כאשר אתה מהרהר במקור הברזל, ככל הנראה נפשך נודדת לחזונות של טחנות פלדה, מימי הביניים חישולים או תהליך ייצור אחר המאופיין בעבודה קשה ומלאית וגבוה מאוד טמפרטורות. אך מלבד היותו סוג של מתכת המשמשת בדרכים שונות בתעשייה האנושית, ברזל הוא גם אלמנט, לא תרכובת או סגסוגת, כלומר אפשר לבודד אטום אחד של ברזל. זה לא נכון לגבי החומרים המוכרים ביותר; לדוגמא, כמות המים הקטנה ביותר ממה שעדיין ניתן לכנות מים כוללת שלושה אטומים, אחד מהם חמצן והשני מימן אחרים.
מעניין שאף שאנשים מקשרים ברזל לטמפרטורות גבוהות במיוחד בהגדרות הייצור כאן כדור הארץ, ברזל כאלמנט חייב את קיומו לאירועים כל כך חמים וכל כך רחוקים שהמספרים המעורבים בקושי יוצרים לָחוּשׁ. לפיכך, מחקר על אופן ייצור הברזל מחייב שני תהליכים מקבילים: בחינת אופן היוו ברזל ואיך זה הגיע לכדור הארץ, ואיך אנשים על כדור הארץ מייצרים ומשתמשים בברזל ליומיום כמו גם להתמחות פעילויות. נושאים אלה בתורם מזמנים דיון על השימוש בברזל במערכות חיים ועל ידי התבוננות כללית כיצד מקורם של האלמנטים השונים ומתפשטים ברחבי הקוסמוס.
היסטוריה קצרה של ברזל
ברזל ידוע לאנושות מאז שנת 3500 לפני הספירה, או לפני למעלה מ -5,500 שנה. שמו נגזר מהגרסה האנגלו-סכסונית, שהייתה "אירן". סמל הברזל המחזורי של השולחן המחזור Fe מקורו במילה הלטינית לברזל, שהיא ברזל. אם אתה מעיין בבית מרקחת ובמקרה רואה תוספי ברזל, תבחין שרוב שמותיהם הם "ברזליים" כזה או אחר (כגון סולפט או גלוקונאט). בכל פעם שאתה רואה את המילה "ברזל" או "ברזל" בהקשר לכימיה, עליך לזהות מיד שברזל נדון; "אירוני", אם כי מילה נהדרת ושימושית, אין לו שום תפקיד בעולם המדע הפיזיקלי.
עובדות כימיה על ברזל
ברזל (בקיצור Fe) מסווג כמתכת לא רק למטרות יומיומיות אלא גם בטבלה המחזורית של היסודות (ראה משאבים לדוגמא אינטראקטיבית). זה כנראה מפתיע מעט, אך למעשה מתכות גדולות מהמתכות שאינן מתכות בטבע בפער רחב; מתוך 113 היסודות שבני אדם גילו או יצרו בסביבות מעבדה, 88 מסווגים כמתכות.
אטומים, כפי שאולי כבר ידעתם, מורכבים מגרעין המכיל תערובת של פרוטונים ונייטרונים בעלי מסה שווה בערך המוקפים ב"ענן "של אלקטרונים כמעט חסרי מסה. פרוטונים ואלקטרונים נושאים מטען בסדר גודל זהה, אך מטען הפרוטונים חיובי ואילו זה של אלקטרונים שלילי. מספר האטום של הברזל הוא 26, כלומר בברזל יש 26 פרוטונים ו -26 אלקטרונים במצב הנייטרלי החשמלי. המסה האטומית שלו, שכאשר היא מעוגלת היא פשוט הסכום או הפרוטונים והניטרונים, היא פשוט ביישנית של 56 גרם לשומה, כלומר הצורה הכי יציבה כימית שלה מכילה (56 - 26) = 30 נויטרונים.
לברזל יש כמה תכונות פיזיקליות אדירות. יש לו צפיפות של 7.87 גרם / ס"מ3מה שהופך אותו לצפוף כמעט שמונה ממים. (צפיפות היא מסה ליחידת נפח; מים מוגדרים כ 1.0 גרם / ס"מ3 על פי ההסכם.) הברזל הוא מוצק ב -20 מעלות צלזיוס (68 F), הנחשב בדרך כלל כ"טמפרטורת החדר "למטרות כימיה. נקודת ההיתוך שלו היא 1538 צלזיוס גבוהה במיוחד (2800 צלזיוס), ואילו נקודת הרתיחה שלה - כלומר הטמפרטורה בה הברזל הנוזל מתחיל להתאדות ולהפוך לגז - היא 2861 צלזיוס צורב (5182 צלזיוס). אין זה פלא, כי בעבודות מתכת, סוגי התנורים המשמשים חייבים להיות חזקים במיוחד.
ברזל, לפי המסה, הוא היסוד הרביעי בשפע בקרום כדור הארץ. חלקו הכולל של הברזל בכדור הארץ עשוי להיות גדול במידה ניכרת, אולם בהתחשב בכך שהגרעין המותך של הפלנטה מאמין שהוא מורכב בעיקר מברזל נוזלי, ניקל וגופרית. כאשר מפיקים ברזל מהאדמה בפעולות כרייה, הוא בצורת עפרות, שהוא ברזל אלמנטרי המעורבב עם סוג אחד או יותר של סלע. הסוג הנפוץ ביותר של עפרות ברזל הוא המטיט, אך מגנטיט וטקוניט הם גם מקורות משמעותיים למתכת זו.
ברזל מחליד, או מאכל, בקלות רבה בהשוואה למתכות אחרות. זה יוצר בעיות עבור המהנדסים מכיוון שכיום, תשע עשיריות מהמתכת המזוקקת כוללת ברזל.
שימושים בברזל
רוב הברזל שנכרה לשימוש אנושי מתפתל בצורה של פלדה. "פלדה" היא סגסוגת, כלומר תערובת של מתכות. צורה פופולרית של מוצר זה כיום נקראת פלדת פחמן, וזה מטעה במקצת מכיוון שפחמן תורם רק חלק זעיר ממסת הפלדה הזו על כל צורותיה. בצורת הפחמן הגבוהה ביותר של פלדת פחמן, פחמן מהווה כ -2 אחוז ממסת המתכת; נתון זה יכול לנוע עד 1/10 של אחוז אחד מבלי שהמתכת תאבד את התואר "פלדת פחמן".
פלדת פחמן יכולה להיות בתמורה מזויפת אסטרטגית עם מתכות אחרות כדי לייצר סגסוגות בעלות תכונות רצויות מסוימות. נירוסטה, למשל, היא צורה של פלדת פחמן שיש בה כמות משמעותית של כרום - מעל 10 אחוז במסה. חומר זה ידוע בזכות עמידותו ונטייתו לשמור על מראהו המבריק והמבריק במשך תקופות ארוכות בשל עמידותו הגבוהה בפני קורוזיה. נירוסטה מתאפיינת באופן בולט בארכיטקטורה, מיסבי כדור, כלי ניתוח וכלי שולחן. הסיכויים טובים שאם אתה יכול לראות את השתקפותך בצורה ברורה במשטח מתכתי טהור, אתה מסתכל על סוג של נירוסטה.
כאשר כמויות נבונות של מתכות כגון ניקל, ונדיום, טונגסטן ומנגן משולבות בפלדה, הדבר גורם לחומר קשה כבר קשה עוד יותר; פלדות סגסוגת אלו מתאימות לכן לכלול בגשרים, מכשירי חיתוך ורכיבי רשת חשמל.
סוג ברזל שאינו פלדה הנקרא ברזל יצוק כולל הרבה מאוד פחמן (בסטנדרטים של עיבוד מתכת ברזל, לפחות): 3 עד 5 אחוזים. ברזל יצוק אינו קשוח כמו פלדה, אך הוא זול במידה ניכרת, ולכן במעבר מפלדה ליציקה ברזל, אתה מבצע את אותו הפשרה הכללית שאתה עושה כשעוברים מצלעות ראשוניות ל -70% רזים המבורגר.
איך מייצרים ברזל?
ברזל על כדור הארץ מיוצר, או יותר נכון מופק, מעפרת ברזל. חלק "הסלע" של עפרות הברזל מכיל חמצן, חולות וחרסיות בכמויות משתנות בהתאם לסוג העפרות. התפקיד של מפעלי ברזל, כפי שכונו המפעלים המוקדמים ביותר כאלה, הוא להסיר כמה שיותר מהסלע ומחצץ אחר תוך השארת ברזל מאחור - קצת שונה באופן עקרוני מהפגזת בוטן או מקילוף תפוז כדי להגיע לחלק הטוב, אלא שבמקרה של עפרות ברזל, הברזל אינו מוקף רק בחד פעמיות חוֹמֶר; זה מעורבב עם זה.
למרות הטמפרטורות המרתיעות והאתגרים הפיזיים הכלליים של עבודות ברזל, בני האדם כבר השתמשו בהם בתקופות טרום נוצריות. עבודות ברזל הגיעו לראשונה לאיים הבריטיים בדרך של יבשת אירופה ומערב אסיה במאה ה -5 לפני הספירה. אז הברזל הופרד פיזית מהארץ חומר לא רצוי במידה המלאה האפשרית תוך שימוש רק בפחם, חימר ועפרות עצמו, מחומם לטמפרטורות צנועות בהשוואה למה שהיה לעקוב אחר. מכל מקום, ההתכה התנהלה בשנת 1500 לפני הספירה, אך כמעט 30 מאות מאוחר יותר, בשנות ה 1400, הומצא תנור הפיצוץ, ששינה את ה"תעשייה "(כמו שהיה) באופן קיצוני ולתמיד.
כיום, הברזל מיוצר על ידי חימום המטיט או מגנטיט בתנור הפיצוץ יחד עם צורת פחמן הנקראת "קוקה" וכן סידן פחמתי (CaCO).3), הידוע יותר בשם אבן גיר. זה מניב תרכובת המכילה כ -3% פחמן ונואפים אחרים - לא אידיאליים באיכותם, אבל מספיק טובים לייצור פלדה. מדי שנה מיוצרים ברחבי העולם כ -1.3 מיליארד טון (כ -1.43 מיליארד טון ארה"ב, או כמעט 3 טריליון פאונד).
מהיכן הגיע הברזל?
מהיכן "הברזל במדיח הכלים הנירוסטה שלך או תנור העץ שלך" הוא אולי שאלה הרבה פחות מעניינת מכיצד ברזל בכלל התקיים בכל מקום ביקום. ברזל נחשב לאלמנט כבד, ואלמנטים מסוג זה יכולים להיווצר רק באירועי אסון "מוות כוכבים" הנקראים סופרנובות. בעוד שרוב הכוכבים מתמזגים כשהם נשרפים דרך אספקת הדלק שלהם של מימן, יש כוכבים שממש יוצאים בחבטה.
מדובר באירועים נדירים סטטיסטית, המתרחשים פעמים ספורות בכל מאה שנים לאורך כל היקף מכל גלקסיית שביל החלב, ערמת הכוכבים המאסיבית המסתובבת באיטיות וחומר אחר שבני אדם מכנים בית. אבל הם גם חשובים ביותר. בלעדיהם, הכוחות הדרושים כדי לגרום לאלמנטים קטנים יותר גדולים להתמזג יחד במכה וליצור אלמנטים גדולים עוד יותר כמו ברזל, נחושת, כספית, זהב, יוד ועופרת לא היו קיימים. וכל הזמן, חלק מסוים מאלמנטים אלה עובר מרחקים ארוכים דרך החלל ומתיישב על כדור הארץ, לפעמים בצורה של פגיעות מטאוריטים.
כיצד נוצרים אלמנטים בטבע?
האמין כי ברזל מייצג את נקודת הניתוק המשוערת במונחים של אלמנטים שניתן לייצר על ידי רגיל תהליכי בעירה של כוכבים (כאילו תהליכים אלה עצמם באמת "רגילים" בכל דרך שהיא) ואלה שניתן ליצור רק על ידי סופרנובות.
רוב היסודות - חמצן, מספר אטומי 8, דרך אבל כנראה לא כולל ברזל, מספר אטומי 26 - נוצרים ברגע שכוכב מתחיל למצות את אספקת המימן שלו. הסיבה שכוכב "נשרף" היא שהוא עובר כל הזמן אינספור תגובות היתוך, עם מימן, היסוד הקל ביותר (מספר אטומי 1) המתנגש באטומי מימן אחרים ויוצר הליום (מספר אטומי 2). בסופו של דבר, בחלק הפנימי ביותר של הכוכב, אטומי הליום מתנגשים בקבוצות ויוצרים פחמן (מספר אטומי 6).
ברזל בגוף האדם
אתה בטח מכיר בברזל כחיוני בתזונה האנושית המבוסס אך ורק על טענות פרסום מאת יצרני מזון ("דגני בוקר אלה מכילים 100 אחוז מהקצבה היומית המומלצת בארה"ב בַּרזֶל!"). יתכן שלא תדעו מדוע זה.
כפי שמתברר, גוף האדם האופייני מכיל כ -4 גרם ברזל אלמנטרי. זה אולי לא נשמע כמו הרבה, אבל למה שגופך יזדקק למתכת כלשהי בו? למעשה, ברזל הוא חלק חיוני בהמוגלובין, החלבון המחייב חמצן המצוי בתאי הדם האדומים (RBC). RBCs מעבירים חמצן מהריאות לרקמות, שם השתמשנו בנשימה תאית.
כשאנשים לוקים במחסור בברזל בזכות צריכת תזונה לא מספקת (ברזל נמצא בבשרים, במיוחד בשר איברים, כמו גם דגנים מסוימים) או מצבי מחלה מערכתיים, ה- RBC שלהם אינם יכולים לעשות זאת עבודה כמו שצריך. במצב זה, הנקרא אנמיה, אנשים לוקים בקוצר נשימה לאחר מאמץ מתון, ולעיתים קרובות סובלים מעייפות, כאבי ראש וחולשה כללית. במקרים חמורים, עירוי דם עשוי להידרש לתיקון האנמיה, אם כי בדרך כלל תיקון נעשה באמצעות תוספות עם גלולות ונוזלים המכילים ברזל.