Коли ви замислюєтесь над походженням заліза, ваш розум, мабуть, заблукає у видіннях металургійних заводів середньовічного віку кузні або якийсь інший виробничий процес, що характеризується важкою, практичною роботою і дуже високим температури. Але крім того, що залізо є різновидом металу, який по-різному використовується в людській промисловості, залізо також є елементом, а не сполукою чи сплавом, а це означає, що можна виділити один атом заліза. Це не відповідає більшості звичних матеріалів; наприклад, найменша кількість води, яку все ще можна назвати водою, включає три атоми, один з них кисень, а інші два водень.
Цікаво, що хоча люди пов'язують залізо з незвично високими температурами у виробничих налаштуваннях тут Земля, залізо як елемент зобов’язане своє існування подіям, настільки гарячим і настільки далеким, що їх кількість навряд чи зробить сенс. Таким чином, вивчення того, як виробляється залізо, вимагає двох паралельних процесів: Дослідження того, як з’явилося залізо і як воно дійшло до Землі, і як люди на Землі виробляють і використовують заліза щодня, а також спеціалізуються діяльності. Ці теми, у свою чергу, запрошують на дискусію щодо використання заліза в живих системах та в живих системах, а також загальний погляд на те, як різні елементи як походять, так і поширюються по космосу.
Коротка історія заліза
Залізо відоме людству приблизно з 3500 р. До н. Е., Або понад 5500 років тому. Його назва походить від англосаксонської версії, яка була "ірен". Символ заліза періодичної таблиці Fe походить від латинського слова заліза, яке є ферум. Якщо ви переглядаєте аптеку і випадково бачите препарати заліза, ви помітите, що більшість їх назв є «залізними» чимось іншим (наприклад, сульфатом або глюконатом). Щоразу, коли ви бачите слово «заліза» або «заліза» у контексті хімії, ви повинні негайно визнати, що обговорюється залізо; "Іронія", хоч і чудове і корисне слово, не має жодної ролі у світі фізичної науки.
Хімічні факти про залізо
Залізо (скорочено Fe) класифікується як метал не тільки для повсякденних цілей, але й у періодичній системі елементів (див. Інтерактивний приклад див. Ресурси). Це, мабуть, не викликає подиву, але насправді метали переважають неметали в природі з великим відривом; із 113 елементів, які люди відкрили або створили в лабораторних умовах, 88 класифікуються як метали.
Атоми, як ви вже могли знати, складаються з ядра, що містить суміш протонів і нейтронів приблизно однакової маси, оточених "хмарою" майже безмасових електронів. Протони та електрони несуть заряд однакової величини, але заряд протонів позитивний, тоді як заряд електронів - негативний. Атомний номер заліза дорівнює 26, це означає, що залізо має 26 протонів і 26 електронів у своєму електрично нейтральному стані. Його атомна маса, яка в округленні - це просто сума або протони та нейтрони, становить лише 56 грамів на моль, що означає, що її найбільш хімічно стабільна форма містить (56 - 26) = 30 нейтронів.
Залізо має деякі грізні фізичні властивості. Він має щільність 7,87 г / см3, що робить його майже у вісім разів щільнішим за воду. (Щільність - це маса на одиницю об’єму; води визначається як 1,0 г / см3 за домовленістю.) Залізо - тверда речовина при температурі 20 градусів Цельсія (68 F), яке зазвичай вважається "кімнатною температурою" для хімічних цілей. Його температура плавлення надзвичайно висока 1538 C (2800 F), тоді як його температура кипіння - тобто температура, при якій рідке залізо починає випаровуватися і перетворюється на газ - палюча 2861 C (5182 F). Тож не дивно, що у металообробці види печей, які використовуються, мають бути справді надзвичайно потужними.
Залізо за масою є четвертим за поширеністю елементом земної кори. Загальна частка заліза на Землі може бути значно більшою, однак, враховуючи, що розплавлене ядро планети складається, головним чином, зі скрапленого заліза, нікелю та сірки. Коли залізо видобувається із землі під час гірничих робіт, воно має форму руди, яка є елементарним залізом, змішаним з одним або декількома типами гірських порід. Найпоширенішим видом залізних руд є гематит, але магнетит і таканіт також є важливими джерелами цього металу.
Залізна іржа, або корозія, дуже легко порівнюється з іншими металами. Це створює проблеми для інженерів, оскільки в даний час дев'ять десятих металу, що переробляється, включає залізо.
Використання заліза
Більшість заліза, видобутого для людських потреб, намотується у вигляді сталі. "Сталь" - це сплав, що означає суміш металів. Популярною формою цього продукту сьогодні називають вуглецеву сталь, що дещо вводить в оману, оскільки вуглець вносить лише незначну частку маси цієї сталі у всіх її формах. У вуглецевій сталі з найвищим рівнем вуглецю вуглець становить близько 2 відсотків маси металу; цей показник може коливатися до 1/10 від 1 відсотка без втрати металом титулу "вуглецева сталь".
Вуглецева сталь, у свою чергу, може бути стратегічно підроблена іншими металами для отримання сплавів з певними бажаними властивостями. Наприклад, нержавіюча сталь - це форма вуглецевої сталі, що містить значну кількість хрому - понад 10 відсотків за масою. Цей матеріал славиться своєю довговічністю та тенденцією зберігати блискучий блискучий вигляд протягом тривалих періодів завдяки високій стійкості до корозії. Нержавіюча сталь вирізняється архітектурою, кульковими підшипниками, хірургічними інструментами та посудом. Швидше за все, якщо ви можете чітко побачити своє відображення на чисто металевій поверхні, ви дивитесь на якусь нержавіючу сталь.
Коли розумна кількість таких металів, як нікель, ванадій, вольфрам і марганець, інтегруються в сталь, це робить і без того тверду речовину ще твердішою; отже, ці леговані сталі добре підходять для включення в мости, ріжучі інструменти та компоненти електричної мережі.
Чавун, що не називається сталевим, називається чавуном, містить велику кількість вуглецю (принаймні за стандартами металообробки): від 3 до 5 відсотків. Чавун не такий міцний, як сталь, але він значно дешевший, тому при переході від сталі до лиття залізо, ти робиш той самий загальний компроміс, який ти робиш, переходячи від головного ребра до 70 відсотків худих гамбургер.
Як виготовляється залізо?
Залізо на Землі виготовляється, або, більш правильно, добувається, із залізної руди. «Залізна» порція залізної руди містить кисень, піски та глини в різних кількостях залежно від типу руди. Робота металургійного заводу, як називали найперші такі заводи, полягає у видаленні якомога більшої кількості гірських порід та інших піщинок, залишаючи залізо позаду - мало інакше в принципі від лущення арахісу або очищення апельсина до гарної частини, за винятком того, що у випадку залізної руди залізо не просто оточене одноразовим матеріал; це змішується прямо з ним.
Незважаючи на жахливі температури та загальні фізичні випробування залізних виробів, люди вже використовували їх у дохристиянські часи. Обробка заліза вперше дійшла до Британських островів через материкову Європу та Західну Азію у 5 столітті до н. Е. Тоді залізо було фізично відокремлено від максимально можливий небажаний матеріал, використовуючи лише вугілля, глину та саму руду, нагріті до температур, які були помірними порівняно з тим, що слідувати. У кожному разі, виплавка велася до 1500 р. До н. Е., Але майже 30 століть пізніше, в 1400-х роках, була винайдена доменна піч, змінивши "галузь" (така, як вона була) докорінно і назавжди.
Сьогодні залізо отримують нагріванням гематиту або магнетиту в доменній печі разом із формою вуглецю, яка називається "кокс", а також карбонатом кальцію (CaCO3), більш відомий як вапняк. Це дає сполуку, яка містить близько 3 відсотків вуглецю та інших домішок - не ідеальної якості, але достатньо хорошої для виготовлення сталі. Щороку по всьому світу виробляється близько 1,3 мільярда метричних тонн (приблизно 1,43 мільярда тонн США, або майже 3 трильйони фунтів) сирої сталі.
Звідки взялося залізо?
Звідки "береться" залізо у вашій посудомийній машині з нержавіючої сталі або дров'яній печі - це, можливо, набагато менш цікаве питання, ніж те, як спочатку існувало залізо де-небудь у Всесвіті. Залізо вважається важким елементом, і елементи цього типу можуть створюватися лише в катастрофічних подіях "зоряної смерті", які називаються надновими. У той час як більшість зірок наче спалахують, згоряючи через запас водню, деякі зірки буквально згасають на ура.
Це статистично рідкісні події, що трапляються лише кілька разів на кожні сто років протягом цього періоду всієї галактики Чумацький Шлях, масивна повільно обертається купа зірок та іншої речовини, яку називають люди додому. Але вони також життєво важливі. Без них сили, необхідні для того, щоб змусити значні дрібні елементи зливатися при ударі і створити ще більші елементи, такі як залізо, мідь, ртуть, золото, йод і свинець, не існували б. І весь час певна частка цих елементів проходить великі відстані через космос і осідає на Землі, іноді у вигляді ударів метеоритів.
Як утворюються елементи в природі?
Вважається, що залізо представляє приблизну точку відсікання з точки зору елементів, які можуть генеруватися звичайними зоряні процеси згоряння (ніби самі ці процеси справді будь-якими способами справді "звичайні") та ті, які можна лише створити надновими.
Більшість елементів - кисень, атомний номер 8, але, мабуть, не включаючи залізо, атомний номер 26 - створюються, коли зірка починає вичерпувати запас водню. Причина, по якій зірка "горить", полягає в тому, що вона постійно зазнає незліченних реакцій синтезу з воднем, найлегший елемент (атомний номер 1), що стикається з іншими атомами водню, утворюючи гелій (атомний номер 2). Зрештою, у внутрішній частині зірки атоми гелію стикаються групами, утворюючи вуглець (атомний номер 6).
Залізо в організмі людини
Ви, мабуть, визнаєте залізо як важливе у харчуванні людини, засноване виключно на рекламних претензіях виробники харчових продуктів ("Ця крупа містить 100 відсотків рекомендованої США добової норми залізо! "). Однак ви можете не знати, чому це так.
Як виявляється, типовий людський організм містить близько 4 грамів елементарного заліза. Це може звучати не дуже, але навіщо вашому тілу взагалі потрібен будь-який метал? Насправді залізо є важливою частиною гемоглобіну - киснезв’язуючого білка, який міститься в еритроцитах. Еритроцити транспортують кисень з легенів до тканин, де він використовується у клітинному диханні.
Коли люди відчувають дефіцит заліза через недостатнє споживання їжі (залізо міститься в м’ясі, особливо м'ясо органів, а також певні зерна) або системні захворювання, їх еритроцити не можуть зробити своє роботу належним чином. У цьому стані, який називається анемією, люди задихаються після помірних навантажень і часто страждають від втоми, головних болів та загальної слабкості. У важких випадках для корекції анемії може знадобитися переливання крові, хоча, як правило, корекція проводиться з використанням добавок із вмістом заліза в таблетках та рідинах.