Hvor kommer jern fra eller hvordan lages det?

Når du tenker på opprinnelsen til jern, vandrer tankene dine sannsynligvis inn i visjoner om stålverk i middelalderen smier eller annen produksjonsprosess preget av hardt, praktisk arbeid og veldig høyt temperaturer. Men bortsett fra å være en type metall som brukes på forskjellige måter i menneskelig industri, er jern som et element, ikke en forbindelse eller legering, noe som betyr at det er mulig å isolere et enkelt jernatom. Dette gjelder ikke de mest kjente materialene; for eksempel inkluderer den minste mengden vann enn det som fremdeles kan kalles vann, tre atomer, et av dem oksygen og det andre to hydrogen.

Interessant, selv om folk forbinder jern med uvanlig høye temperaturer i produksjonsinnstillinger her på Jorden, jern som element, skylder eksistensen til begivenheter så varme og så langt unna at tallene som er involvert knapt gjør føle. Derfor krever to parallelle prosesser å undersøke hvordan jern lages: Å utforske hvordan jern ble til og hvordan den nådde jorden, og hvordan mennesker på jorden lager og bruker jern til både daglige og spesialiserte aktiviteter. Disse emnene inviterer igjen til diskusjon om bruk av jern i og av levende systemer og et generelt blikk på hvordan de forskjellige elementene både har sin opprinnelse og spres gjennom kosmos.

Jern har vært kjent for menneskeheten siden omkring 3500 f.Kr., eller for over 5500 år siden. Navnet er hentet fra den angelsaksiske versjonen, som var "iren". Det periodiske jernsymbolet Fe kommer fra det latinske ordet for jern, som er ferrum. Hvis du leser på et apotek og tilfeldigvis ser jerntilskudd, vil du legge merke til at de fleste av navnene deres er "jernholdige" noe eller annet (som sulfat eller glukonat). Hver gang du ser ordet "jern" eller "jern" i kjemisk sammenheng, bør du umiddelbart innse at jern blir diskutert; "ironisk", selv om det er et fantastisk og nyttig ord, har ingen rolle i fysikkens verden.

Jern (forkortet Fe) er klassifisert som et metall ikke bare til hverdagsformål, men også på elementets periodiske system (se Ressurser for et interaktivt eksempel). Dette kommer sannsynligvis ikke som litt overraskelse, men faktisk overstiger metaller ikke-metaller i naturen med stor margin; av de 113 elementene mennesker har oppdaget eller opprettet i laboratorieinnstillinger, er 88 klassifisert som metaller.

Atomer består, som du kanskje allerede vet, av en kjerne som inneholder en blanding av protoner og nøytroner med omtrent lik masse, omgitt av en "sky" av nesten masseløse elektroner. Protoner og elektroner har en ladning av samme størrelse, men protonens ladning er positiv mens den for elektroner er negativ. Jernets atomnummer er 26, noe som betyr at jern har 26 protoner og 26 elektroner i sin elektrisk nøytrale tilstand. Atommassen, som når den er avrundet, bare er summen eller protoner og nøytroner, er bare sjenert av 56 gram per mol, noe som betyr at dens mest kjemisk stabile form inneholder (56 - 26) = 30 nøytroner.

Jern har noen formidable fysiske egenskaper. Den har en tetthet på 7,87 g / cm³, noe som gjør den nesten åtte ganger så tett som vann. (Tetthet er masse per volumsenhet; vann er definert som 1,0 g / cm³ etter konvensjon.) Jern er et fast stoff ved 20 grader Celsius, generelt betraktet som "romtemperatur" for kjemiske formål. Smeltepunktet er ekstremt høyt 1538 ° C, mens kokepunktet - det vil si temperaturen der flytende jern begynner å fordampe og blir gass - er en brennende 2861 ° C (5182 ° F). Det er derfor ikke så rart at de typer ovner som brukes, i metallbearbeiding må være utrolig kraftige.

Jern er i masse det fjerde mest utbredte elementet i jordskorpen. Jernens totale andel av jorden kan imidlertid være betydelig større, gitt at planetens smeltede kjerne antas å bestå hovedsakelig av flytende jern, nikkel og svovel. Når jern utvinnes fra bakken i gruvedrift, er det i form av malm, som er elementært jern blandet med en eller flere bergarter. Den vanligste typen jernmalm er hematitt, men magnetitt og taconitt er også viktige kilder til dette metallet.

Jern rust, eller korroderer, veldig enkelt sammenlignet med andre metaller. Dette skaper problemer for ingeniører, for tiden inneholder ni tideler av metallet som er raffinert jern.

Det meste av jernet som er utvunnet for menneskelig bruk, vinder opp i form av stål. "Stål" er en legering, som betyr en blanding av metaller. En populær form av dette produktet i dag kalles karbonstål, noe som er misvisende fordi karbon bare bidrar med en liten brøkdel av massen av dette stålet i alle dets former. I den høyeste karbonformen av karbonstål utgjør karbon omtrent 2 prosent av massen av metallet; denne figuren kan variere ned til 1/10 av 1 prosent uten at metallet mister tittelen "karbonstål."

Karbonstål kan igjen bli forfalsket strategisk med andre metaller for å gi legeringer med visse ønskelige egenskaper. Rustfritt stål er for eksempel en form for karbonstål som har en betydelig mengde krom - over 10 prosentprosent. Dette materialet er kjent for sin holdbarhet og sin tendens til å opprettholde sitt skinnende, skinnende utseende i lange perioder på grunn av dets høye motstandsdyktighet mot korrosjon. Rustfritt stål er fremtredende innen arkitektur, kulelager, kirurgiske instrumenter og servise. Sjansen er god for at hvis du kan se refleksjonen din tydelig i en ren metalloverflate, ser du på en slags rustfritt stål.

Når fornuftige mengder metaller som nikkel, vanadium, wolfram og mangan er integrert i stål, gjør det en allerede hard substans enda vanskeligere; disse legeringsstålene er derfor godt egnet for inkludering i broer, skjæreinstrumenter og elektriske nettkomponenter.

En jernstål som ikke er av stål, kalt støpejern, inneholder mye karbon (i det minste standarder for jernbearbeiding): 3 til 5 prosent. Støpejern er ikke så tøft som stål, men det er betydelig billigere, så når man går fra stål til støpe jern, gjør du den samme generelle avveien du gjør når du går fra prime rib til 70 prosent mager hamburger.

Jern på jorden er laget, eller mer riktig ekstrahert, av jernmalm. "Rock" -delen av jernmalm inneholder oksygen, sand og leire i varierende mengder avhengig av malmtypen. Jobben til et jernverk, som de tidligste slike fabrikker ble kalt, er å fjerne så mye av steinen og annet grus som mulig mens du etterlater jern - litt annerledes i prinsippet fra å beskjære en peanøtt eller skrelle en appelsin for å komme til den gode delen, bortsett fra at når det gjelder jernmalm, er jernet ikke bare omgitt av engangsbruk materiale; det blandes rett inn i det.

Til tross for de skremmende temperaturene og de generelle fysiske utfordringene ved jernverk, brukte mennesker dem allerede i førkristen tid. Jernarbeid nådde først de britiske øyer gjennom fastlands-Europa og Vest-Asia i det 5. århundre f.Kr. Den gang ble jern fysisk skilt fra uønsket materiale i størst mulig grad ved bruk av bare kull, leire og malmen, oppvarmet til temperaturer som var beskjedne sammenlignet med hva som Følg. I hvert fall var smelting i gang 1500 f.Kr., men nesten 30 århundrer senere, på 1400-tallet, ble masovnen oppfunnet og endret "industrien" (som den var) radikalt og for alltid.

I dag lages jern ved å varme opp hematitt eller magnetitt i en masovn sammen med en form for karbon som kalles "koks" samt kalsiumkarbonat (CaCO₃), bedre kjent som kalkstein. Dette gir en forbindelse som inneholder omtrent 3 prosent karbon og andre forfalskningsmidler - ikke ideell i kvalitet, men god nok til å lage stål. Hvert år produseres omtrent 1,3 milliarder tonn (omtrent 1,43 milliarder amerikanske tonn, eller nesten 3 billioner pund) råstål rundt om i verden.

Hvor strykejernet i oppvaskmaskinen i rustfritt stål eller vedovnen din "kommer fra" er kanskje et langt mindre interessant spørsmål enn hvordan jern i utgangspunktet fantes hvor som helst i universet. Jern betraktes som et tungt element, og elementer av denne typen kan bare opprettes i katastrofale "stjernedød" -hendelser kalt supernovaer. Mens de fleste stjerner spruter ut når de brenner gjennom drivstofftilførselen av hydrogen, går noen stjerner bokstavelig talt ut med et smell.

Dette er statistisk sjeldne hendelser, som bare forekommer noen få ganger hvert hundre år gjennom hele omfanget av hele Melkeveiens galakse, den enorme, langsomt roterende bunken av stjerner og andre materier mennesker kaller hjem. Men de er også veldig viktige. Uten dem ville ikke kreftene som var nødvendige for å få store mindre elementer til å smelte sammen ved støt og skape enda større elementer som jern, kobber, kvikksølv, gull, jod og bly. Og hele tiden reiser en viss brøkdel av disse elementene lange avstander gjennom rommet og legger seg på jorden, noen ganger i form av meteorittangrep.

Det antas at jern representerer det omtrentlige avskjæringspunktet når det gjelder elementer som kan genereres av vanlig stjerneforbrenningsprosesser (som om disse prosessene i seg selv virkelig er "vanlige" på noen måte) og de som bare kan opprettes av supernovae.

De fleste grunnstoffer - oksygen, atomnummer 8, gjennom men sannsynligvis ikke inkludert jern, atomnummer 26 - er laget når en stjerne begynner å tømme ut hydrogentilførselen. Årsaken til at en stjerne "brenner" er at den kontinuerlig gjennomgår utallige fusjonsreaksjoner, med hydrogen, det letteste elementet (atomnummer 1) som kolliderer med andre hydrogenatomer for å danne helium (atomnummer 2). Til slutt, i den innerste delen av stjernen, kolliderer heliumatomer i grupper for å danne karbon (atomnummer 6).

Du anerkjenner sannsynligvis jern som viktig i det menneskelige kostholdet, bare basert på reklamekrav fra matprodusenter ("Denne frokostblandingen inneholder 100 prosent av USAs anbefalte daglige inntak av jern!"). Du vet kanskje ikke hvorfor dette er.

Som det viser seg, inneholder den typiske menneskekroppen ca 4 gram elementært jern. Det høres kanskje ikke så mye ut, men hvorfor trenger kroppen din noe metall i det overhodet? Faktisk er jern en viktig del av hemoglobin, det oksygenbindende proteinet som finnes i røde blodlegemer (RBC). RBC transporterer oksygen fra lungene til vevet, hvor det brukes i cellulær respirasjon.

Når folk blir mangelfulle i jern takket være utilstrekkelig inntak av kosthold (jern finnes i kjøtt, spesielt organkjøtt, så vel som visse korn) eller systemiske sykdomstilstander, kan deres RBC ikke gjøre det jobben ordentlig. I denne tilstanden, kalt anemi, blir folk kortpustet etter en liten anstrengelse, og lider ofte av tretthet, hodepine og generell svakhet. I alvorlige tilfeller kan det være nødvendig med blodtransfusjon for å korrigere anemi, selv om det vanligvis gjøres en korreksjon ved å bruke tilskudd med jernholdige piller og væsker.