Ha elgondolkodik a vas eredetén, elméje valószínűleg a középkori acélgyárak vízióiba téved kovácsok vagy más gyártási folyamatok, amelyeket kemény, gyakorlati munka jellemez és nagyon magas hőmérsékletek. De azon kívül, hogy az emberi iparban különböző módon használják a fémet, a vas is elem, nem pedig vegyület vagy ötvözet, ami azt jelenti, hogy egyetlen vasatom elkülöníthető. Ez a legtöbb ismert anyagra nem igaz; például a még mindig víznek nevezhető legkisebb vízmennyiség három atomot tartalmaz, az egyik oxigént, a másik két hidrogént.
Érdekes, hogy bár az emberek a vasat a gyártási körülmények között szokatlanul magas hőmérsékletekkel társítják A vas, mint elem, olyan forró és olyan távoli eseményeknek köszönheti létezését, hogy az érintett számok alig hoznak létre érzék. Így a vas előállításának tanulmányozása két párhuzamos folyamatot igényel: annak feltárása, hogy a vas hogyan jött létre és hogyan jutott el a Földre, és hogyan készítik és használják a földi emberek a vasat mindennapos és szakosodott célokra tevékenységek. Ezek a témák viszont megvitatják a vas használatát az élő rendszerekben és azok által, valamint áttekintik, hogy a különféle elemek hogyan keletkeznek és hogyan terjednek el az egész kozmoszban.
A vas rövid története
A vasat az emberiség kb. Kr. E. 3500 óta vagy több mint 5500 évvel ezelőtt ismerte. Neve az angolszász változatból származik, amely "iren" volt. A Fe periódusos vas szimbóluma a latin vas szóból származik, amely ferrum. Ha áttanulmányoz egy gyógyszertárat, és véletlenül lát vas-kiegészítőket, akkor észreveszi, hogy nevük többsége "vas" valami vagy más (például szulfát vagy glükonát). Bármikor, amikor meglátja a "vas" vagy "vas" szót a kémia összefüggésében, azonnal fel kell ismernie, hogy a vasról tárgyalnak; Az "ironikus", bár remek és hasznos szó, nincs szerepe a fizikatudomány világában.
Kémiai tények a vasról
A vas (rövidítve Fe) nem mindennapi célokra, de az elemek periódusos rendszerében is fémként van besorolva (lásd az Interaktív példát a forrásokban). Ez valószínűleg nem meglepetés, de valójában a fémek nagy különbséggel meghaladják a nemfémeket a természetben; az ember által a laboratóriumi körülmények között felfedezett vagy létrehozott 113 elem közül 88-at fémek közé sorolnak.
Az atomok, amint azt már tudhatjátok, egy magból állnak, amelyek nagyjából azonos tömegű protonok és neutronok keverékét tartalmazzák, és amelyet szinte tömegtelen elektronokból álló "felhő" vesz körül. A protonok és az elektronok azonos nagyságú töltést hordoznak, de a protonok töltése pozitív, míg az elektronoké negatív. A vas atomszáma 26, ami azt jelenti, hogy a vas elektromosan semleges állapotában 26 proton és 26 elektron van. Atomtömege, amely lekerekítve egyszerűen az összeg vagy a protonok és neutronok, csak félénk, 56 mol / mol, ami azt jelenti, hogy kémiailag legstabilabb formája (56 - 26) = 30 neutronot tartalmaz.
A vas néhány félelmetes fizikai tulajdonsággal rendelkezik. Sűrűsége 7,87 g / cm3, így majdnem nyolcszor olyan sűrű, mint a víz. (A sűrűség a térfogategységre eső tömeg; a víz értéke 1,0 g / cm3 Megállapodás szerint.) A vas 20 Celsius-fokon szilárd anyag, amelyet kémiai szempontból általában "szobahőmérsékletnek" tekintenek. Olvadáspontja rendkívül magas 1538 C (2800 F), míg forráspontja - vagyis az a hőmérséklet, amelyen a folyékony vas elpárolog és gázzá válik - perzselő 2861 C (5182 F). Nem csoda tehát, hogy a fémmegmunkálás során az alkalmazott kemencéknek valóban rendkívül nagy teljesítményűeknek kell lenniük.
A vas tömeg szerint a földkéreg negyedik leggyakoribb eleme. A vas teljes Föld-részesedése azonban lényegesen nagyobb lehet, tekintve, hogy a bolygó megolvadt magja vélhetően főleg cseppfolyósított vasból, nikkelből és kénből áll. Amikor a bányászati műveletek során a vasat kinyerik a földből, érc formájában van, amely egy vagy több kőzettípussal kevert elemi vas. A vasérc leggyakoribb típusa a hematit, de a magnetit és a takonit is ennek a fémnek a jelentős forrása.
A vas rozsdásodik, vagy korrodálódik, nagyon könnyen más fémekhez képest. Ez problémákat okoz a mérnökök számára, mert jelenleg a finomított fém kilenctizede vasat tartalmaz.
Vas felhasználása
Az emberi felhasználásra bányászott vas nagy része acél formájában felcsavarodik. Az "acél" ötvözet, azaz fémek keveréke. Ennek a terméknek napjainkban népszerű formáját szénacélnak hívják, ami némileg félrevezető, mert a szén az acél tömegének csak apró töredékét adja minden formájában. A szénacél legnagyobb szén-dioxid-tartalmú formájában a szén a fém tömegének körülbelül 2% -át teszi ki; ez az érték 1/10-ig terjedhet 1% -ig, anélkül, hogy a fém elvesztené a "szénacél" címet.
A szénacél viszont stratégiailag hamisítható más fémekkel, így bizonyos kívánt tulajdonságú ötvözetek keletkeznek. A rozsdamentes acél például a szénacél olyan formája, amelyben jelentős mennyiségű - több mint 10 tömegszázalék - króm van. Ez az anyag híres tartósságáról és hajlandóságáról hosszú ideig megőrizni fényes, fényes megjelenését a magas korrózióállóságnak köszönhetően. A rozsdamentes acél kiemelkedő szerepet játszik az építészetben, a golyóscsapágyakban, a műtéti eszközökben és az edényekben. Jó az esély arra, hogy ha tisztán látja a tükörképét egy tisztán fém felületen, akkor egyfajta rozsdamentes acélra tekint.
Ha megfontolt mennyiségű fém, például nikkel, vanádium, volfrám és mangán kerül beépítésre az acélba, az még keményebb anyagot még nehezebbé teszi; ezek az ötvözött acélok ezért alkalmasak hidakba, vágóeszközökbe és elektromos rács alkatrészekbe való beépítésre.
Az öntöttvasnak nevezett nem acél típusú vas nagy mennyiségű szenet tartalmaz (legalábbis a vasmegmunkálás szabványai szerint): 3-5%. Az öntöttvas nem olyan kemény, mint az acél, de lényegesen olcsóbb, így az acélból az öntöttbe való áttérésben vas, ugyanazt az általános kompromisszumot hajtja végre, mint amikor az első bordától 70 százalékig sovány hamburger.
Hogyan készül a vas?
A vasat a Földön vasércből készítik, vagy helyesebben kinyerik. A vasérc "kőzet" része oxigént, homokot és agyagot tartalmaz, az érc típusától függően változó mennyiségben. A legkorábbi ilyen gyáraknak nevezett vasmű feladata, hogy a lehető legtöbb kőzetet és egyéb szemcsét eltávolítsa, miközben vasat hagy maga után - kicsit másként elvileg egy mogyoró héjától vagy egy narancs héjától a jó rész eléréséhez, azzal a különbséggel, hogy a vasérc esetében a vasat nem pusztán eldobható anyag; pontosan keveredik vele.
A vasművek félelmetes hőmérséklete és általános fizikai kihívásai ellenére az emberek már a kereszténység előtti időkben használták őket. A vasmegmunkálás először a Kr. E. 5. században jutott el a Brit-szigetekre Európa szárazföldje és Nyugat-Ázsia útján. Akkor a vas fizikailag el volt választva a nemkívánatos anyagokat a lehető legteljesebb mértékben, csak szén, agyag és maga az érc felhasználásával, olyan hőmérsékletre melegítve, amely szerény kövesse. Mindenesetre az olvasztás Kr.e. 1500-ig folyamatban volt, de majdnem 30 évszázaddal később, az 1400-as években feltalálták a kohót, radikálisan és örökre megváltoztatva az "ipart" (amilyen volt).
Ma a vasat úgy állítják elő, hogy nagyolvasztóban hematitot vagy magnetitet melegítenek, a "koksz" nevű szénformával, valamint a kalcium-karbonáttal (CaCO3), ismertebb nevén mészkő. Ez egy olyan vegyületet eredményez, amely körülbelül 3% szenet és egyéb segédanyagokat tartalmaz - minőségileg nem ideális, de acél előállításához elég jó. Évente mintegy 1,3 milliárd metrikus tonna (nagyjából 1,43 milliárd amerikai tonna, vagyis közel 3 billió font) nyersacél készül világszerte.
Honnan jött a vas?
Honnan "származik" a rozsdamentes acélból készült mosogatógépben vagy a fatüzelésű kályhában lévő vas, talán sokkal kevésbé érdekes kérdés, mint az, hogy egyáltalán hogyan létezett a vas az univerzumban. A vas nehéz elemnek számít, és ilyen típusú elemek csak a szupernóváknak nevezett katasztrofális "csillaghalál" eseményekben hozhatók létre. Míg a legtöbb csillag valamilyen módon kialszik, amikor elégetik az üzemanyag hidrogénkészletét, egyes csillagok szó szerint durranással mennek ki.
Ezek statisztikailag ritka események, száz évente csak néhányszor fordulnak elő a teljes Tejút-galaxis, a hatalmas, lassan forgó csillaghalom és más anyag, amelyet az emberek hívnak itthon. De létfontosságúak is. Nélkülük nem léteznének azok az erők, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a kisebb méretű elemek összeolvadjanak az ütközés során, és még nagyobb elemeket hozzanak létre, mint például vas, réz, higany, arany, jód és ólom. És ezeknek az elemeknek egy része folyamatosan nagy távolságokat tesz meg az űrben, és megtelepszik a Földön, néha meteoritcsapások formájában.
Hogyan keletkeznek az elemek a természetben?
Úgy gondolják, hogy a vas a hozzávetőleges határértéket képviseli a hétköznapi által előállítható elemek szempontjából csillagégési folyamatok (mintha ezek a folyamatok bármi módon valóban "hétköznapiak" lennének) és azok, amelyek csak létrehozhatók szupernóvák által.
A legtöbb elem - oxigén, 8. atomszámú, de valószínűleg nem tartalmazó vas, a 26. atomszám - akkor keletkezik, amikor egy csillag elkezdi kimeríteni hidrogénkészletét. A csillag "ég" oka az, hogy folyamatosan számtalan fúziós reakción megy keresztül hidrogénnel, a legkönnyebb (1. atomszámú) elem, amely más hidrogénatomokkal ütközik, héliumot képez (atomszám 2). Végül a csillag legbelső részében a héliumatomok csoportokba ütközve széndé alakulnak (6. atomszám).
Vas az emberi testben
Valószínűleg Ön kizárólag a. Reklám állításai alapján ismeri el a vas alapvető fontosságát az emberi étrendben élelmiszer-gyártók ("Ez a gabonafélék az Egyesült Államok által ajánlott napi adag 100% -át tartalmazzák Vas!"). Lehet, hogy nem tudja, miért van ez.
Mint kiderült, a tipikus emberi test körülbelül 4 gramm elemi vasat tartalmaz. Lehet, hogy ez nem hangzik soknak, de miért lenne szüksége a testének bármilyen fémre? Valójában a vas a hemoglobin, a vörösvértestekben található oxigénkötő fehérje (RBC) nélkülözhetetlen része. A vörösvértestek oxigént szállítanak a tüdőből a szövetekbe, ahol sejtlégzésben használjuk fel.
Amikor az embereknek hiányos a vas hiánya az elégtelen táplálékbevitel miatt (a vas megtalálható a húsokban, különösen szervi húsok, valamint bizonyos szemcsék) vagy szisztémás betegségállapotok, vörösvértesteik nem tudják megtenni a sajátjukat megfelelően dolgozzon. Ebben a vérszegénységnek nevezett állapotban az emberek mérsékelt erőfeszítés után légszomjat szenvednek, gyakran fáradtságtól, fejfájástól és általános gyengeségtől szenvednek. Súlyos esetekben vérátömlesztésre lehet szükség az anaemia kijavítására, bár általában a korrekciót vas-tartalmú tablettákkal és folyadékokkal történő kiegészítéssel végzik.
