Когда вы задумываетесь о происхождении железа, ваш разум, вероятно, блуждает в видениях сталелитейных заводов средневековья. кузницы или какой-либо другой производственный процесс, характеризующийся тяжелой ручной работой и очень высокой температуры. Но помимо того, что это тип металла, который по-разному используется в человеческой промышленности, железо также является элементом, а не соединением или сплавом, а это означает, что можно выделить один атом железа. Это не относится к большинству знакомых материалов; например, наименьшее количество воды, которое еще можно назвать водой, включает три атома, один из которых является кислородом, а два других - водородом.
Интересно, что хотя здесь, на производстве, железо ассоциируется с необычно высокими температурами. Земля, железо как элемент, своим существованием обязано событиям, столь горячим и далеким, что их числа едва ли могут смысл. Таким образом, изучение того, как производится железо, требует двух параллельных процессов: Изучение того, как железо возникло. и как оно попало на Землю, и как люди на Земле производят и используют железо для повседневного и специализированного виды деятельности. Эти темы, в свою очередь, предполагают обсуждение использования железа в живых системах и в них, а также общий взгляд на то, как различные элементы возникают и распространяются в космосе.
Краткая история железа
Железо было известно человечеству примерно с 3500 г. до н.э., то есть более 5500 лет назад. Его название происходит от англосаксонской версии, которая была «ирен». Символ железа в таблице Менделеева происходит от латинского слова «железо», которое означает «железо». Если вы просматриваете аптеку и случайно видите добавки с железом, вы заметите, что большинство их названий - это что-то «железное» (например, сульфат или глюконат). Каждый раз, когда вы видите слово «железо» или «трехвалентное железо» в контексте химии, вы должны немедленно признать, что речь идет о железе; «Ирония», хотя и прекрасное и полезное слово, не играет никакой роли в мире физической науки.
Факты о химии железа
Железо (сокращенно Fe) классифицируется как металл не только для повседневного использования, но и в периодической таблице элементов (интерактивный пример см. В разделе «Ресурсы»). Возможно, это не удивительно, но на самом деле количество металлов в природе намного превышает количество неметаллов; из 113 элементов, которые люди обнаружили или создали в лабораторных условиях, 88 классифицируются как металлы.
Атомы, как вы, возможно, уже знаете, состоят из ядра, содержащего смесь протонов и нейтронов примерно равной массы, окруженного «облаком» почти безмассовых электронов. Протоны и электроны несут заряд равной величины, но заряд протонов положительный, а заряд электронов отрицательный. Атомный номер железа 26, что означает, что железо имеет 26 протонов и 26 электронов в электрически нейтральном состоянии. Его атомная масса, которая в округлении представляет собой просто сумму протонов и нейтронов, составляет всего 56 граммов на моль, что означает, что его наиболее химически стабильная форма содержит (56 - 26) = 30 нейтронов.
Железо обладает потрясающими физическими свойствами. Имеет плотность 7,87 г / см.3, что делает его почти в восемь раз плотнее воды. (Плотность - это масса на единицу объема; воды определяется как 1,0 г / см3 по соглашению.) Железо представляет собой твердое вещество при 20 градусах Цельсия (68 F), которое обычно считается «комнатной температурой» для химических целей. Его температура плавления составляет 1538 ° C (2800 F), а температура кипения, то есть температура, при которой жидкое железо начинает испаряться и превращаться в газ, составляет 2861 ° C (5182 F). Поэтому неудивительно, что в металлообработке используемые печи должны быть действительно необычайно мощными.
Железо по массе является четвертым по содержанию элементом в земной коре. Однако общая доля железа на Земле может быть значительно больше, учитывая, что расплавленное ядро планеты, как полагают, состоит в основном из сжиженного железа, никеля и серы. Когда железо извлекается из земли при добыче полезных ископаемых, оно находится в форме руды, которая представляет собой элементарное железо, смешанное с одним или несколькими типами горных пород. Наиболее распространенным типом железной руды является гематит, но магнетит и таконит также являются важными источниками этого металла.
Железо ржавеет или корродирует очень легко по сравнению с другими металлами. Это создает проблемы для инженеров, потому что в настоящее время девять десятых очищаемого металла включает железо.
Использование железа
Большая часть железа, добываемого для использования людьми, оказывается в виде стали. «Сталь» - это сплав, означающий смесь металлов. Популярной формой этого продукта сегодня является углеродистая сталь, что несколько вводит в заблуждение, поскольку углерод составляет лишь небольшую часть массы этой стали во всех ее формах. В углеродистой стали с самым высоким содержанием углерода на углерод приходится около 2 процентов массы металла; эта цифра может составлять до 1/10 от 1 процента, при этом металл не теряет титул «углеродистая сталь».
Углеродистая сталь, в свою очередь, может быть стратегически смешана с другими металлами для получения сплавов с определенными желательными свойствами. Например, нержавеющая сталь - это разновидность углеродистой стали, которая содержит значительное количество хрома - более 10 процентов по массе. Этот материал известен своей долговечностью и тенденцией сохранять свой блестящий блестящий вид в течение длительного времени благодаря своей высокой устойчивости к коррозии. Нержавеющая сталь занимает важное место в архитектуре, шариковых подшипниках, хирургических инструментах и посуде. Скорее всего, если вы четко видите свое отражение на чисто металлической поверхности, значит, вы смотрите на что-то из нержавеющей стали.
Когда разумное количество металлов, таких как никель, ванадий, вольфрам и марганец, вводится в сталь, это делает и без того твердое вещество еще более твердым; поэтому эти легированные стали хорошо подходят для использования в мостах, режущих инструментах и компонентах электрических сетей.
Чугун, не являющийся стальным чугуном, содержит большое количество углерода (по крайней мере, по стандартам обработки железа): от 3 до 5 процентов. Чугун не такой прочный, как сталь, но он значительно дешевле, поэтому при переходе от стали к литью железо, вы делаете тот же общий компромисс, что и при переходе от простого ребра к 70-процентной постной гамбургер.
Как производится железо?
Железо на Земле производится или, точнее, извлекается из железной руды. «Каменная» часть железной руды содержит кислород, пески и глины в различных количествах в зависимости от типа руды. Работа завода по производству железа, как назывались первые такие заводы, состоит в том, чтобы удалить как можно больше камня и другого песка, оставив при этом железо - немного другое в принципе от лущения арахиса или очистки апельсина, чтобы добраться до полезной части, за исключением того, что в случае железной руды железо не просто окружено одноразовыми материал; это смешалось прямо с этим.
Несмотря на ужасающие температуры и общие физические проблемы, связанные с железными работами, люди уже использовали их в дохристианские времена. Обработка железа впервые достигла Британских островов через континентальную Европу и Западную Азию в V веке до нашей эры. Тогда железо было физически отделено от нежелательного материала в максимально возможной степени, используя только древесный уголь, глину и саму руду, нагретые до температур, которые были умеренными по сравнению с тем, что могло бы быть следить. Во всяком случае, к 1500 году до нашей эры плавка шла полным ходом, но почти 30 веков спустя, в 1400-х годах, была изобретена доменная печь, которая радикально и навсегда изменила «промышленность» (какой она была).
Сегодня железо получают путем нагревания гематита или магнетита в доменной печи вместе с формой углерода, называемой «коксом», а также карбонатом кальция (CaCO3), более известный как известняк. Это дает соединение, которое содержит около 3 процентов углерода и других примесей - не идеального по качеству, но достаточно хорошего для производства стали. Ежегодно во всем мире производится около 1,3 миллиарда метрических тонн (примерно 1,43 миллиарда тонн США или почти 3 триллиона фунтов) нерафинированной стали.
Откуда взялось железо?
Откуда «взялось» железо в вашей посудомоечной машине из нержавеющей стали или в дровяной печи - это, возможно, гораздо менее интересный вопрос, чем то, как железо вообще появилось где-нибудь во Вселенной. Железо считается тяжелым элементом, и элементы этого типа могут быть созданы только в катастрофических событиях «звездной смерти», называемых сверхновыми. В то время как большинство звезд как бы гаснут, поскольку они сжигают свой запас топлива водородом, некоторые звезды буквально гаснут с треском.
Это статистически редкие события, происходящие всего несколько раз каждые сто лет на всем протяжении всей Галактики Млечный Путь, массивная медленно вращающаяся куча звезд и другой материи, которую люди называют дом. Но они также жизненно важны. Без них не было бы сил, необходимых для слияния значительных меньших элементов вместе при ударе и создания еще более крупных элементов, таких как железо, медь, ртуть, золото, йод и свинец. И все время определенная часть этих элементов путешествует на большие расстояния в космосе и оседает на Земле, иногда в виде ударов метеоритов.
Как элементы образуются в природе?
Считается, что железо представляет собой приблизительную точку отсечения с точки зрения элементов, которые могут быть произведены обычным процессы звездного горения (как будто сами эти процессы в любом случае действительно "обычные") и те, которые могут быть только созданы сверхновыми.
Большинство элементов - кислород с атомным номером 8, но, вероятно, не включая железо с атомным номером 26 - образуются, когда звезда начинает исчерпывать запасы водорода. Причина, по которой звезда "горит", заключается в том, что она постоянно претерпевает бесчисленные реакции синтеза с водородом, самый легкий элемент (атомный номер 1) при столкновении с другими атомами водорода с образованием гелия (атомный номер 2). В конце концов, в самой внутренней части звезды атомы гелия сталкиваются группами, образуя углерод (атомный номер 6).
Железо в человеческом теле
Вы, вероятно, признаете, что железо незаменимо в рационе человека, основываясь исключительно на рекламных заявлениях производители продуктов питания ("Эта крупа содержит 100 процентов рекомендуемой США суточной нормы утюг!"). Однако вы можете не знать, почему это так.
Как оказалось, в типичном человеческом теле содержится около 4 граммов элементарного железа. Это может показаться не таким уж большим делом, но зачем вашему телу вообще нужен металл? Фактически, железо является неотъемлемой частью гемоглобина, связывающего кислород белка, обнаруженного в красных кровяных тельцах (эритроцитах). Эритроциты переносят кислород из легких в ткани, где он используется в клеточном дыхании.
Когда у людей возникает дефицит железа из-за недостаточного питания (железо содержится в мясе, особенно мясные субпродукты, а также некоторые зерна) или системные болезненные состояния, их эритроциты не могут работать правильно. В этом состоянии, которое называется анемией, у людей возникает одышка после небольшой нагрузки, часто они страдают от усталости, головных болей и общей слабости. В тяжелых случаях может потребоваться переливание крови для коррекции анемии, хотя обычно коррекция проводится с помощью добавок железосодержащих таблеток и жидкостей.