Apdomājot dzelzs izcelsmi, jūsu prāts, visticamāk, klīst viduslaiku laikmeta tērauda rūpnīcu redzējumos kalumi vai kāds cits ražošanas process, kam raksturīgs smags, praktisks darbs un kas ir ļoti augsts temperatūras. Bet ne tikai metāla veids, ko cilvēku rūpniecībā izmanto dažādos veidos, bet arī dzelzs kā elements, nevis savienojums vai sakausējums, kas nozīmē, ka ir iespējams izolēt vienu dzelzs atomu. Tas neattiecas uz pazīstamākajiem materiāliem; piemēram, mazākajā ūdens daudzumā, nekā to joprojām var saukt par ūdeni, ietilpst trīs atomi, no kuriem viens ir skābeklis un pārējie divi ūdeņradis.
Interesanti, ka, lai arī šeit ražošanas apstākļos cilvēki dzelzi saista ar neparasti augstu temperatūru Zeme, dzelzs kā elements ir parādā savu esamību tik karstiem un tik tālu esošiem notikumiem, ka iesaistītie skaitļi to gandrīz nemaz nerada jēga. Tādējādi, pētot dzelzs ražošanu, ir vajadzīgi divi paralēli procesi: jāizpēta, kā dzelzs radās un kā tas sasniedza Zemi, un kā cilvēki uz Zemes ražo un lieto dzelzi ikdienas vajadzībām, kā arī specializējas aktivitātes. Šīs tēmas savukārt rosina diskusiju par dzelzs lietošanu dzīvajās sistēmās un to dzīves laikā, kā arī vispārīgu ieskatu par to, kā dažādi elementi rodas un izplatās visā kosmosā.
Īsa dzelzs vēsture
Dzelzs cilvēcei ir pazīstama kopš apmēram 3500. gada pirms mūsu ēras jeb vairāk nekā pirms 5500 gadiem. Tās nosaukums ir atvasināts no anglosakšu versijas, kas bija "iren". Periodiskā galda dzelzs simbols Fe nāk no latīņu vārda dzelzs, kas ir ferrum. Ja jūs iepazīstaties ar aptieku un nejauši redzat dzelzs piedevas, pamanīsit, ka lielākā daļa viņu vārdu ir "dzelzs" vai kaut kas cits (piemēram, sulfāts vai glikonāts). Ikreiz, kad ķīmijas kontekstā redzat vārdu "dzelzs" vai "dzelzs", jums nekavējoties jāatzīst, ka tiek apspriests dzelzs; "Ironiski", lai arī tas ir lielisks un noderīgs vārds, fiziskās zinātnes pasaulē nav nozīmes.
Ķīmijas fakti par dzelzi
Dzelzs (saīsināti Fe) tiek klasificēts kā metāls ne tikai ikdienas vajadzībām, bet arī elementu periodiskajā tabulā (interaktīvu piemēru skat. Resursi). Tas, iespējams, rada nelielu pārsteigumu, taču patiesībā metāli pēc būtības pārspēj nemetālus; no 113 elementiem, ko cilvēki ir atklājuši vai radījuši laboratorijas apstākļos, 88 tiek klasificēti kā metāli.
Atomi, kā jūs jau zināt, sastāv no kodola, kas satur aptuveni vienādas masas protonu un neitronu maisījumu, kuru ieskauj gandrīz bezmasas elektronu "mākonis". Protoniem un elektroniem ir vienāda lieluma lādiņš, bet protonu lādiņš ir pozitīvs, savukārt elektroniem - negatīvs. Dzelzs atomu skaitlis ir 26, kas nozīmē, ka dzelzs elektriski neitrālā stāvoklī ir 26 protoni un 26 elektroni. Tās atomu masa, kas, noapaļojot, ir vienkārši summa vai protoni un neitroni, ir tikai kautrīga - 56 grami uz vienu molu, kas nozīmē, ka tās ķīmiski stabilākā forma satur (56 - 26) = 30 neitronus.
Dzelzim piemīt dažas milzīgas fizikālās īpašības. Tā blīvums ir 7,87 g / cm3, padarot to gandrīz astoņas reizes blīvāku kā ūdens. (Blīvums ir masa uz tilpuma vienību; ūdens ir definēts kā 1,0 g / cm3 Pēc vienošanās.) Dzelzs ir cieta viela 20 grādos pēc Celsija (68 F), ķīmijas vajadzībām to parasti uzskata par "istabas temperatūru". Tā kušanas temperatūra ir ārkārtīgi augsta 1538 C (2800 F), savukārt viršanas temperatūra - tas ir, temperatūra, kurā šķidrais dzelzs sāk iztvaikot un kļūt par gāzi - ir dedzinoša 2861 C (5182 F). Tāpēc nav brīnums, ka metālapstrādē izmantotajām krāsnīm patiešām jābūt ārkārtīgi jaudīgām.
Dzelzs pēc masas ir ceturtais bagātākais elements Zemes garozā. Dzelzs kopējā Zemes daļa var būt ievērojami lielāka, ņemot vērā, ka tiek uzskatīts, ka planētas izkausētais kodols galvenokārt sastāv no sašķidrināta dzelzs, niķeļa un sēra. Kad ieguves darbībās dzelzi iegūst no zemes, tas ir rūdas formā, kas ir elementārais dzelzs, kas sajaukts ar vienu vai vairākiem iežu veidiem. Visizplatītākais dzelzs rūdas veids ir hematīts, bet magnetīts un takonīts ir arī nozīmīgi šī metāla avoti.
Dzelzs rūsas jeb korozija ir ļoti viegli salīdzināmas ar citiem metāliem. Tas rada problēmas inženieriem, jo pašlaik deviņās desmitdaļās no rafinētā metāla ietilpst dzelzs.
Dzelzs izmantošana
Lielākā daļa cilvēku lietošanai iegūtā dzelzs beidzas tērauda veidā. "Tērauds" ir sakausējums, kas nozīmē metālu maisījumu. Mūsdienās populāru šī produkta formu sauc par oglekļa tēraudu, kas ir nedaudz maldinošs, jo ogleklis veido tikai nelielu daļu no šī tērauda masas visās tā formās. Lielākā oglekļa tērauda formā ogleklis veido apmēram 2 procentus no metāla masas; šis skaitlis var svārstīties līdz 1/10 no 1 procentiem, metālam nezaudējot titulu "oglekļa tērauds".
Oglekļa tēraudu savukārt var stratēģiski viltot ar citiem metāliem, lai iegūtu sakausējumus ar noteiktām vēlamām īpašībām. Piemēram, nerūsējošais tērauds ir oglekļa tērauda forma, kurā ir ievērojams hroma daudzums - vairāk nekā 10 masas procenti. Šis materiāls ir slavens ar savu izturību un tendenci ilgu laiku saglabāt spīdīgu, spīdīgu izskatu, pateicoties izturībai pret koroziju. Nerūsējošais tērauds ir skaidri redzams arhitektūrā, lodīšu gultņos, ķirurģiskos instrumentos un galda piederumos. Ir lielas izredzes, ka, ja jūs skaidri redzat savu atspulgu tīri metāla virsmā, jūs skatāties uz sava veida nerūsējošo tēraudu.
Ja tēraudā tiek integrēts saprātīgs daudzums metālu, piemēram, niķeļa, vanādija, volframa un mangāna, tas jau tā cieto vielu padara vēl grūtāku; tāpēc šie leģētie tēraudi ir labi piemēroti iekļaušanai tiltos, griešanas instrumentos un elektrotīkla komponentos.
Netērauda dzelzs veids, ko sauc par čugunu, satur lielu daudzumu oglekļa (vismaz pēc dzelzs metālapstrādes standartiem): 3 līdz 5 procenti. Čuguns nav tik izturīgs kā tērauds, bet tas ir ievērojami lētāks, tāpēc pārejot no tērauda uz liešanu dzelzs, jūs veicat to pašu vispārējo kompromisu, ko veicat, pārejot no galvenā riba līdz 70 procentiem hamburgers.
Kā tiek ražots dzelzs?
Dzelzs uz Zemes tiek izgatavots vai, pareizāk sakot, iegūts no dzelzs rūdas. Dzelzs rūdas "akmens" daļa satur skābekli, smiltis un mālus dažādos daudzumos atkarībā no rūdas veida. Gludekļa darbs, kā tika dēvētas agrākās šādas rūpnīcas, ir noņemt pēc iespējas vairāk akmens un citu putekļu, vienlaikus atstājot dzelzi - nedaudz atšķirīgu principā no zemesriekstu lobīšanas vai apelsīna mizas, lai tiktu pie labās daļas, izņemot to, ka dzelzs rūdas gadījumā dzelzi ne tikai ieskauj vienreizlietojami materiāls; tas ir sajaukts tieši ar to.
Neskatoties uz dzelzs darbu biedējošajām temperatūrām un vispārējiem fiziskiem izaicinājumiem, cilvēki tos izmantoja jau pirmskristietības laikos. Dzelzs apstrāde Britu salās pirmo reizi nokļuva kontinentālajā Eiropā un Āzijas rietumos 5. gadsimtā pirms mūsu ēras. Toreiz dzelzs tika fiziski atdalīta no nevēlamu materiālu pēc iespējas pilnīgāk, izmantojot tikai kokogles, mālu un pašu rūdu, karsējot līdz temperatūrai, kas bija pieticīga salīdzinājumā ar sekot. Katrā ziņā kausēšana notika 1500. gadā p.m.ē., bet gandrīz 30 gadsimtus vēlāk, 1400. gados, domnas tika izdomātas, radikāli un uz visiem laikiem mainot "rūpniecību" (tādu, kāda tā bija).
Mūsdienās dzelzi ražo, apsildot hematītu vai magnetītu domnā, kā arī oglekļa formu, ko sauc par "koksu", kā arī kalcija karbonātu (CaCO3), labāk pazīstams kā kaļķakmens. Tādējādi iegūst savienojumu, kas satur apmēram 3 procentus oglekļa un citus netiklus līdzekļus - pēc kvalitātes nav ideāls, bet pietiekami labs tērauda ražošanai. Katru gadu visā pasaulē tiek saražoti aptuveni 1,3 miljardi metrisko tonnu (aptuveni 1,43 miljardi ASV tonnu jeb gandrīz 3 triljoni mārciņu) neapstrādāta tērauda.
Kur radās dzelzs?
No kurienes dzelzs jūsu nerūsējošā tērauda trauku mazgājamajā mašīnā vai jūsu malkas krāsnī "nāk", iespējams, ir daudz mazāk interesants jautājums nekā tas, kā dzelzs vispār pastāvēja jebkur Visumā. Dzelzs tiek uzskatīts par smagu elementu, un šāda veida elementus var izveidot tikai katastrofālos "zvaigžņu nāves" notikumos, kurus sauc par supernovām. Lai gan lielākā daļa zvaigžņu izplūst, degot ūdeņraža degvielai, dažas zvaigznes burtiski izdziest ar sprādzienu.
Tie ir statistiski reti gadījumi, kas visā apjomā notiek tikai dažas reizes simts gados visas Piena Ceļa galaktikas, masveidā lēnām rotējošo zvaigžņu un citu cilvēku kaudzi sauc cilvēki mājas. Bet tie ir arī vitāli svarīgi. Bez tiem nepastāvētu spēki, kas nepieciešami, lai izraisītu lielu mazāku elementu sadursmi un radītu vēl lielākus elementus, piemēram, dzelzi, varu, dzīvsudrabu, zeltu, jodu un svinu. Un visu laiku noteikta šo elementu daļa ceļo lielos attālumos caur kosmosu un apmetas uz Zemes, dažkārt meteorīta triecienu veidā.
Kā elementi veidojas dabā?
Tiek uzskatīts, ka dzelzs atspoguļo aptuveno nogriešanas punktu attiecībā uz elementiem, kurus var radīt parastais zvaigžņu sadedzināšanas procesi (it kā šie procesi paši kaut kādā veidā būtu patiesi "parastie") un tie, kurus var tikai radīt ar supernovām.
Lielākā daļa elementu - skābeklis, atoma skaitlis 8, bet, iespējams, neieskaitot dzelzi, atomu skaitlis 26 - tiek izgatavoti, tiklīdz zvaigzne sāk izsmelt ūdeņraža piegādi. Zvaigzne "deg" tāpēc, ka tā pastāvīgi notiek neskaitāmas kodolsintēzes reakcijas ar ūdeņradi, visvieglākais elements (1. atoma skaitlis), saduroties ar citiem ūdeņraža atomiem, veido hēliju (atoma skaitlis 2). Galu galā zvaigznes iekšējā daļā hēlija atomi saduras grupās, veidojot oglekli (atomu skaitlis 6).
Dzelzs cilvēka ķermenī
Jūs droši vien atzīstat, ka dzelzs ir būtiska cilvēka uzturā, pamatojoties tikai uz reklāmas apgalvojumiem pārtikas ražotāji ("Šī labība satur 100 procentus no ASV ieteiktās dienas devas dzelzs! "). Jūs, iespējams, nezināt, kāpēc tas tā ir.
Kā izrādās, tipiskā cilvēka ķermenī ir apmēram 4 grami elementārā dzelzs. Tas, iespējams, neizklausās pēc daudz, bet kāpēc jūsu ķermenim vispār būtu vajadzīgs kāds metāls? Faktiski dzelzs ir būtiska hemoglobīna daļa, skābekli saistošs proteīns, kas atrodams sarkanajās asins šūnās (RBC). RBC transportē skābekli no plaušām uz audiem, kur to izmantojām šūnu elpošanā.
Kad cilvēkiem nepietiekama uztura dēļ rodas dzelzs deficīts (dzelzs ir atrodams gaļā, īpaši orgānu gaļa, kā arī daži graudi) vai sistēmiskas slimības, to RBC nevar darīt darbu pareizi. Šajā stāvoklī, ko sauc par anēmiju, cilvēkiem pēc nelielas piepūles rodas elpas trūkums, un viņi bieži cieš no noguruma, galvassāpēm un vispārēja nespēka. Smagos gadījumos anēmijas labošanai var būt nepieciešama asins pārliešana, lai gan parasti korekcija tiek veikta, papildinot ar dzelzi saturošām tabletēm un šķidrumiem.
