Odkiaľ železo pochádza alebo ako sa vyrába?

Keď premýšľate nad pôvodom železa, vaša myseľ pravdepodobne zablúdi do vízií oceliarní stredoveku kovárne alebo iný výrobný proces charakterizovaný tvrdou, praktickou prácou a veľmi vysokou teploty. Ale okrem toho, že ide o druh kovu, ktorý sa v ľudskom priemysle používa rôznymi spôsobmi, železo je tiež prvkom, nie zlúčeninou alebo zliatinou, čo znamená, že je možné izolovať jediný atóm železa. To neplatí pre väčšinu známych materiálov; napríklad najmenšie množstvo vody, ktoré sa ešte dá nazvať vodou, obsahuje tri atómy, jeden z nich kyslík a ďalšie dva vodík.

Je zaujímavé, že aj keď si tu ľudia spájajú železo s neobvykle vysokými teplotami, vo výrobných podmienkach Zem, železo ako prvok vďačí za svoju existenciu udalostiam tak horúcim a tak ďaleko, že ich počet sotva dosahuje zmysel. Štúdia o tom, ako sa vyrába železo, si teda vyžaduje dva paralelné procesy: Skúmanie toho, ako železo vzniklo a ako sa dostala na Zem a ako ľudia na Zemi vyrábajú a používajú železo na bežné i špecializované účely činnosti. Tieto témy zasa pozývajú na diskusiu o použití železa v živých systémoch a v nich a na všeobecný pohľad na to, ako rôzne prvky vznikajú a šíria sa v celom vesmíre.

Železo je ľudstvu známe približne od roku 3 500 p. N. L., Teda pred viac ako 5 500 rokmi. Jeho názov je odvodený od anglosaskej verzie, ktorá bola „írska“. Symbol železa periodického stola Fe pochádza z latinského slova pre železo, ktorým je ferrum. Ak si prezeráte lekáreň a náhodou narazíte na doplnky železa, všimnete si, že väčšina ich názvov je niečo „železné“ alebo niečo iné (napríklad síran alebo glukonát). Kedykoľvek uvidíte v chemickom kontexte slovo „železitý“ alebo „železitý“, mali by ste okamžite uznať, že o železu sa diskutuje; „ironické“, hoci vynikajúce a užitočné slovo, nemá vo svete fyzikálnych vied žiadnu úlohu.

Železo (skrátene Fe) je klasifikované ako kov nielen na každodenné účely, ale aj na periodickej sústave prvkov (interaktívny príklad nájdete v Zdrojoch). To je asi veľmi prekvapivé, ale v skutočnosti prevládajú kovy v značnej miere nad nekovmi; zo 113 prvkov, ktoré ľudia objavili alebo vytvorili v laboratórnych podmienkach, je 88 klasifikovaných ako kovy.

Atómy, ako už možno viete, pozostávajú z jadra obsahujúceho zmes protónov a neutrónov zhruba rovnakej hmotnosti obklopených „oblakom“ takmer nehmotných elektrónov. Protóny a elektróny nesú náboj rovnakej veľkosti, ale náboj protónov je kladný, zatiaľ čo náboj elektrónov je záporný. Atómové číslo železa je 26, čo znamená, že železo má v elektricky neutrálnom stave 26 protónov a 26 elektrónov. Jeho atómová hmotnosť, ktorá po zaokrúhlení predstavuje iba súčet alebo protóny a neutróny, je iba plachá 56 gramov na mol, čo znamená, že jej chemicky najstabilnejšia forma obsahuje (56 - 26) = 30 neutrónov.

Železo má niektoré impozantné fyzikálne vlastnosti. Má hustotu 7,87 g / cm³, takže je takmer osemkrát hustejšia ako voda. (Hustota je hmotnosť na jednotku objemu; voda je definovaná ako 1,0 g / cm³ podľa konvencie.) Železo je tuhá látka pri 20 stupňoch Celzia (68 F), ktorá sa na účely chémie všeobecne považuje za „izbovú teplotu“. Jeho teplota topenia je extrémne vysoká 1538 ° C (2800 ° F), zatiaľ čo jeho teplota varu - to znamená teplota, pri ktorej sa tekuté železo začína odparovať a stať sa plynom - je horúcich 2861 ° C (5182 ° F). Niet preto divu, že pri obrábaní kovov musia byť používané druhy pecí skutočne mimoriadne silné.

Hmotnosť železa je štvrtým najpočetnejším prvkom v zemskej kôre. Celkový podiel železa na Zemi môže byť podstatne vyšší, ak sa predpokladá, že roztavené jadro planéty pozostáva hlavne zo skvapalneného železa, niklu a síry. Keď sa železo extrahuje zo zeme pri ťažbe, má formu rudy, čo je elementárne železo zmiešané s jedným alebo viacerými druhmi hornín. Najbežnejším typom železnej rudy je hematit, ale významným zdrojom tohto kovu sú aj magnetit a taconit.

Železo v porovnaní s inými kovmi veľmi ľahko zhrdzavie alebo koroduje. To robí inžinierom problémy, pretože v súčasnosti deväť desatín rafinovaného kovu zahŕňa železo.

Väčšina železa vyťaženého na humánne použitie sa navíja vo forme ocele. „Oceľ“ je zliatina, čo znamená zmes kovov. Populárna forma tohto produktu sa dnes nazýva uhlíková oceľ, čo je trochu zavádzajúce, pretože uhlík prispieva iba nepatrným zlomkom hmotnosti tejto ocele vo všetkých jej formách. Vo forme uhlíkovej ocele s najvyšším obsahom uhlíka predstavuje uhlík asi 2 percentá hmotnosti kovu; tento údaj sa môže pohybovať až do 1/10 percenta bez toho, aby kov stratil názov „uhlíková oceľ“.

Uhlíková oceľ môže byť zase strategicky falšovaná s inými kovmi, aby sa získali zliatiny s určitými požadovanými vlastnosťami. Napríklad nehrdzavejúca oceľ je forma uhlíkovej ocele, ktorá má významné množstvo chrómu - viac ako 10 hmotnostných percent. Tento materiál je známy svojou odolnosťou a tendenciou dlhodobo si udržiavať lesklý, lesklý vzhľad vďaka vysokej odolnosti proti korózii. Nerezová oceľ sa vyznačuje predovšetkým architektúrou, guľkovými ložiskami, chirurgickými nástrojmi a riadom. Je veľká pravdepodobnosť, že ak zreteľne vidíte svoj odraz na čisto kovovom povrchu, pozeráte sa na akýsi druh nehrdzavejúcej ocele.

Ak je do ocele zabudované rozumné množstvo kovov, ako je nikel, vanád, volfrám a mangán, je už tvrdá látka ešte tvrdšia; tieto legované ocele sú preto vhodné na zabudovanie do mostov, rezných nástrojov a komponentov elektrickej siete.

Neoceľový typ železa nazývaný liatina obsahuje veľké množstvo uhlíka (minimálne v štandardoch spracovania železa): 3 až 5 percent. Liatina nie je taká tvrdá ako oceľ, ale je podstatne lacnejšia, takže pri prechode z ocele na liatinu železo, urobíte rovnaké všeobecné kompromisy ako pri prechode z primárneho rebra na 70 percent štíhlosti hamburger.

Železo na Zemi sa vyrába alebo presnejšie získava zo železnej rudy. „Horninová“ časť železnej rudy obsahuje kyslík, piesky a íly v rôznom množstve v závislosti od typu rudy. Úlohou železiarní, ako sa takýmto továrňam najskôr hovorilo, je odstraňovať čo najviac kameňa a iného kameniva a zároveň nechať železo za sebou - trochu inak v zásade od lúskania arašidov alebo olúpania pomaranča, aby ste sa dostali k dobrej časti, až na to, že v prípade železnej rudy nie je železo iba obklopené jednorazovým materiál; je to do toho primiešané.

Napriek skľučujúcim teplotám a celkovým fyzickým výzvam železiarní ich ľudia používali už v predkresťanskej dobe. Spracovanie železa sa prvýkrát dostalo na Britské ostrovy prostredníctvom kontinentálnej Európy a západnej Ázie v 5. storočí pred n. L. Vtedy bolo železo fyzicky oddelené od nežiaduci materiál v maximálnej možnej miere len s použitím dreveného uhlia, hliny a samotnej rudy, zahriaty na teploty, ktoré sú mierne v porovnaní s tým, čo by nasledovať. Tavenie každopádne prebehlo do roku 1500 p. N. L., Ale takmer o 30 storočí neskôr, v 1400-tych rokoch, bola vynájdená vysoká pec, ktorá radikálne a navždy zmenila „priemysel“ (aký bol).

Dnes sa železo vyrába zahriatím hematitu alebo magnetitu vo vysokej peci spolu s formou uhlíka nazývanou „koks“, ako aj uhličitanom vápenatým (CaCO₃), známejšie ako vápenec. Takto sa získa zlúčenina, ktorá obsahuje asi 3 percentá uhlíka a ďalšie cudzoložstvá - nie je síce ideálna v kvalite, ale je dosť dobrá na výrobu ocele. Každý rok sa na celom svete vyprodukuje asi 1,3 miliardy metrických ton (zhruba 1,43 miliardy amerických ton alebo takmer 3 bilióny libier) surovej ocele.

To, odkiaľ „pochádza“ žehlička vo vašej umývačke riadu z nehrdzavejúcej ocele alebo vaše kachle na drevo, je na prvom mieste možno oveľa menej zaujímavá otázka ako to, ako železo vôbec kdekoľvek vo vesmíre existuje. Železo sa považuje za ťažký prvok a prvky tohto typu je možné vytvárať iba pri katastrofických udalostiach „smrti hviezd“, ktoré sa nazývajú supernovy. Zatiaľ čo väčšina hviezd pri spaľovaní palivovej zásoby vodíka trochu zhasína, niektoré hviezdy doslova zhasínajú.

Toto sú štatisticky zriedkavé udalosti, ktoré sa v celom rozsahu vyskytujú iba niekoľkokrát za sto rokov celej galaxie Mliečna cesta, mohutná pomaly rotujúca hromada hviezd a inej hmoty, ktorú ľudia nazývajú Domov. Ale sú tiež životne dôležité. Bez nich by neexistovali sily potrebné na to, aby sa veľké menšie prvky spojili pri náraze a vytvorili ešte väčšie prvky, ako je železo, meď, ortuť, zlato, jód a olovo. A neustále určitá časť týchto prvkov cestuje na veľké vzdialenosti vesmírom a usadzuje sa na Zemi, niekedy v podobe úderov meteoritu.

Predpokladá sa, že železo predstavuje približný medzný bod z hľadiska prvkov, ktoré môžu byť generované obyčajnými procesy spaľovania hviezd (akoby tieto samotné procesy boli akýmkoľvek spôsobom skutočne „obyčajné“) a tie, ktoré je možné iba vytvárať supernovami.

Väčšina prvkov - kyslík, atómové číslo 8, je prechodná, ale pravdepodobne nezahŕňa železo, atómové číslo 26 -, akonáhle hviezda začne vyčerpávať prísun vodíka. Dôvod, prečo hviezda „horí“, je ten, že neustále prechádza nespočetnými fúznymi reakciami s vodíkom, najľahší prvok (atómové číslo 1), ktorý sa zrazí s inými atómami vodíka a vytvorí hélium (atómové číslo 1) 2). Nakoniec sa v najvnútornejšej časti hviezdy zrazia atómy hélia v skupinách a vytvoria uhlík (atómové číslo 6).

Pravdepodobne uznávate, že železo je nevyhnutné v ľudskej strave iba na základe reklamných tvrdení spoločnosti výrobcovia potravín („Táto obilnina obsahuje 100 percent dennej dávky odporúčanej v USA v hodnote železo! “). Možno však neviete, prečo to tak je.

Ako sa ukázalo, typické ľudské telo obsahuje asi 4 gramy elementárneho železa. To nemusí znieť ako veľa, ale prečo by vaše telo potrebovalo akýkoľvek kov? Železo je v skutočnosti nevyhnutnou súčasťou hemoglobínu, proteínu viažuceho kyslík, ktorý sa nachádza v červených krvinkách (RBC). Červené krvinky transportujú kyslík z pľúc do tkanív, kde sme ich používali v bunkovom dýchaní.

Keď ľudia trpia nedostatkom železa v dôsledku nedostatočného príjmu potravy (železo sa nachádza v mäse, najmä orgánové mäso, ako aj určité zrná) alebo systémové choroby, ich červené krvinky nemôžu robiť svoje pracovať správne. V tomto stave, ktorý sa nazýva anémia, sa ľuďom po miernom namáhaní zadýcha a často trpia únavou, bolesťami hlavy a celkovou slabosťou. V závažných prípadoch môže byť na odstránenie anémie potrebná transfúzia krvi, aj keď obvykle sa korekcia vykonáva doplnením piluliek a tekutín obsahujúcich železo.