När du funderar på järnets ursprung, vandrar ditt sinne troligen i visioner av stålverk, medeltida ålder smide eller någon annan tillverkningsprocess som kännetecknas av hårt, praktiskt arbete och mycket högt temperaturer. Men bortsett från att vara en typ av metall som används på olika sätt inom den mänskliga industrin, är järn också ett element, inte en förening eller legering, vilket betyder att det är möjligt att isolera en enda järnatom. Detta är inte sant för mest kända material; till exempel innehåller den minsta mängden vatten än vad som fortfarande kan kallas vatten tre atomer, en av dem syre och den andra två väte.
Intressant, även om folk associerar järn med ovanligt höga temperaturer i tillverkningsinställningar här Jorden, järn som ett element, har sin existens till händelser så heta och så långt borta att antalet involverade knappast gör känsla. Således, att genomföra en studie av hur järn tillverkas kräver två parallella processer: Utforska hur järn blev till och hur det nådde jorden, och hur människor på jorden tillverkar och använder järn för vardagliga såväl som specialiserade aktiviteter. Dessa ämnen inbjuder i sin tur till diskussion om användningen av järn i och av levande system och en allmän titt på hur de olika elementen både har sitt ursprung och sprids över hela kosmos.
En kort historia av järn
Järn har varit känt för mänskligheten sedan omkring 3500 f.Kr. eller för mer än 5500 år sedan. Dess namn härstammar från den angelsaxiska versionen, som var "iren". Det periodiska järnsymbolen Fe kommer från det latinska ordet för järn, vilket är järn. Om du granskar ett apotek och råkar se järntillskott kommer du att märka att de flesta av deras namn är "järnhaltiga" något eller annat (som sulfat eller glukonat). Varje gång du ser ordet "järn" eller "järn" i kemisk sammanhang bör du genast inse att järn diskuteras; "ironiskt", även om det är ett fantastiskt och användbart ord, har ingen roll i fysikens värld.
Kemifakta om järn
Järn (förkortat Fe) klassificeras som en metall, inte bara för vardagliga ändamål, utan också på elementens periodiska system (se Resurser för ett interaktivt exempel). Detta kommer troligen inte som en överraskning, men i själva verket överträffar metaller icke-metall i naturen med stor marginal av de 113 element som människor har upptäckt eller skapat i laboratorieinställningar klassificeras 88 som metaller.
Atomer, som du kanske redan vet, består av en kärna som innehåller en blandning av protoner och neutroner med ungefär lika massa omgiven av ett "moln" av nästan masslösa elektroner. Protoner och elektroner har en laddning av lika stor storlek, men protonernas laddning är positiv medan den för elektroner är negativ. Järns atomnummer är 26, vilket betyder att järn har 26 protoner och 26 elektroner i sitt elektriskt neutrala tillstånd. Dess atommassa, som när den avrundas helt enkelt är summan eller protoner och neutroner, är bara blyg av 56 gram per mol, vilket betyder att dess mest kemiskt stabila form innehåller (56 - 26) = 30 neutroner.
Järn har några formidabla fysiska egenskaper. Den har en densitet på 7,87 g / cm3, vilket gör det nästan åtta gånger så tätt som vatten. (Densitet är massa per volymenhet; vatten definieras som 1,0 g / cm3 enligt konvention.) Järn är ett fast ämne vid 20 grader Celsius (68 F), allmänt betraktat som "rumstemperatur" för kemiska ändamål. Dess smältpunkt är extremt hög 1538 ° C, medan kokpunkten - det vill säga den temperatur vid vilken flytande järn börjar avdunsta och blir gas - är en brännande 2861 ° C (5182 ° F). Det är därför inte konstigt att de typer av ugnar som används vid metallbearbetning måste vara utomordentligt kraftfulla.
Järn är i massa det fjärde mest rikliga elementet i jordskorpan. Järns totala andel av jorden kan vara betydligt större, dock med tanke på att planetens smälta kärna tros huvudsakligen bestå av flytande järn, nickel och svavel. När järn extraheras från marken vid gruvdrift är det i form av malm, som är elementärt järn blandat med en eller flera bergarter. Den vanligaste typen av järnmalm är hematit, men magnetit och taconit är också viktiga källor till denna metall.
Järn rostar eller korroderar, mycket lätt jämfört med andra metaller. Detta skapar problem för ingenjörer eftersom nio tiondelar av metall som förädlas för närvarande innehåller järn.
Användning av järn
Det mesta av det järn som bryts för mänskligt bruk hamnar i form av stål. "Stål" är en legering, vilket betyder en blandning av metaller. En populär form av denna produkt idag kallas kolstål, vilket är något vilseledande eftersom kol endast bidrar med en liten del av massan av detta stål i alla dess former. I kolstålsformen med högst kolhalt utgör kol cirka 2 procent av metallens massa; denna siffra kan sträcka sig ner till 1/10 av 1 procent utan att metallen förlorar titeln "kolstål".
Kolstål kan i sin tur strategiskt förfalskas med andra metaller för att ge legeringar med vissa önskvärda egenskaper. Rostfritt stål är till exempel en form av kolstål som har en betydande mängd krom - över 10 viktprocent. Detta material är känt för sin hållbarhet och sin tendens att bibehålla sitt glänsande, glänsande utseende under långa perioder på grund av dess höga motståndskraft mot korrosion. Rostfritt stål har en framträdande plats inom arkitektur, kullager, kirurgiska instrument och porslin. Chansen är god att om du kan se din reflektion tydligt i en ren metallyta, tittar du på ett slags rostfritt stål.
När förnuftiga mängder metaller som nickel, vanadin, volfram och mangan integreras i stål gör det en redan hård substans ännu hårdare; dessa legerade stål är därför väl lämpade för att ingå i broar, skärinstrument och elnätkomponenter.
En järnstål av järn som kallas gjutjärn innehåller mycket kol (enligt standarderna för järnmetallbearbetning, åtminstone): 3 till 5 procent. Gjutjärn är inte lika tufft som stål, men det är betydligt billigare, så när man går från stål till gjutning järn, du gör samma allmänna avvägning som du gör när du går från prime rib till 70 procent mager hamburgare.
Hur tillverkas järn?
Järn på jorden är gjord eller mer korrekt extraherad från järnmalm. Den "sten" delen av järnmalm innehåller syre, sand och leror i varierande mängder beroende på malmtyp. Järnverkets jobb, som de tidigaste fabrikerna kallades, är att ta bort så mycket av berget och annat grus som möjligt medan du lämnar järn - lite annorlunda i princip från att beskjuta en jordnötter eller skala en apelsin för att komma till den goda delen, förutom att i fallet med järnmalm är järnet inte bara omgivet av engångsbruk material; det blandas direkt med det.
Trots de skrämmande temperaturerna och de övergripande fysiska utmaningarna med järnverk använde människor dem redan i förkristen tid. Järnbearbetning nådde först de brittiska öarna via Europas fastland och västra Asien på 500-talet f.Kr. Då separerades järn fysiskt från oönskat material i största möjliga utsträckning med endast kol, lera och malmen, uppvärmd till temperaturer som var blygsamma jämfört med vad som skulle Följ. I alla fall påbörjades smältningen 1500 f.Kr., men nästan 30 århundraden senare, på 1400-talet, uppfanns masugnen och förändrade "industrin" (som den var) radikalt och för alltid.
Idag tillverkas järn genom att värma hematit eller magnetit i en masugn tillsammans med en form av kol som kallas "koks" samt kalciumkarbonat (CaCO3), bättre känd som kalksten. Detta ger en förening som innehåller cirka 3 procent kol och andra äktenskapsbrytare - inte perfekt i kvalitet, men tillräckligt bra för att göra stål. Varje år produceras cirka 1,3 miljarder ton (ungefär 1,43 miljarder US ton, eller nästan 3 biljoner pund) råstål runt om i världen.
Var kom järn ifrån?
Var järnet i din diskmaskin i rostfritt stål eller din vedspis "kommer ifrån" är kanske en mycket mindre intressant fråga än hur järn kom till någonstans i universum i första hand. Järn anses vara ett tungt element, och element av denna typ kan bara skapas i katastrofala "stjärndöd" -händelser som kallas supernovaer. Medan de flesta stjärnor snubblar ut när de bränner igenom bränsletillförseln av väte, går vissa stjärnor bokstavligen ut med en smäll.
Dessa är statistiskt sällsynta händelser, som inträffar bara några gånger var hundra år under hela omfattningen av hela Vintergatan, den massiva långsamt roterande högen av stjärnor och andra ämnen som människor kallar Hem. Men de är också mycket viktiga. Utan dem skulle de krafter som var nödvändiga för att få betydande mindre element att smälta samman vid slag och skapa ännu större element som järn, koppar, kvicksilver, guld, jod och bly inte existera. Och hela tiden reser en viss bråkdel av dessa element långa sträckor genom rymden och bosätter sig på jorden, ibland i form av meteoritangrepp.
Hur formas element i naturen?
Järn antas representera den ungefärliga avskärningspunkten när det gäller element som kan genereras av vanligt stjärnförbränningsprocesser (som om dessa processer själva verkligen är "vanliga" på något sätt) och de som bara kan skapas av supernovae.
De flesta grundämnen - syre, atomnummer 8, genom men förmodligen inte inklusive järn, atomnummer 26 - tillverkas när en stjärna börjar tömma sin vätgasförsörjning. Anledningen till att en stjärna "brinner" är att den ständigt genomgår otaliga fusionsreaktioner, med väte, det lättaste elementet (atomnummer 1) kolliderar med andra väteatomer för att bilda helium (atomnummer 2). Så småningom, i stjärnans innersta del, kolliderar heliumatomer i grupper för att bilda kol (atomnummer 6).
Järn i människokroppen
Du känner förmodligen till att järn är väsentligt i den mänskliga kosten enbart baserat på reklamationer från livsmedelsproducenter ("Denna spannmål innehåller 100 procent av den amerikanska rekommenderade dagliga intaget av järn!"). Du kanske inte vet varför det är, dock.
Som det visar sig innehåller den typiska människokroppen cirka 4 gram elementärt järn. Det låter kanske inte så mycket, men varför skulle din kropp behöva någon metall i den alls? I själva verket är järn en väsentlig del av hemoglobin, det syrebindande proteinet som finns i röda blodkroppar (RBC). RBC transporterar syre från lungorna till vävnaderna, där det används vid cellulär andning.
När människor blir bristfälliga med järn tack vare otillräckligt kostintag (järn finns i kött, särskilt organkött, liksom vissa korn) eller systemiska sjukdomstillstånd, kan deras RBC inte göra sitt jobb ordentligt. I detta tillstånd, som kallas anemi, blir andfåddhet efter en liten ansträngning och ofta lider av trötthet, huvudvärk och allmän svaghet. I svåra fall kan blodtransfusion krävas för att korrigera anemin, även om det vanligtvis korrigeras med hjälp av tillskott med järnhaltiga piller och vätskor.
