Demirin kökenini düşündüğünüzde, aklınız muhtemelen orta çağdaki çelik fabrikalarının hayallerine dalıyor. sert, uygulamalı çalışma ve çok yüksek ile karakterize edilen dövme veya başka bir üretim süreci sıcaklıklar. Ancak, insan endüstrisinde çeşitli şekillerde kullanılan bir metal türü olmasının yanı sıra, demir de bir bileşik veya alaşım değil, bir elementtir, yani tek bir demir atomunu izole etmek mümkündür. Bu, çoğu tanıdık malzeme için geçerli değildir; örneğin, hala su olarak adlandırılabilecek en küçük su miktarı, biri oksijen ve diğer ikisi hidrojen olmak üzere üç atom içerir.
İlginç bir şekilde, insanlar burada üretim ortamlarında demiri alışılmadık derecede yüksek sıcaklıklarla ilişkilendirmesine rağmen Toprak, bir element olarak demir, varlığını o kadar sıcak ve o kadar uzaktaki olaylara borçludur ki, ilgili sayıların hemen hemen hiç duyu. Bu nedenle, demirin nasıl yapıldığına dair bir çalışma yapmak, iki paralel süreci gerektirir: Demirin nasıl ortaya çıktığını keşfetmek. ve Dünya'ya nasıl ulaştığını ve Dünya'daki insanların günlük ve özel işlerde nasıl demir yapıp kullandığını faaliyetler. Bu konular sırayla, canlı sistemlerde ve canlı sistemler tarafından demirin kullanımı üzerine tartışmaya ve çeşitli elementlerin nasıl ortaya çıktığına ve kozmosta nasıl yayıldığına genel bir bakışa davet ediyor.
Demirin Kısa Tarihi
Demir, insanlık tarafından yaklaşık 3500 B.C.'den veya 5500 yıldan fazla bir süre önce bilinmektedir. Adı, "iren" olan Anglo-Sakson versiyonundan türetilmiştir. Periyodik tablodaki demir sembolü Fe, Latince demir anlamına gelen ferrum kelimesinden gelir. Bir eczaneye bakıyorsanız ve demir takviyeleri görüyorsanız, adlarının çoğunun "demirli" bir şey veya başka bir şey (sülfat veya glukonat gibi) olduğunu fark edeceksiniz. Bir kimya bağlamında "demirli" veya "demirli" kelimesini her gördüğünüzde, demirin tartışıldığını hemen anlamalısınız; "ironik", muhteşem ve faydalı bir kelime olmasına rağmen, fizik bilimi dünyasında hiçbir rolü yoktur.
Demir Hakkında Kimya Gerçekleri
Demir (kısaltılmış Fe), yalnızca günlük amaçlar için değil, aynı zamanda elementlerin periyodik tablosunda da bir metal olarak sınıflandırılır (etkileşimli bir örnek için Kaynaklara bakın). Bu muhtemelen biraz şaşırtıcı gelebilir, ancak aslında metaller doğada ametallerden çok daha fazladır; İnsanların laboratuvar ortamlarında keşfettiği veya yarattığı 113 elementten 88'i metal olarak sınıflandırılır.
Atomlar, zaten bildiğiniz gibi, neredeyse kütlesiz elektronlardan oluşan bir "bulut"la çevrili, kabaca eşit kütleli proton ve nötron karışımı içeren bir çekirdekten oluşur. Protonlar ve elektronlar eşit büyüklükte bir yük taşır, ancak protonların yükü pozitif, elektronlarınki ise negatiftir. Demirin atom numarası 26'dır, yani demirin elektriksel olarak nötr durumunda 26 protonu ve 26 elektronu vardır. Basitçe yuvarlandığında proton ve nötronların toplamı olan atom kütlesi, mol başına sadece 56 gramdır, yani kimyasal olarak en kararlı formunun (56 - 26) = 30 nötron içerdiği anlamına gelir.
Demir bazı müthiş fiziksel özelliklere sahiptir. 7.87 g/cm yoğunluğa sahiptir.3, sudan neredeyse sekiz kat daha yoğun hale getiriyor. (Yoğunluk, birim hacimdeki kütledir; su 1.0 g/cm olarak tanımlanır3 geleneksel olarak.) Demir, kimya amaçlı olarak genellikle "oda sıcaklığı" olarak kabul edilen 20 santigrat derecede (68 F) katıdır. Erime noktası son derece yüksek 1538 C (2800 F), kaynama noktası - yani sıvı demirin buharlaşmaya ve gaz haline gelmeye başladığı sıcaklık - kavurucu 2861 C (5182 F). O halde, metal işlemede kullanılan fırın türlerinin gerçekten de olağanüstü güçlü olması şaşırtıcı değildir.
Demir, kütlece, yerkabuğunda en bol bulunan dördüncü elementtir. Bununla birlikte, gezegenin erimiş çekirdeğinin esas olarak sıvılaştırılmış demir, nikel ve kükürtten oluştuğuna inanıldığından, demirin Dünya'daki toplam payı önemli ölçüde daha büyük olabilir. Madencilik faaliyetlerinde topraktan demir çıkarıldığında, bir veya daha fazla kaya türü ile karıştırılmış elementer demir olan cevher şeklindedir. En yaygın demir cevheri türü hematittir, ancak manyetit ve takonit de bu metalin önemli kaynaklarıdır.
Demir, diğer metallere kıyasla çok kolay paslanır veya paslanır. Bu, mühendisler için sorun yaratır, çünkü şu anda rafine edilen metalin onda dokuzu demir içerir.
Demirin Kullanım Alanları
İnsan kullanımı için çıkarılan demirin çoğu çelik formundadır. "Çelik", bir metal karışımı anlamına gelen bir alaşımdır. Bu ürünün günümüzde popüler bir formuna karbon çeliği denir, bu biraz yanıltıcıdır çünkü karbon tüm formlarında bu çeliğin kütlesinin yalnızca küçük bir kısmına katkıda bulunur. Karbon çeliğinin en yüksek karbonlu formunda, karbon, metal kütlesinin yaklaşık yüzde 2'sini oluşturur; bu rakam, metal "karbon çeliği" unvanını kaybetmeden yüzde 1'in 1/10'una kadar düşebilir.
Karbon çeliği, bazı arzu edilen özelliklere sahip alaşımlar elde etmek için diğer metallerle stratejik olarak karıştırılabilir. Örneğin paslanmaz çelik, önemli miktarda krom içeren bir karbon çeliği şeklidir - kütlece yüzde 10'un üzerinde. Bu malzeme dayanıklılığı ve korozyona karşı yüksek direnci sayesinde uzun süreler boyunca parlak, parlak görünümünü koruma eğilimi ile ünlüdür. Paslanmaz çelik, mimaride, bilyalı yataklarda, cerrahi aletlerde ve sofra takımlarında belirgin bir şekilde öne çıkıyor. Tamamen metal bir yüzeyde yansımanızı net bir şekilde görebiliyorsanız, bir tür paslanmaz çeliğe bakıyorsunuzdur.
Nikel, vanadyum, tungsten ve manganez gibi makul miktarlarda metaller çeliğe entegre edildiğinde, zaten sert olan bir maddeyi daha da sertleştirir; bu alaşımlı çelikler bu nedenle köprülere, kesme aletlerine ve elektrik şebekesi bileşenlerine dahil edilmek için çok uygundur.
Dökme demir olarak adlandırılan çelik olmayan bir demir türü, büyük miktarda karbon içerir (en azından demir metal işleme standartlarına göre): yüzde 3 ila 5. Dökme demir çelik kadar sert değildir, ancak oldukça ucuzdur, bu nedenle çelikten döküme geçerken demir, ana kaburgadan yüzde 70 yalına giderken yaptığınız genel değiş tokuşu yaparsınız Hamburger.
Demir Nasıl Yapılır?
Yeryüzündeki Demir, demir cevherinden yapılır veya daha uygun şekilde çıkarılır. Demir cevherinin "kaya" kısmı, cevher tipine bağlı olarak değişen miktarlarda oksijen, kum ve kil içerir. Bu tür ilk fabrikaların adı verilen bir demir fabrikasının görevi, geride demir bırakarak mümkün olduğu kadar kaya ve diğer kumları çıkarmaktır - biraz farklı. Prensip olarak, iyi kısma ulaşmak için bir yerfıstığının kabuklarını soymaktan veya bir portakalı soymaktan, ancak demir cevheri söz konusu olduğunda, demirin yalnızca tek kullanımlık malzeme; hemen onunla karıştırılır.
Demir işlerinin göz korkutucu sıcaklıklarına ve genel fiziksel zorluklarına rağmen, insanlar onları Hıristiyanlık öncesi zamanlarda zaten kullanıyorlardı. Demir işçiliği ilk olarak MÖ 5. yüzyılda anakara Avrupa ve batı Asya yoluyla Britanya Adalarına ulaştı. O zamanlar demir fiziksel olarak demirden ayrılmıştı. sadece odun kömürü, kil ve cevherin kendisini kullanarak mümkün olan en geniş ölçüde istenmeyen malzemeyi, mümkün olana kıyasla mütevazı olan sıcaklıklara ısıtıldı. takip et. Her halükarda, ergitme MÖ 1500'e kadar devam ediyordu, ancak yaklaşık 30 yüzyıl sonra, 1400'lerde yüksek fırın icat edildi ve "endüstriyi" (olduğu gibi) kökten ve sonsuza dek değiştirdi.
Günümüzde demir, hematit veya manyetitin bir yüksek fırında ısıtılmasıyla birlikte “kok” adı verilen bir karbon formu ve ayrıca kalsiyum karbonat (CaCO2)3), daha iyi kireçtaşı olarak bilinir. Bu, yaklaşık yüzde 3 karbon ve diğer katkı maddeleri içeren bir bileşik verir - kalite açısından ideal değildir, ancak çelik yapmak için yeterince iyidir. Her yıl dünya çapında yaklaşık 1,3 milyar mt (kabaca 1,43 milyar ABD tonu veya yaklaşık 3 trilyon pound) ham çelik üretilmektedir.
Demir nereden geldi?
Paslanmaz çelik bulaşık makinenizdeki veya odun sobanızdaki ütünün "nereden geldiği", belki de ilk etapta demirin evrenin herhangi bir yerinde nasıl var olduğundan çok daha az ilginç bir sorudur. Demir ağır bir element olarak kabul edilir ve bu tip elementler sadece süpernova adı verilen feci "yıldız ölümü" olaylarında oluşturulabilir. Çoğu yıldız yakıt kaynakları olan hidrojeni tüketirken sönerken, bazı yıldızlar kelimenin tam anlamıyla bir patlama ile sönerler.
Bunlar istatistiksel olarak nadir olaylardır ve her yüz yılda bir sadece birkaç kez meydana gelir. Tüm Samanyolu Gökadası'nın, yavaş yavaş dönen devasa yıldız yığını ve insanların dediği diğer madde ev. Ama aynı zamanda hayati derecede önemlidirler. Onlar olmadan, çok daha küçük elementlerin çarpma anında kaynaşmasına ve demir, bakır, cıva, altın, iyot ve kurşun gibi daha büyük elementlerin oluşmasına neden olmak için gerekli olan kuvvetler var olamazdı. Ve her zaman, bu elementlerin belirli bir kısmı uzayda uzun mesafeler kat eder ve bazen göktaşı çarpmaları şeklinde Dünya'ya yerleşir.
Doğada Elementler Nasıl Oluşur?
Demirin, sıradan metaller tarafından oluşturulabilen elementler açısından yaklaşık kesme noktasını temsil ettiğine inanılmaktadır. yıldız-yanma süreçleri (sanki bu süreçlerin kendileri herhangi bir şekilde gerçekten "sıradan"mış gibi) ve sadece yaratılabilenler süpernova tarafından.
Çoğu element - oksijen, atom numarası 8'e kadar, ancak muhtemelen demir içermez, atom numarası 26 - bir yıldız hidrojen kaynağını tüketmeye başladığında oluşur. Bir yıldızın "yanmasının" nedeni, sürekli olarak hidrojen ile sayısız füzyon reaksiyonu geçirmesidir. Helyum oluşturmak için diğer hidrojen atomlarıyla çarpışan en hafif element (atom numarası 1) (atom numarası 2). Sonunda, yıldızın en iç kısmında, helyum atomları gruplar halinde çarpışır ve karbonu oluşturur (atom numarası 6).
İnsan Vücudundaki Demir
Muhtemelen, yalnızca reklam iddialarına dayalı olarak, insan beslenmesinde demirin gerekli olduğunu kabul ediyorsunuz. gıda üreticileri ("Bu tahıl, A.B.D.'de önerilen günlük gıda miktarının yüzde 100'ünü içerir. Demir!"). Ancak bunun neden olduğunu bilmiyor olabilirsiniz.
Görünüşe göre, tipik insan vücudu yaklaşık 4 gram elementer demir içerir. Bu kulağa çok büyük bir şey gibi gelmeyebilir, ama vücudunuzun neden içinde herhangi bir metale ihtiyacı olsun ki? Aslında demir, kırmızı kan hücrelerinde (RBC) bulunan oksijen bağlayıcı protein olan hemoglobinin önemli bir parçasıdır. RBC'ler, oksijeni akciğerlerden hücresel solunumda kullandığımız dokulara taşır.
Yetersiz diyet alımı nedeniyle insanlar demir eksikliği olduğunda (demir etlerde bulunur, özellikle organ etleri ve bazı tahıllar) veya sistemik hastalık durumlarında, RBC'leri görevlerini yapamazlar. düzgün iş. Anemi adı verilen bu durumda, insanlar az miktarda bir efordan sonra nefes darlığı çekerler ve genellikle yorgunluk, baş ağrısı ve genel halsizlikten yakınırlar. Ağır vakalarda, anemiyi düzeltmek için kan nakli gerekebilir, ancak genellikle demir içeren haplar ve sıvılar ile takviye kullanılarak düzeltme yapılır.