Când te gândești la originea fierului, mintea ta rătăcește probabil în viziunile fabricilor de oțel, din epoca medievală forje sau un alt proces de fabricație caracterizat printr-o muncă grea, practică și foarte ridicată temperaturile. Dar, în afară de a fi un tip de metal utilizat în diferite moduri în industria umană, fierul este, de asemenea, un element, nu un compus sau aliaj, ceea ce înseamnă că este posibil să se izoleze un singur atom de fier. Acest lucru nu este valabil pentru majoritatea materialelor familiare; de exemplu, cea mai mică cantitate de apă decât poate fi încă numită apă include trei atomi, unul dintre ei oxigen și ceilalți doi hidrogen.
Interesant, deși oamenii asociază fierul cu temperaturi neobișnuit de ridicate în fabricile de aici Pământul, fierul ca element își datorează existența unor evenimente atât de fierbinți și atât de îndepărtate încât numerele implicate abia se produc sens. Astfel, efectuarea unui studiu al modului în care se fabrică fierul necesită două procese paralele: Explorarea modului în care a ajuns să fie fierul și modul în care a ajuns pe Pământ și modul în care oamenii de pe Pământ produc și folosesc fierul de zi cu zi, precum și specializat Activități. La rândul lor, aceste subiecte invită la discuții cu privire la utilizarea fierului în și prin sistemele vii și la o privire generală asupra modului în care diferitele elemente își au originea și se răspândesc în cosmos.
O scurtă istorie a fierului
Fierul a fost cunoscut de omenire de la aproximativ 3500 î.Hr., sau cu peste 5.500 de ani în urmă. Numele său este derivat din versiunea anglo-saxonă, care era „iren”. Simbolul de fier al tabelului periodic Fe provine din cuvântul latin pentru fier, care este ferrum. Dacă parcurgeți o farmacie și se întâmplă să vedeți suplimente de fier, veți observa că cele mai multe dintre numele lor sunt „feroase” sau altceva (cum ar fi sulfatul sau gluconatul). De fiecare dată când vedeți cuvântul „feros” sau „feric” într-un context chimic, ar trebui să recunoașteți imediat că se discută despre fier; „ironic”, deși un cuvânt splendid și util, nu are niciun rol în lumea științei fizice.
Fapte chimice despre fier
Fierul (prescurtat Fe) este clasificat ca metal nu numai în scopuri cotidiene, ci și pe tabelul periodic al elementelor (a se vedea Resurse pentru un exemplu interactiv). Probabil că acest lucru este puțin surprinzător, dar, de fapt, metalele depășesc numărul nemetalelor din natură cu o marjă largă; din cele 113 elemente pe care oamenii le-au descoperit sau le-au creat în medii de laborator, 88 sunt clasificate ca metale.
Atomii, după cum știți deja, constau dintr-un nucleu care conține un amestec de protoni și neutroni cu o masă aproximativ egală, înconjurat de un „nor” de electroni aproape fără masă. Protonii și electronii au o sarcină de aceeași magnitudine, dar sarcina protonilor este pozitivă, în timp ce cea a electronilor este negativă. Numărul atomic al fierului este 26, ceea ce înseamnă că fierul are 26 de protoni și 26 de electroni în starea sa neutră din punct de vedere electric. Masa sa atomică, care atunci când este rotunjită este pur și simplu suma sau protonii și neutronii, este doar timidă de 56 de grame pe mol, ceea ce înseamnă că forma sa cea mai stabilă chimic conține (56 - 26) = 30 de neutroni.
Fierul posedă unele proprietăți fizice formidabile. Are o densitate de 7,87 g / cm3, făcându-l de aproape opt ori mai dens decât apa. (Densitatea este masa pe unitate de volum; apa este definită ca 1,0 g / cm3 prin convenție.) Fierul este un solid la 20 grade Celsius (68 F), considerat în general „temperatura camerei” în scopuri chimice. Punctul său de topire este de 1538 C (2800 F) extrem de ridicat, în timp ce punctul său de fierbere - adică temperatura la care fierul lichid începe să se evapore și să devină gaz - este un ars de 2861 C (5182 F). Nu este de mirare, deci, că în prelucrarea metalelor, tipurile de cuptoare utilizate trebuie să fie într-adevăr extraordinar de puternice.
Fierul, în masă, este al patrulea element din abundență în scoarța Pământului. Ponderea totală a fierului în Pământ poate fi însă mult mai mare, având în vedere că se crede că miezul topit al planetei constă în principal din fier lichefiat, nichel și sulf. Când fierul este extras din sol în operațiunile miniere, acesta este sub formă de minereu, care este fier elementar amestecat cu unul sau mai multe tipuri de roci. Cel mai comun tip de minereu de fier este hematitul, dar magnetitul și taconitul sunt, de asemenea, surse semnificative ale acestui metal.
Fierul ruginește sau se corodează foarte ușor în comparație cu alte metale. Acest lucru creează probleme inginerilor, deoarece în prezent, nouă zecimi din metalul rafinat include fierul.
Utilizări ale fierului
Majoritatea fierului extras pentru uz uman se termină sub formă de oțel. „Oțelul” este un aliaj, adică un amestec de metale. O formă populară a acestui produs astăzi se numește oțel carbon, care este oarecum înșelător, deoarece carbonul contribuie doar cu o mică parte din masa acestui oțel sub toate formele sale. În forma de oțel carbon cu cel mai mare nivel de carbon, carbonul reprezintă aproximativ 2% din masa metalului; această cifră poate varia până la 1/10 din 1 la sută fără ca metalul să piardă titlul de „oțel carbon”.
La rândul său, oțelul carbon poate fi adulterat strategic cu alte metale pentru a produce aliaje cu anumite proprietăți dorite. Oțelul inoxidabil, de exemplu, este o formă de oțel carbon care are o cantitate semnificativă de crom - peste 10% din masă. Acest material este renumit pentru durabilitatea și tendința sa de a-și menține aspectul strălucitor și strălucitor pentru perioade lungi de timp datorită rezistenței sale ridicate la coroziune. Oțelul inoxidabil are un rol important în arhitectură, rulmenți cu bile, instrumente chirurgicale și veselă. Sunt mari șanse ca, dacă vă puteți vedea clar reflexia pe o suprafață pur metalică, vă uitați la un fel de oțel inoxidabil.
Când cantitățile judicioase de metale precum nichelul, vanadiul, tungstenul și manganul sunt integrate în oțel, acesta face ca o substanță deja dură să devină și mai dură; aceste oțeluri aliate sunt, prin urmare, potrivite pentru includerea în poduri, instrumente de tăiere și componente ale rețelei electrice.
Un tip de fier non-oțel numit fontă include o cantitate mare de carbon (cel puțin conform standardelor de prelucrare a metalelor din fier): între 3 și 5%. Fonta nu este la fel de dură ca oțelul, dar este considerabil mai ieftină, deci atunci când se trece de la oțel la turnat fier, faceți același compromis general pe care îl faceți atunci când treceți de la coasta primară la 70% slab hamburger.
Cum se face fierul?
Fierul de pe Pământ este fabricat, sau mai corect extras, din minereu de fier. Porțiunea „rocă” a minereului de fier conține oxigen, nisipuri și argile în cantități diferite, în funcție de tipul de minereu. Slujba unei fabrici de fier, așa cum s-au numit cele mai vechi fabrici de acest gen, este de a îndepărta cât mai mult din piatră și alte granule, lăsând în urmă fierul - puțin diferit în principiu, din decojirea unei arahide sau decojirea unei portocale pentru a ajunge la partea bună, cu excepția faptului că, în cazul minereului de fier, fierul nu este doar înconjurat de unică folosință material; este amestecat chiar cu el.
În ciuda temperaturilor descurajante și a provocărilor fizice generale ale lucrărilor de fier, oamenii le foloseau deja în timpurile precreștine. Prelucrarea fierului a ajuns mai întâi în Insulele Britanice prin Europa continentală și Asia de Vest în secolul al V-lea î.e.n. Pe atunci, fierul era separat fizic de material nedorit, pe cât posibil, folosind doar cărbune, argilă și minereul în sine, încălzit la temperaturi modeste în comparație cu ceea ce ar urma. În orice caz, topirea era în curs de desfășurare până în 1500 î.e.n., dar aproape 30 de secole mai târziu, în anii 1400, s-a inventat furnalul, schimbând „industria” (așa cum a fost) radical și pentru totdeauna.
Astăzi, fierul se produce încălzind hematitul sau magnetitul într-un furnal, împreună cu o formă de carbon numită „cocs”, precum și carbonat de calciu (CaCO3), mai cunoscut sub numele de calcar. Acest lucru produce un compus care conține aproximativ 3% carbon și alți adulteranți - nu este ideal ca calitate, dar suficient de bun pentru a produce oțel. În fiecare an, aproximativ 1,3 miliarde de tone metrice (aproximativ 1,43 miliarde de tone americane, sau aproape 3 trilioane de lire sterline) de oțel brut sunt produse pe tot globul.
De unde a venit fierul?
De unde „provine” fierul din mașina de spălat vase din oțel inoxidabil sau aragazul cu lemne este probabil o întrebare mult mai puțin interesantă decât cum a apărut fierul oriunde în univers. Fierul este considerat un element greu, iar elementele de acest tip pot fi create doar în evenimente catastrofale de „moarte stelară” numite supernove. În timp ce majoritatea stelelor scot în aer când ard prin alimentarea cu combustibil a hidrogenului, unele stele se sting literalmente cu o explozie.
Acestea sunt evenimente statistice rare, care apar doar de câteva ori la fiecare sută de ani pe toată durata din întreaga Galaxie a Căii Lactee, teancul masiv de stele care se rotește încet și alte materii pe care oamenii le numesc Acasă. Dar ele sunt, de asemenea, de o importanță vitală. Fără ele, forțele necesare pentru a provoca fuzionarea unor elemente mai mici considerabile la impact și a crea elemente și mai mari, cum ar fi fierul, cuprul, mercurul, aurul, iodul și plumbul, nu ar exista. Și tot timpul, o anumită fracțiune din aceste elemente parcurge distanțe mari prin spațiu și se așează pe Pământ, uneori sub formă de lovituri de meteorit.
Cum se formează elementele în natură?
Se crede că fierul reprezintă punctul de tăiere aproximativ în termeni de elemente care pot fi generate de obișnuit procesele de ardere a stelelor (ca și cum aceste procese în sine ar fi cu adevărat „obișnuite” în vreun fel) și cele care nu pot fi create decât de supernove.
Majoritatea elementelor - oxigen, numărul atomic 8, dar probabil fără a include fierul, numărul atomic 26 - sunt realizate odată ce o stea începe să-și epuizeze alimentarea cu hidrogen. Motivul pentru care o stea „arde” este că suferă în mod constant nenumărate reacții de fuziune, cu hidrogen, cel mai ușor element (numărul atomic 1) care se ciocnește cu alți atomi de hidrogen pentru a forma heliu (numărul atomic 2). În cele din urmă, în partea interioară a stelei, atomii de heliu se ciocnesc în grupuri pentru a forma carbon (numărul atomic 6).
Fierul în corpul uman
Probabil recunoașteți fierul ca fiind esențial în dieta umană, bazat exclusiv pe afirmațiile publicitare ale producători de alimente („Această cereală conține 100% din cantitatea zilnică recomandată în SUA de fier!"). Cu toate acestea, este posibil să nu știți de ce este acest lucru.
După cum se dovedește, corpul uman tipic conține aproximativ 4 grame de fier elementar. S-ar putea să nu pară prea mult, dar de ce ar avea corpul tău nevoie de vreun metal în el? De fapt, fierul este o parte esențială a hemoglobinei, proteina care leagă oxigenul care se găsește în celulele roșii din sânge (RBC). Eritrocitele transportă oxigenul din plămâni către țesuturi, unde ne-a folosit în respirația celulară.
Când oamenii devin deficienți în fier datorită aportului alimentar insuficient (fierul se găsește în carne, în special carnea de organe, precum și anumite boabe) sau stările de boală sistemică, eritrocitele lor nu le pot face locul de muncă în mod corespunzător. În această afecțiune, numită anemie, oamenii devin lipsiți de respirație după o cantitate modestă de efort și adesea suferă de oboseală, dureri de cap și slăbiciune generală. În cazurile severe, poate fi necesară o transfuzie de sânge pentru a corecta anemia, deși corecția se face de obicei folosind suplimentarea cu pastile și lichide care conțin fier.