آهن
اطلاعات اولیه
آهن ، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدد اتمی 26 وجود دارد. آهن فلزی است که در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی قرار دارد.
تاریخچه
اولین نشانه‌های استفاده از آهن به زمان سومریان و مصریان بر می‌گردد که تقریبا" 4000 سال قبل از میلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگها اقلام کوچکی مثل سر نیزه و زیور آلات می‌ساختند. از 2000 تا 3000 سال قبل از میلاد ، تعداد فزاینده ای از اشیاء ساخته شده با آهن مذاب ( فقدان نیکل ، این محصولات را از آهن شهاب سنگی متمایز می‌کند ) در بین‌النهرین ، آسیای صغیر و مصر به چشم می‌خورد؛ اما ظاهرا" تنها در تشریفات از آهن استفاده می‌شد و آهن فلزی گرانبها حتی باارزش‌تر از طلا به‌حساب می‌آمد.
بر اساس تعدادی از منابع آهن ، بعنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می‌شد - مثل آهن اسفنجی – و بوسیله متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است. از 1600 تا 1200 قبل از میلاد در خاورمیانه بطور روز افزون از آین فلز استفاده می‌شد، اما جایگزین کابرد برنز در آن زمان نشد.
تبر آهنی متعلق به عصر آهن سوئد در گاتلند سوئد یافت شده است. از قرن 10 تا 12 در خاورمیانه یک جابجایی سریع در تبدیل ابزار و سلاحهای برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جابجائی ، آغاز ناگهانی تکنولوژیهای پیشرفته کار با آهن نبود، بلکه عامل اصلی ، مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمانهای مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد، دوره ای از تمدن به نام عصر آهن را بوجود آورد.
همزمان با جایگزینی آهن به جای برنز ، فرآیند کربوریزاسیون کشف شد که بوسیله آن به آهن موجود در آن زمان ، کربن اضافه می‌کردند. آهن را بصورت اسفنجی که مخلوطی از آهن و سرباره به همراه مقداری کربن یا کاربید است، بازیافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش‌کاری جدا نموده وم حتوی کربن را اکسیده می‌کردند تا بدین طریق آهن نرم تولید کنند.
مردم خاور میانه دریافتند که با حرارت دادن طولانی مدت آهن نرم در لایه ای از ذغال و آب دادن آن در آب یا روغن می‌توان محصولی بسیار محکمتر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است، از برنزی که قبلا" کاربرد داشت محکمتر و مقاوم‌تر بود. در چین نیز اولین بار از آهن شهاب سنگی استفاده شد و اولین شواهد باستان شناسی برای اقلام ساخته شده با آهن نرم در شمال شرقی نزدیک Xinjiang مربوط به قرن 8 قبل از میلاد بدست آمده است. این وسایل از آهن نرم و با همان روش خاورمیانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان می‌رفت که برای مردم غیر چینی هم ارسال می‌کردند.
در سالهای آخر پادشاهی سلسله ژو ( حدود 550 قبل از میلاد) به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره ، قابلیت تولید آهن جدیدی بوجود آمد. ساخت کوره‌های بلندی که توانایی حرارتهای بالای k 1300 را داشت، موجب تولید آهن خام یا چدن توسط چینِی‌ها شد. اگر سنگ معدن آهن را با کربن k 1470-1420 حرارت دهیم، مایع مذابی بدست می‌آید که آلیاژی با 5/96% آهن و 5/53% کربن است. این محصول محکم را می‌توان به شکلهای ریز و ظریفی در آورد. اما برای استفاده ، بسیار شکننده می‌باشند، مگر آنکه بیشتر کربن آنرا از بین ببرند.
از زمان سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات آهن در چین به شکل چدن است. با این همه آهن بعنوان یک محصول عادی که برای صدها سال مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است، باقی ماند و تا زمان سلسله شین ( حدود 221 قبل از میلاد ) عظمت چین را واقعا" تحت تاثیر قرار نداد.
توسعه چدن در اروپا عقب افتاد، چون کوره‌های ذوب در اروپا فقط توانایی k 1000 را داشت. در بخش زیادی از قرون وسطی در اروپای غربی آهن را همچنان با روش تبدیل آهن اسفنجی به آهن نرم بدست می‌آوردند. تعدادی از قالب‌گیریهای آهن در اروپا بین سالهای 1150 و 1350 بعد از میلاد در دو منطقه در سوئد به نامهای Lapphyttan و Vinarhyttan انجام شد.
دانشمندان می‌پندارند شاید این روش بعد از این دو مکان تا مغولستان آن سوی روسیه ادامه یافته باشد، اما دلیل محکمی برای اثبات این فرضیه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رویدادی یک بازار برای کالاهای چدنی بوجود آمد، مانند درخواست برای گلوله‌های توپ چدنی.
در آغاز برای ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتی و هم عامل کاهنده استفاده می‌شد. در قرن 18 در انگلستان تامین کنندگان چوب کم شدند و از زغال سنگ که یک سوخت فسیلی است، بعنوان منبع جانشین استفاده شد. این نوآوری بوسیله Abraham Darby انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.
پیدایش :
آهن یکی از رایج‌ترین عناصر زمین است که تقریبا" 5% پوسته زمین را تشکیل می‌دهد.
آهن از سنگ معدن هماتیت که عمدتا" Fe2O3 می‌باشد، استخراج می‌گردد. این فلز را بوسیله روش کاهش با کربن که عنصری واکنش‌‌پذیرتر است جدا می‌کنند. این عمل در کوره بلند در دمای تقریبا" 2000 درجه سانتیگراد انجام می‌پذیرد.
در سال 2000 ، تقریبا" 1100 میلیون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاری تقریبا" 25 میلیارد دلار آمریکا استخراج شد. درحالیکه استخراج سنگ معدن آهن در 48 کشور صورت می‌گیرد، چین ، برزیل ، استرالیا ، روسیه و هند با تولید 70% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ تولید کنندگان آن به‌حساب می‌آیند. برای تولید تقریبا" 572 میلیون تن آهن خام 1100 میلیون تن سنگ آهن مورد نیاز است.
خصوصیات قابل توجه
جرم یک اتم معمولی آهن 56 برابر جرم یک اتم معمولی هیدروژن می‌باشد. عقیده بر این است که آهن ، دهمین عنصر فراوان در جهان است. Fe مخفف واژه لاتین ferrum برای آهن می‌باشد. این فلز ، از سنگ معدن آهن استخراج می‌شود و به‌ندرت به حالت آزاد (عنصری) یافت می‌گردد.
برای تهیه آهن عنصری ، باید ناخالصیهای آن با روش کاهش شیمیایی از بین برود. آهن برای تولید فولاد بکار می‌رود که عنصر نیست، بلکه یک آلیاژ و مخلوطی است از فلزات متفاوت ( و تعدادی غیر فلز بخصوص کربن ). هسته اتمهای آهن دارای بیشترین نیروی همگیر در هر نوکلئون هستند بنابراین آهن با روش همجوشی ، سنگین‌ترین و با روش شکافت اتمی ، سبکترین عنصری است که بصورت گرمازایی تولید می‌شود.
وقتی یک ستاره که دارای جرم کافی می‌باشد چنین کاری انجام دهد، دیگر قادر به تولید انرژی در هسته‌اش نبوده و یک ابر اختر پدید می‌آید. آهن رایج‌ترین فلز در جهان به حساب می‌آید. الگوهای جهان شناختی با یک جهان باز پیش‌بینی زمانی را می‌کند که در نتیجه واکنشهای همجوشی و شکافت هسته ، همه چیز به آهن تبدیل خواهد شد!
کاربردها :
کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و 95 درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد. قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آنرا بخصوص در اتومبیلها ، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذیر می‌کند. فولاد معروف‌ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه‌های آهن به شرح زیر می‌باشد:
آهن خام که دارای 5%-4% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد ، سیلیکون و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.
چدن ، شامل 5/3%-2% کربن و مقدار کمی منگنز می‌باشد. ناخالصیهای موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آنرا تحت تاثیر منفی قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می‌یابند. نقطه ذوب چدن بین k 1470-1420 می‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می‌کند. چدن بسیار محکم ، سخت و شکننده می‌باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می‌شود.
فولاد کربن شامل 5/1% - 5/0% کربن و مقادیر کم منگنز ، گوگرد ، فسفر و سیلیکون است.
آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از 5/0% کربن می‌باشد و محصولی محکم و چکش‌خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد). اگر یک لبه آن تیز شود، به‌سرعت تیزی خود را از دست می‌دهد.
فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن بعلاوه فلزات دیگر مانند کروم ، وانادیم ، مولیبدن ، نیکل ، تنگستن و ... می‌باشد.
اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را بصورت محلول هم حفظ می‌کنند.
ترکیبات
معمولترین حالات اکسیداسیون آهن عبارتند از:
حالت فروس 2+Fe
حالت فریک 3+Fe
حالت فریل 4+Fe که با تعدادی آنزیم ( مثلا" پیروکسیدازها ) پایدار شده است.
آهن ( VI) هم معروف است (اگرچه کمیاب می‌باشد). درصورتیکه به شکل فرات پتاسیم باشد، ( K2FeO ) یک اکسید کننده انتخابی برای الکلهای نوع اول می‌باشد. این ماده جامد فقط در شرائط خلاء و ارغوانی تیره پایدار است، هم به صورت محلول سوزآور و هم بصورت یک ماده جامد.
کاربید آهن Fe3C به نام سمنتیت معروف است.
بیولوژی:
آهن ، اتم اصلی مولکول هِم ( بخشی از گلبول قرمز) و بنابراین جزء ضروری تمامی هموپروتئین‌ها محسوب می‌شود. به همین علت ، وجود این عنصر در حیوانات حیاتی می‌باشد. همچنین آهن غیر آلی در زنجیره‌های آهن – گوگرد بسیاری از آنزیمها یافت می‌شود. باکتریها اغلب از آهن استفاده می‌کنند. وقتی بدن در حال مبارزه با یک عفونت باکتریایی است، برای عدم دستیابی باکتری به آهن ، این عنصر را پنهان می‌کند.
ایزوتوپ ها :
آهن بطور طبیعی دارای چهار ایزوتوپ پایدار Fe-54 , Fe56 , Fe-57 , Fe-58 می‌باشد. فراوانی نسبی ایزوتوپهای آهن در طبیعت تقریبا" Fe-54 8/5% ، Fe-56 7/91%، Fe-57 2/2% و Fe-58 3/0% است.Fe-60 که نوکلید پرتوزای غیر فعال است، دارای نیمه عمر 5,1 (Myr) می‌باشد. بیشتر تلاش گذشته برای اندازه گیری ترکیبات ایزوتوپی آهن به‌علت فرآیندهایی که توام با نوکلئوسنتز ( مانند مطالعات شهاب سنگها ) و شکل‌گیری کانی‌ها هستند، حول محور تعیین انواع مختلف Fe-60 صورت گرفته است.