Odakle dolazi željezo ili kako se proizvodi?

Kad razmišljate o podrijetlu željeza, vaš um vjerojatno zaluta u vizije čeličana, srednjovjekovno doba kovačnice ili neki drugi proizvodni proces koji karakterizira naporan, praktičan rad i vrlo visok temperaturama. No, osim što je vrsta metala koja se na razne načine koristi u ljudskoj industriji, željezo je i element, a ne spoj ili legura, što znači da je moguće izolirati jedan atom željeza. To ne vrijedi za većinu poznatih materijala; na primjer, najmanja količina vode koju još uvijek možemo nazvati vodom uključuje tri atoma, jedan od njih kisik, a druga dva vodik.

Zanimljivo je da iako ljudi ovdje željezo u proizvodnim postavkama povezuju željezo s neobično visokim temperaturama Zemlja, željezo kao element duguje svoje postojanje toliko vrućim i toliko udaljenim događajima da brojevi koji su uključeni u to teško mogu doći osjećaj. Dakle, poduzimanje studije o tome kako se proizvodi željezo zahtijeva dva paralelna procesa: Istraživanje kako je željezo nastalo i kako je stigao do Zemlje i kako ljudi na Zemlji proizvode i koriste željezo svakodnevno, kao i specijalizirano aktivnosti. Te teme zauzvrat pozivaju na raspravu o upotrebi željeza u i u živim sustavima i općeniti pogled na to kako različiti elementi potječu i šire se u kozmosu.

Željezo je čovječanstvu poznato otprilike od 3500. pne., Ili prije više od 5.500 godina. Ime mu je izvedeno iz anglosaksonske verzije, koja je bila "iren". Simbol periodnog sustava željeza Fe dolazi od latinske riječi za željezo, a to je ferrum. Ako pregledavate ljekarnu i slučajno vidite dodatke željeza, primijetit ćete da je većina njihovih imena "željezo" ili nešto drugo (poput sulfata ili glukonata). Kad god vidite riječ "željezo" ili "željezo" u kemijskom kontekstu, odmah biste trebali prepoznati da se raspravlja o željezu; "ironično", iako sjajna i korisna riječ, nema ulogu u svijetu fizičke znanosti.

Željezo (skraćeno Fe) klasificirano je kao metal ne samo za svakodnevne potrebe već i na periodnom sustavu elemenata (interaktivni primjer pogledajte Resursi). To vjerojatno predstavlja malo iznenađenje, ali zapravo metali u velikoj mjeri premašuju nemetale u prirodi; od 113 elemenata koje su ljudi otkrili ili stvorili u laboratorijskim uvjetima, 88 se klasificira kao metali.

Atomi se, kao što već znate, sastoje od jezgre koja sadrži smjesu protona i neutrona približno jednake mase okružene "oblakom" gotovo bezmasnih elektrona. Protoni i elektroni nose naboj jednake veličine, ali naboj protona je pozitivan, dok je naboj elektrona negativan. Atomski broj željeza je 26, što znači da željezo ima 26 protona i 26 elektrona u električno neutralnom stanju. Njegova atomska masa, koja je kad se zaokruži jednostavno zbroj ili protoni i neutroni, stidljiva je od 56 grama po molu, što znači da njezin kemijski najstabilniji oblik sadrži (56 - 26) = 30 neutrona.

Željezo posjeduje neka zastrašujuća fizička svojstva. Gustoće je 7,87 g / cm³, čineći ga gotovo osam puta gustim od vode. (Gustoća je masa po jedinici volumena; voda definirana je kao 1,0 g / cm³ prema dogovoru.) Željezo je krutina na 20 Celzijevih stupnjeva (68 F), koja se u kemijske svrhe obično smatra "sobnom temperaturom". Točka topljenja mu je izuzetno visoka 1538 C (2800 F), dok je točka ključanja - odnosno temperatura na kojoj tekuće željezo počinje isparavati i postaje plin - užarenih 2861 C (5182 F). Stoga nije ni čudo što vrste peći moraju zaista biti izuzetno moćne u obradi metala.

Željezo je po masi četvrti po zastupljenosti element u Zemljinoj kori. Ukupni udio željeza u Zemlji može biti znatno veći, s obzirom da se vjeruje da se rastaljena jezgra planeta sastoji uglavnom od ukapljenog željeza, nikla i sumpora. Kada se željezo iz zemlje vadi u rudarskim radnjama, ono je u obliku rude, koja je elementarno željezo pomiješano s jednom ili više vrsta stijena. Najčešća vrsta željezne rude je hematit, ali magnetit i takonit također su značajni izvori ovog metala.

Željezna hrđa ili korozija vrlo se lako uspoređuje s drugim metalima. To stvara probleme inženjerima jer trenutno devet desetina metala koji se pročišćava uključuje željezo.

Većina željeza iskopanog za ljudsku upotrebu mota se u obliku čelika. "Čelik" je legura, što znači mješavina metala. Danas se popularni oblik ovog proizvoda naziva ugljični čelik, što pomalo zavarava jer ugljik u svim oblicima pridonosi samo malom djeliću mase ovog čelika. U obliku ugljičnog čelika s najviše ugljika, ugljik čini oko 2 posto mase metala; ta se brojka može kretati do 1/10 od 1 posto, a da metal ne izgubi naslov "ugljični čelik".

Ugljični čelik zauzvrat se može strateški miješati s drugim metalima dajući legure s određenim poželjnim svojstvima. Na primjer, nehrđajući čelik je oblik ugljičnog čelika koji ima značajnu količinu kroma - preko 10 masnih postotaka. Ovaj je materijal poznat po svojoj postojanosti i tendenciji da dugo zadržava svoj sjajni, sjajni izgled zahvaljujući visokoj otpornosti na koroziju. Nehrđajući čelik je istaknut u arhitekturi, kugličnim ležajevima, kirurškim instrumentima i posuđem. Dobre su šanse da ako svoj odraz jasno vidite na čisto metalnoj površini, gledate neku vrstu nehrđajućeg čelika.

Kad se razumne količine metala poput nikla, vanadija, volframa i mangana integriraju u čelik, to ionako tvrdu supstancu čini još težom; ti su legirani čelici stoga vrlo pogodni za uključivanje u mostove, rezne instrumente i dijelove električne mreže.

Nečelična vrsta željeza koja se naziva lijevano željezo uključuje veliku količinu ugljika (barem prema standardima obrade željeza, od 3 do 5 posto). Lijevano željezo nije čvrsto kao čelik, ali je znatno jeftinije, pa tako i kod prelaska sa čelika na lijevanje željezo, pravite isti opći kompromis kao i kad idete od prvoklasnog rebra do 70 posto mršavih hamburger.

Željezo na Zemlji izrađuje se ili se ispravnije vadi iz željezne rude. Dio stijene željezne rude sadrži kisik, pijesak i gline u različitim količinama, ovisno o vrsti rude. Posao željezare, kako su nazivane najranije takve tvornice, jest uklanjanje što većeg dijela stijene i ostataka zrna ostajući željezo iza sebe - malo drugačije u principu od ljuštenja kikirikija ili ljuštenja naranče da bi se došlo do dobrog dijela, osim što u slučaju željezne rude željezo nije samo okruženo jednokratnom upotrebom materijal; miješa se upravo s tim.

Unatoč zastrašujućim temperaturama i sveukupnim fizičkim izazovima željezara, ljudi su ih već koristili u pretkršćansko doba. Obrada željeza prvi je put do Britanskih otoka stigla kontinentalnom Europom i zapadnom Azijom u 5. stoljeću pr. Tada je željezo bilo fizički odvojeno od neželjeni materijal u najvećoj mogućoj mjeri koristeći samo ugljen, glinu i samu rudu, zagrijan do temperatura koje su bile skromne u odnosu na ono što bi slijediti. U svakom slučaju, topljenje je bilo u toku 1500. pne., Ali gotovo 30 stoljeća kasnije, u 1400-ima, izumljena je visoka peć, koja je radikalno i zauvijek promijenila "industriju" (kakva je bila).

Danas se željezo proizvodi zagrijavanjem hematita ili magnetita u visokoj peći, zajedno s oblikom ugljika koji se naziva "koks", kao i kalcijevim karbonatom (CaCO₃), poznatiji kao vapnenac. Tako se dobiva spoj koji sadrži oko 3 posto ugljika i drugih preljubnika - koji nisu idealni po kvaliteti, ali dovoljno dobri za izradu čelika. Svake se godine širom svijeta proizvede oko 1,3 milijarde metričkih tona (otprilike 1,43 milijarde američkih tona ili gotovo 3 bilijuna funti) sirovog čelika.

Odakle "dolazi" željezo u perilici posuđa od nehrđajućeg čelika ili peći na drva, možda je daleko manje zanimljivo pitanje od onoga kako je željezo uopće postojalo bilo gdje u svemiru. Željezo se smatra teškim elementom, a elementi ove vrste mogu se stvoriti samo u katastrofalnim događajima "zvjezdane smrti" zvanim supernove. Dok se većina zvijezda nekako gasi dok sagorijevaju opskrbu vodikom, neke zvijezde doslovno izlaze s praskom.

To su statistički rijetki događaji, koji se događaju tek nekoliko puta svakih stotinu godina cijele galaksije Mliječni put, masivna polako rotirajuća hrpa zvijezda i druge materije koju ljudi nazivaju Dom. Ali oni su također vitalno važni. Bez njih sile potrebne da bi se znatni manji elementi spojili pri udaru i stvorili još veće elemente poput željeza, bakra, žive, zlata, joda i olova ne bi postojale. I cijelo vrijeme određeni dio tih elemenata putuje velikim udaljenostima kroz svemir i naseljava se na Zemlji, ponekad u obliku udara meteorita.

Vjeruje se da željezo predstavlja približnu graničnu točku u smislu elemenata koje obični mogu generirati procesi sagorijevanja zvijezda (kao da su sami ti procesi na bilo koji način doista "obični") i oni koji se mogu samo stvoriti supernovima.

Većina elemenata - kisik, atomski broj 8, ali vjerojatno ne uključujući željezo, atomski broj 26 - nastaju kad zvijezda počne iscrpljivati ​​zalihe vodika. Razlog zašto zvijezda "gori" je taj što neprestano prolazi kroz nebrojene reakcije fuzije, s vodikom, najlakši element (atomski broj 1) koji se sudara s ostalim atomima vodika i stvara helij (atomski broj 2). Na kraju, u najunutarnijem dijelu zvijezde, atomi helija sudaraju se u skupinama tvoreći ugljik (atomski broj 6).

Vjerojatno prepoznajete željezo kao ključno u ljudskoj prehrani, a temelji se isključivo na tvrdnjama oglašivača proizvođači hrane ("Ova žitarica sadrži 100 posto američke dnevne doze od željezo!"). Možda ne znate zašto je to tako.

Ispostavilo se da tipično ljudsko tijelo sadrži oko 4 grama elementarnog željeza. To možda ne zvuči puno, ali zašto bi vašem tijelu uopće trebao metal? Zapravo je željezo važan dio hemoglobina, proteina koji veže kisik i koji se nalazi u crvenim krvnim stanicama (RBC). RBC prenosi kisik iz pluća u tkiva, gdje se koristi u staničnom disanju.

Kada ljudima nedostaje željeza zahvaljujući nedovoljnom unosu hrane (željezo se nalazi u mesu, posebno meso organa, kao i određena zrna) ili sistemska bolesna stanja, njihovi eritrociti ne mogu učiniti svoje pravilno raditi. U ovom stanju, koje se naziva anemija, ljudi ostaju bez daha nakon umjerenog napora, a često pate od umora, glavobolje i opće slabosti. U težim slučajevima može biti potrebna transfuzija krvi kako bi se ispravila anemija, iako se obično korekcija vrši suplementacijom tabletama i tekućinama koje sadrže željezo.