. RBC-d transpordivad hapnikku kopsudest kudedesse, kus seda kasutatakse rakuhingamisel.

Kui inimestel tekib ebapiisava toidukoguse tõttu rauapuudus (rauda leidub lihas, eriti elundite liha, samuti teatud terad) või süsteemsed haigusseisundid, ei saa nende punaverekarbid oma ülesandeid täita korralikult tööle. Selles seisundis, mida nimetatakse aneemiaks, on inimestel pärast tagasihoidlikku koormust õhupuudus, sageli kannatavad nad väsimuse, peavalude ja üldise nõrkuse käes. Rasketel juhtudel võib aneemia korrigeerimiseks olla vajalik vereülekanne, kuigi tavaliselt tehakse parandus raua sisaldavate pillide ja vedelikega.