Als je nadenkt over de oorsprong van ijzer, dwalen je gedachten waarschijnlijk af naar visioenen van staalfabrieken uit de middeleeuwen smederijen of een ander productieproces dat wordt gekenmerkt door hard, hands-on werk en zeer hoge temperaturen. Maar behalve dat het een soort metaal is dat op verschillende manieren in de menselijke industrie wordt gebruikt, is ijzer ook een element, geen verbinding of legering, wat betekent dat het mogelijk is om een enkel ijzeratoom te isoleren. Dit geldt niet voor de meeste bekende materialen; de kleinste hoeveelheid water die nog water kan worden genoemd, bevat bijvoorbeeld drie atomen, één zuurstof en de andere twee waterstof.
Interessant, hoewel mensen hier ijzer associëren met ongewoon hoge temperaturen in productieomgevingen settings Aarde, ijzer als element dankt zijn bestaan aan gebeurtenissen die zo heet en zo ver weg zijn dat de betrokken aantallen nauwelijks kloppen zin. Om te onderzoeken hoe ijzer wordt gemaakt, zijn dus twee parallelle processen nodig: onderzoeken hoe ijzer is ontstaan en hoe het de aarde bereikte, en hoe mensen op aarde ijzer maken en gebruiken voor zowel dagelijks als gespecialiseerd activiteiten. Deze onderwerpen nodigen op hun beurt uit tot discussie over het gebruik van ijzer in en door levende systemen en een algemene blik op hoe de verschillende elementen zowel ontstaan als zich verspreiden door de kosmos.
Een korte geschiedenis van ijzer
IJzer is bij de mensheid bekend sinds ongeveer 3500 voor Christus, of meer dan 5500 jaar geleden. De naam is afgeleid van de Angelsaksische versie, die 'iren' was. Het ijzersymbool Fe uit het periodiek systeem komt van het Latijnse woord voor ijzer, dat ferrum is. Als je een apotheek bekijkt en toevallig ijzersupplementen ziet, zul je merken dat de meeste van hun namen "ijzerhoudend" zijn (zoals sulfaat of gluconaat). Telkens wanneer u het woord "ferro" of "ferric" in een scheikundige context ziet, moet u onmiddellijk herkennen dat er over ijzer wordt gesproken; 'ironisch', hoewel een prachtig en nuttig woord, speelt geen rol in de wereld van de natuurwetenschap.
Chemische feiten over ijzer
IJzer (afgekort Fe) is geclassificeerd als een metaal, niet alleen voor alledaagse doeleinden, maar ook in het periodiek systeem der elementen (zie bronnen voor een interactief voorbeeld). Dit komt waarschijnlijk niet als een verrassing, maar in feite overtreffen metalen in de natuur ruimschoots de niet-metalen; van de 113 elementen die mensen hebben ontdekt of gecreëerd in laboratoriumomgevingen, zijn er 88 geclassificeerd als metalen.
Atomen bestaan, zoals je misschien al weet, uit een kern die een mengsel van protonen en neutronen van ongeveer gelijke massa bevat, omringd door een "wolk" van bijna massaloze elektronen. Protonen en elektronen dragen een lading van gelijke grootte, maar de lading van protonen is positief, terwijl die van elektronen negatief is. Het atoomnummer van ijzer is 26, wat betekent dat ijzer 26 protonen en 26 elektronen heeft in zijn elektrisch neutrale toestand. Zijn atomaire massa, die afgerond is simpelweg de som van protonen en neutronen, is slechts 56 gram per mol, wat betekent dat de chemisch meest stabiele vorm (56 - 26) = 30 neutronen bevat.
IJzer heeft een aantal formidabele fysieke eigenschappen. Het heeft een dichtheid van 7,87 g/cm3, waardoor het bijna acht keer zo dicht is als water. (Dichtheid is massa per volume-eenheid; water is gedefinieerd als 1,0 g/cm3 volgens afspraak.) IJzer is een vaste stof bij 20 graden Celsius (68 F), over het algemeen beschouwd als "kamertemperatuur" voor chemische doeleinden. Het smeltpunt is een extreem hoge 1538 C (2800 F), terwijl het kookpunt - dat wil zeggen de temperatuur waarbij vloeibaar ijzer begint te verdampen en gas wordt - een verzengende 2861 C (5182 F) is. Het is dan ook geen wonder dat in de metaalbewerking de soorten ovens die worden gebruikt inderdaad buitengewoon krachtig moeten zijn.
IJzer is in massa het op drie na meest voorkomende element in de aardkorst. Het totale aandeel van ijzer in de aarde kan echter aanzienlijk groter zijn, aangezien wordt aangenomen dat de gesmolten kern van de planeet voornamelijk uit vloeibaar ijzer, nikkel en zwavel bestaat. Wanneer ijzer bij mijnbouwactiviteiten uit de grond wordt gewonnen, is het in de vorm van erts, dit is elementair ijzer vermengd met een of meer soorten gesteente. Het meest voorkomende type ijzererts is hematiet, maar magnetiet en taconiet zijn ook belangrijke bronnen van dit metaal.
IJzer roest of corrodeert heel gemakkelijk in vergelijking met andere metalen. Dit levert problemen op voor ingenieurs, omdat momenteel negen tiende van het metaal dat wordt geraffineerd ijzer bevat.
Gebruik van ijzer
Het meeste ijzer dat voor menselijk gebruik wordt gewonnen, komt terecht in de vorm van staal. "Staal" is een legering, wat een mengsel van metalen betekent. Een populaire vorm van dit product wordt tegenwoordig koolstofstaal genoemd, wat enigszins misleidend is omdat koolstof slechts een klein deel uitmaakt van de massa van dit staal in al zijn vormen. In de koolstofstaal met het hoogste koolstofgehalte is koolstof ongeveer 2 procent van de massa van het metaal; dit cijfer kan oplopen tot 1/10e van 1 procent zonder dat het metaal de titel 'koolstofstaal' verliest.
Koolstofstaal kan op zijn beurt strategisch worden vermengd met andere metalen om legeringen op te leveren met bepaalde gewenste eigenschappen. Roestvrij staal is bijvoorbeeld een vorm van koolstofstaal die een aanzienlijke hoeveelheid chroom bevat - meer dan 10 massaprocent. Dit materiaal staat bekend om zijn duurzaamheid en zijn neiging om zijn glanzende, glanzende uiterlijk gedurende lange tijd te behouden dankzij zijn hoge weerstand tegen corrosie. Roestvrij staal is prominent aanwezig in de architectuur, kogellagers, chirurgische instrumenten en serviesgoed. De kans is groot dat als je je reflectie duidelijk kunt zien in een puur metalen oppervlak, je naar een soort roestvrij staal kijkt.
Wanneer oordeelkundige hoeveelheden metalen zoals nikkel, vanadium, wolfraam en mangaan in staal worden geïntegreerd, wordt een toch al harde substantie nog harder; deze gelegeerde staalsoorten zijn daarom zeer geschikt voor opname in bruggen, snij-instrumenten en elektrische netcomponenten.
Een niet-stalen type ijzer dat gietijzer wordt genoemd, bevat veel koolstof (althans volgens de normen van ijzerbewerking): 3 tot 5 procent. Gietijzer is niet zo taai als staal, maar het is aanzienlijk goedkoper, dus bij het overstappen van staal naar gegoten ijzer, maak je dezelfde algemene afweging als wanneer je van prime rib naar 70 procent mager gaat Hamburger.
Hoe wordt ijzer gemaakt?
IJzer op aarde wordt gemaakt, of beter gezegd, gewonnen uit ijzererts. Het "gesteente" gedeelte van ijzererts bevat zuurstof, zand en klei in verschillende hoeveelheden, afhankelijk van het type erts. De taak van een ijzerfabriek, zoals de vroegste fabrieken werden genoemd, is om zoveel mogelijk van het gesteente en ander gruis te verwijderen terwijl het ijzer achterblijft - weinig anders in principe van het pellen van een pinda of het pellen van een sinaasappel om bij het goede deel te komen, behalve dat in het geval van ijzererts het ijzer niet alleen omgeven is door wegwerpartikelen materiaal; het is er precies mee vermengd.
Ondanks de ontmoedigende temperaturen en de algemene fysieke uitdagingen van ijzerfabrieken, gebruikten mensen ze al in voorchristelijke tijden. IJzerbewerking bereikte voor het eerst de Britse eilanden via het vasteland van Europa en West-Azië in de 5e eeuw voor Christus. Destijds was ijzer fysiek gescheiden van de ongewenst materiaal zoveel mogelijk met alleen houtskool, klei en het erts zelf, verwarmd tot temperaturen die bescheiden waren in vergelijking met wat zou volgen. In ieder geval was het smelten aan de gang tegen 1500 voor Christus, maar bijna 30 eeuwen later, in de jaren 1400, werd de hoogoven uitgevonden, waardoor de "industrie" (zoals die was) radicaal en voor altijd veranderde.
Tegenwoordig wordt ijzer gemaakt door hematiet of magnetiet in een hoogoven te verhitten, samen met een vorm van koolstof die "cokes" wordt genoemd, evenals calciumcarbonaat (CaCO3), beter bekend als kalksteen. Dit levert een verbinding op die ongeveer 3 procent koolstof en andere vervalsers bevat - niet ideaal van kwaliteit, maar goed genoeg om staal te maken. Elk jaar wordt over de hele wereld ongeveer 1,3 miljard ton (ongeveer 1,43 miljard Amerikaanse ton, of bijna 3 biljoen pond) ruw staal geproduceerd.
Waar kwam ijzer vandaan?
Waar het ijzer in je roestvrijstalen vaatwasser of je houtkachel "vandaan komt" is misschien een veel minder interessante vraag dan hoe ijzer überhaupt ergens in het universum is ontstaan. IJzer wordt als een zwaar element beschouwd en elementen van dit type kunnen alleen worden gecreëerd in catastrofale "sterdood"-gebeurtenissen die supernova's worden genoemd. Terwijl de meeste sterren uitsterven als ze door hun brandstofvoorraad waterstof verbranden, gaan sommige sterren letterlijk met een knal uit.
Dit zijn statistisch zeldzame gebeurtenissen, die zich in de hele omvang slechts een paar keer per honderd jaar voordoen van het hele Melkwegstelsel, de enorme langzaam roterende stapel sterren en andere materie die mensen noemen huis. Maar ze zijn ook van levensbelang. Zonder hen zouden de krachten die nodig zijn om aanzienlijk kleinere elementen bij een botsing te laten samensmelten en nog grotere elementen zoals ijzer, koper, kwik, goud, jodium en lood te creëren, niet bestaan. En de hele tijd reist een bepaald deel van deze elementen lange afstanden door de ruimte en vestigt zich op aarde, soms in de vorm van meteorietinslagen.
Hoe worden elementen in de natuur gevormd?
Er wordt aangenomen dat ijzer het geschatte afkappunt vertegenwoordigt in termen van elementen die kunnen worden gegenereerd door gewone sterverbrandingsprocessen (alsof deze processen zelf op een of andere manier echt "gewoon" zijn) en processen die alleen kunnen worden gecreëerd door supernova's.
De meeste elementen - zuurstof, atoomnummer 8, door maar waarschijnlijk niet inclusief ijzer, atoomnummer 26 - worden gemaakt zodra een ster zijn waterstofvoorraad begint uit te putten. De reden dat een ster "brandt" is dat hij voortdurend talloze fusiereacties ondergaat, met waterstof, het lichtste element (atoomnummer 1) dat botst met andere waterstofatomen om helium te vormen (atoomnummer) 2). Uiteindelijk botsen heliumatomen in het binnenste deel van de ster in groepen om koolstof te vormen (atoomnummer 6).
IJzer in het menselijk lichaam
U herkent ijzer waarschijnlijk als essentieel in het menselijke dieet, uitsluitend gebaseerd op reclameclaims van: voedselproducenten ("Dit graan bevat 100 procent van de in de VS aanbevolen dagelijkse hoeveelheid van" ijzer!"). U weet misschien niet waarom dit is, echter.
Het blijkt dat het typische menselijk lichaam ongeveer 4 gram elementair ijzer bevat. Dat klinkt misschien niet zo veel, maar waarom zou je lichaam er metaal in nodig hebben? IJzer is zelfs een essentieel onderdeel van hemoglobine, het zuurstofbindende eiwit dat wordt aangetroffen in rode bloedcellen (RBC). RBC's transporteren zuurstof van de longen naar de weefsels, waar het wordt gebruikt bij de cellulaire ademhaling.
Wanneer mensen een ijzertekort krijgen door onvoldoende inname via de voeding (ijzer wordt gevonden in vlees, met name orgaanvlees, evenals bepaalde granen) of systemische ziektetoestanden, kunnen hun rode bloedcellen hun baan naar behoren. Bij deze aandoening, bloedarmoede genaamd, worden mensen kortademig na een bescheiden hoeveelheid inspanning en hebben ze vaak last van vermoeidheid, hoofdpijn en algemene zwakte. In ernstige gevallen kan een bloedtransfusie nodig zijn om de bloedarmoede te corrigeren, hoewel de correctie meestal wordt uitgevoerd met behulp van suppletie met ijzerbevattende pillen en vloeistoffen.