철의 기원을 생각할 때, 당신의 마음은 중세 시대의 제철소에 대한 환상 속으로 방황 할 것입니다. 단조 또는 기타 제조 공정은 단단하고 실무적인 작업과 매우 높은 온도. 그러나 인간 산업에서 다양한 방식으로 사용되는 금속의 한 유형 인 것 외에도 철은 화합물이나 합금이 아닌 원소로서의 단일 원자 철을 분리 할 수 있음을 의미합니다. 이것은 가장 익숙한 자료에 해당되지 않습니다. 예를 들어, 여전히 물이라고 할 수있는 가장 적은 양의 물은 3 개의 원자를 포함합니다. 하나는 산소이고 다른 하나는 수소입니다.
흥미롭게도 사람들은 여기서 제조 환경에서 철을 비정상적으로 높은 온도와 연관시킵니다. 원소로서의 지구, 철은 너무 뜨겁고 멀리 떨어져있는 사건들 덕분에 존재하는 숫자가 거의 감각. 따라서 철이 어떻게 만들어 지는지에 대한 연구를 수행하려면 두 가지 병렬 프로세스가 필요합니다. 그리고 그것이 지구에 어떻게 도달했는지, 그리고 지구상의 사람들이 어떻게 일상과 전문화를 위해 철을 만들고 활동. 이 주제는 다시 살아있는 시스템에서 철의 사용에 대한 토론과 다양한 요소가 우주 전체에서 어떻게 발생하고 확산되는지에 대한 일반적인 관점을 초대합니다.
철의 간략한 역사
철은 기원전 3500 년경 또는 5,500 년 전부터 인류에게 알려져 왔습니다. 그 이름은 "iren"이라는 앵글로색슨 버전에서 유래되었습니다. 주기율표 철 기호 Fe는 철을 의미하는 라틴어 철인 철에서 유래합니다. 약국을 숙독하고 철분 보충제를 보게된다면 그 이름의 대부분이 "철"물질 (황산염 또는 글루코 네이트 등)이라는 것을 알게 될 것입니다. 화학 문맥에서 "철"또는 "철"이라는 단어를 볼 때마다 철이 논의되고 있음을 즉시 인식해야합니다. "ironic"은 훌륭하고 유용한 단어이지만 물리 과학의 세계에서 아무런 역할을하지 않습니다.
철에 대한 화학 사실
철 (줄임말 Fe)은 일상적인 용도뿐만 아니라 원소 주기율표에서도 금속으로 분류됩니다 (대화 형 예제는 참고 자료 참조). 이것은 놀랄 일이 아니 겠지만 사실 금속은 본질적으로 비금속보다 큰 차이를 보입니다. 인간이 실험실 환경에서 발견하거나 생성 한 113 개의 원소 중 88 개는 금속으로 분류됩니다.
아시다시피 원자는 거의 질량이없는 전자의 "구름"으로 둘러싸인 대략 동일한 질량의 양성자와 중성자의 혼합물을 포함하는 핵으로 구성됩니다. 양성자와 전자는 동일한 크기의 전하를 전달하지만 양성자의 전하는 양이고 전자의 전하는 음입니다. 철의 원자 번호는 26입니다. 즉, 철은 전기적으로 중성 상태 인 26 개의 양성자와 26 개의 전자를 가지고 있습니다. 반올림했을 때 단순히 합 또는 양성자와 중성자 인 원자 질량은 몰당 56g에 불과합니다. 즉, 가장 화학적으로 안정한 형태에는 (56-26) = 30 개의 중성자가 포함되어 있습니다.
철은 몇 가지 강력한 물리적 특성을 가지고 있습니다. 밀도는 7.87g / cm입니다.3, 물보다 거의 8 배 밀도가 높습니다. (밀도는 단위 부피당 질량입니다. 물은 1.0g / cm로 정의됩니다.3 관습에 따라.) 철은 섭씨 20도 (68F)의 고체이며 일반적으로 화학 목적 상 "실온"으로 간주됩니다. 녹는 점은 1538 ° C (2800F)로 매우 높으며, 끓는점 (즉, 액체 철이 증발하여 기체가되기 시작하는 온도)은 2861 ° C (5182F)입니다. 따라서 금속 가공에서 사용되는 용광로의 종류가 실제로 매우 강력해야한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
질량으로 볼 때 철은 지각에서 네 번째로 풍부한 원소입니다. 그러나 지구의 녹은 핵이 주로 액화 철, 니켈 및 황으로 구성되어 있다고 믿어진다는 점을 감안할 때 철의 지구 전체 점유율은 상당히 클 수 있습니다. 채광 작업에서 철이 땅에서 추출 될 때 철은 하나 이상의 암석과 혼합 된 원소 철인 광석의 형태입니다. 가장 일반적인 유형의 철광석은 적철광이지만 마그네타이트와 타코 나이트도이 금속의 중요한 공급원입니다.
철은 다른 금속에 비해 매우 쉽게 녹 또는 부식됩니다. 현재 정제되는 금속의 9/10에 철이 포함되어 있기 때문에 엔지니어에게 문제가됩니다.
철의 용도
인간이 사용하기 위해 채굴 된 철의 대부분은 강철 형태로 감겨 있습니다. "스틸"은 금속의 혼합물을 의미하는 합금입니다. 오늘날이 제품의 인기있는 형태는 탄소강이라고 불리며, 탄소는 모든 형태에서이 강철 질량의 극히 일부에 불과하기 때문에 다소 오해의 소지가 있습니다. 탄소강의 최고 탄소 형태에서 탄소는 금속 질량의 약 2 %를 차지합니다. 이 수치는 금속이 "탄소강"이라는 제목을 잃지 않고 1 %의 1/10까지 내려갈 수 있습니다.
탄소강은 다시 전략적으로 다른 금속과 섞여 특정 바람직한 특성을 가진 합금을 산출 할 수 있습니다. 예를 들어 스테인리스 강은 10 질량 %가 넘는 상당량의 크롬을 포함하는 탄소강의 한 형태입니다. 이 소재는 내구성이 뛰어나고 부식에 대한 높은 내성으로 인해 오랫동안 윤기 있고 윤기있는 외관을 유지하는 경향이 있습니다. 스테인리스 스틸은 건축, 볼 베어링, 수술기구 및 식기에서 두드러지게 특징입니다. 순전히 금속 표면에서 반사 된 모습을 선명하게 볼 수 있다면 일종의 스테인리스 스틸을보고있는 것입니다.
니켈, 바나듐, 텅스텐 및 망간과 같은 상당한 양의 금속이 강철에 통합되면 이미 단단한 물질을 더욱 단단하게 만듭니다. 따라서 이러한 합금강은 교량, 절단 장비 및 전기 그리드 부품에 포함하기에 적합합니다.
주철이라고하는 비 강철 유형의 철에는 3 ~ 5 %의 다량의 탄소가 포함됩니다 (적어도 철 금속 가공 기준에 따라). 주철은 강철만큼 강하지는 않지만 상당히 저렴하므로 강철에서 주물로 이동할 때 철분은 프라임 립에서 70 % 린으로 갈 때와 동일한 일반적인 트레이드 오프를합니다. 햄버거.
철은 어떻게 만들어 집니까?
지구상의 철은 철광석에서 만들어 지거나 더 적절하게 추출됩니다. 철광석의 "암석"부분에는 광석의 종류에 따라 다양한 양의 산소, 모래 및 점토가 포함되어 있습니다. 최초의 공장이라고 불리는 제철소의 역할은 가능한 한 많은 바위와 기타 모래를 제거하고 철은 남겨 두는 것입니다. 원칙적으로 땅콩 껍질을 벗기거나 오렌지 껍질을 벗기고 좋은 부분을 얻습니다. 단, 철광석의 경우 철은 일회용으로 둘러싸여 있지 않습니다. 재료; 그것은 바로 그것과 섞여 있습니다.
혹독한 온도와 철 작업의 전반적인 신체적 어려움에도 불구하고 인간은 이미 기독교 이전 시대에 그것을 사용하고있었습니다. 철 가공은 기원전 5 세기에 유럽 본토와 서아시아를 통해 영국 제도에 처음으로 도달했습니다. 그 당시 철은 물리적으로 숯, 점토 및 광석 자체만을 사용하여 가능한 한 원치 않는 물질을 최대한 사용하고 따르다. 어쨌든 기원전 1500 년에 제련이 진행되었지만 거의 30 세기 후인 1400 년대에 용광로가 발명되어 "산업"(예: 산업)을 근본적으로 영원히 바꿔 놓았습니다.
오늘날 철은 용광로에서 적철광이나 마그네타이트를 가열하고 탄산 칼슘 (CaCO)이라는 탄소 형태와 함께 만들어집니다.3), 더 잘 알려진 석회암. 이는 약 3 %의 탄소와 기타 불순물을 포함하는 화합물을 생성합니다. 품질면에서는 이상적이지는 않지만 강철을 만들기에 충분합니다. 매년 전 세계적으로 약 13 억 미터 톤 (약 14 억 3 천만 톤 또는 거의 3 조 파운드)의 조강이 생산됩니다.
철은 어디에서 왔습니까?
스테인리스 스틸 식기 세척기 나 장작 난로의 철이 어디에서 "원래"되는지는 처음에 우주 어디에서나 철이 어떻게 존재하게되었는지보다 훨씬 덜 흥미로운 질문 일 것입니다. 철은 무거운 원소로 간주되며, 이 유형의 원소는 초신성이라고하는 치명적인 "별의 죽음"사건에서만 생성 될 수 있습니다. 대부분의 별은 수소 연료 공급을 통해 타면서 사라지는 반면, 일부 별은 문자 그대로 쾅하는 소리를냅니다.
이는 통계적으로 드문 사건으로, 해당 범위 전체에서 백년에 몇 번만 발생합니다. 은하계 전체의 느리게 회전하는 거대한 별 더미와 인간이 부르는 다른 물질은 집. 그러나 그들은 또한 매우 중요합니다. 그것들이 없었다면, 충격을받을 때 크기가 작은 원소들을 융합시키고 철, 구리, 수은, 금, 요오드, 납과 같은 더 큰 원소를 만드는 데 필요한 힘은 존재하지 않을 것입니다. 그리고 항상 이러한 요소의 특정 부분은 우주를 통해 장거리를 이동하고 때로는 운석 충돌의 형태로 지구에 정착합니다.
자연에서 요소는 어떻게 형성됩니까?
철은 일반에 의해 생성 될 수있는 요소 측면에서 대략적인 컷오프 지점을 나타내는 것으로 믿어집니다. 별 연소 프로세스 (이 프로세스 자체가 어떤 식 으로든 진정으로 "평범한"것처럼) 및 생성 만 가능한 프로세스 초신성에 의해.
대부분의 원소 (산소, 원자 번호 8, 철을 포함하지 않을 수 있음, 원자 번호 26)는 별이 수소 공급을 소진하기 시작하면 만들어집니다. 별이 "타는"이유는 수소와 함께 끊임없이 수많은 융합 반응을 겪고 있기 때문입니다. 가장 가벼운 원소 (원자 번호 1)가 다른 수소 원자와 충돌하여 헬륨 (원자 번호 2). 결국 별의 가장 안쪽 부분에서 헬륨 원자가 그룹으로 충돌하여 탄소 (원자 번호 6)를 형성합니다.
인체의 철분
당신은 아마도 철분이 인간의 식단에 필수적이라는 것을 알고있을 것입니다. 식품 제조업체 ( "이 시리얼에는 미국 권장 일일 허용량의 100 %가 포함되어 있습니다. 철!"). 그러나 이것이 왜 그런지 모를 수도 있습니다.
밝혀진 바와 같이, 전형적인 인체에는 약 4g의 원소 철이 포함되어 있습니다. 그다지 큰 소리로 들리지 않을 수도 있지만 왜 몸에 금속이 필요합니까? 실제로 철은 적혈구 (RBC)에서 발견되는 산소 결합 단백질 인 헤모글로빈의 필수 부분입니다. 적혈구는 산소를 폐에서 조직으로 운반하여 세포 호흡에 사용합니다.
불충분 한식이 섭취로 인해 철분이 부족 해지면 (철분은 고기에서 발견되며, 특히 내장 육 및 특정 곡물) 또는 전신 질환 상태에서 적혈구는 제대로 일하십시오. 빈혈이라고하는이 상태에서 사람들은 적당한 양의 운동 후에 숨이 차게되고 종종 피로, 두통 및 전반적인 쇠약으로 고통받습니다. 심한 경우 빈혈을 교정하기 위해 수혈이 필요할 수 있지만 일반적으로 철분 함유 알약과 액체를 보충하여 교정을 수행합니다.