مقدمه ای بر آهن

عنصر آهن فلزی نرم و خاکستری نقره ای است که با هوای اطراف ما بسیار واکنش پذیر است. آلیاژهای فوق العاده قوی دارد که در زمینه های مختلف تولید، ساخت و ساز و الکترونیک استفاده می شود. آهن همچنین نقش مهمی در بدن موجودات زنده دارد و حتی مسئول رنگ قرمز خون ما است.

ده حقیقت جالب و سرگرم کننده در مورد آهن

1. آهن به راحتی با اکسیژن و آب واکنش می دهد و اکسید آهن (III) یا اکسید آهن، که معمولاً به عنوان زنگ شناخته می شود، در واکنش نامتعادل زیر ایجاد می کند: Fe + O₂ + اچ₂O → Fe₂O₃اچ₂O
2. تحت آزمایش شعله، آهن یک رنگ طلایی درخشان را می سوزاند
3. نماد عنصر ‘Fe’ از نام لاتین آهن گرفته شده است “فروم” معنی استحکام.
4. آهن دومین فلز فراوان روی زمین است، پس از آلومینیوم
5. اعتقاد بر این است که هسته داخلی زمین عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده است.
6. آهن خالص در واقع مانند اکثر فلزات کاملاً نرم و انعطاف پذیر است – افزودن کربن و گرما باعث سفت شدن آهن می شود.
7. آهن را می توان بازیافت کرد، با مزایای زیست محیطی فوق العاده
8. تحقیقات نشان می دهد که گوشته مریخ دو برابر زمین آهن دارد و رنگ مایل به قرمز این سیاره در واقع زنگار سطح مریخ است.
9. از آهن برای ایجاد جرقه در آتش بازی استفاده می شود
10. محدوده آهن مجموعه ای از مناطق استخراج آهن در مجاورت دریاچه سوپریور است

آهن در جدول تناوبی

نماد عنصر آهن Fe است و عدد اتمی آن بیست و شش است. به عنوان یک فلز انتقالی، آهن در بلوک d، به ویژه در گروه 8 و دوره 4 قرار دارد. آرایش الکترونی آهن [Ar] 3d6 4s2، و بنابراین دارای 2 الکترون ظرفیت است. این یک عنصر بسیار پایدار است. الکترونگاتیوی آهن 1.83 در مقیاس پالینگ است.

اهمیت بیولوژیکی آهن

عنصر آهن یک ماده معدنی ضروری برای همه موجودات زنده است. در حیوانات، آهن برای ساختن هموگلوبین، پروتئینی در گلبول‌های قرمز خون که مسئول انتقال اکسیژن از ریه‌ها به بقیه بدن است، استفاده می‌شود. آهن همچنین در میوگلوبین، سلول های ماهیچه ای که اکسیژن را ذخیره و حمل می کند، وجود دارد. آهن بسیار کم در حیوانات می تواند منجر به کم خونی شود، در حالی که آهن اضافی می تواند سمی و برای بدن مضر باشد. مقدار توصیه شده روزانه ایالات متحده 18 میلی گرم آهن است. در گیاهان، آهن برای تولید کلروفیل ضروری است.

آلیاژهای عنصر آهن

آهن و کربن آلیاژ معروف فولاد را تشکیل می دهند. آهن عامل آلیاژی اصلی در فروآلیاژها است، طبقه بندی آلیاژهایی با کمتر از 50 درصد آهن و غلظت بالایی از سیلیکون، منگنز، آلومینیوم، نیکل، کروم، مولیبدن، وانادیم یا عناصر دیگر. فروآلیاژها برای استفاده مستقل مناسب نیستند. بلکه به دلیل نقطه ذوب پایین آنها به فولاد مایع اضافه می شوند تا فولاد آلیاژی ایجاد شود. بسته به عامل آلیاژی اصلی در فولاد آلیاژی، فلز می تواند خواص شیمیایی متفاوتی داشته باشد. به عنوان مثال بیسموت در فولاد ماشین کاری را بهبود می بخشد، سیلیکون خواص مغناطیسی را افزایش می دهد.

کاربردهای آهن در دنیای امروز

عنصر آهن برای چه مواردی استفاده می شود؟

کاربردهای ساختاری آهن

عنصر آهن در طراحی معماری و سازه بسیار مهم است. به عنوان یک عامل آلیاژی کلیدی، آهن به عنوان پایه در ساخت فولاد، ورق آهن، چدن و ​​آهن فرفورژه استفاده می شود. آهن و آلیاژهای آن در طیف گسترده‌ای از صنایع تولیدی استفاده می‌شوند و اجزای ساختاری کلیدی را در وسایل نقلیه، ساختمان‌ها، کشتی‌ها و سایر لوازم تشکیل می‌دهند. عنصر آهن می تواند سازه های بزرگتر و مستحکم تری را نسبت به سایر مصالح ساختمانی مانند سنگ، چوب و آجر با مصالح کمتر و هزینه کم تحمل کند. فولاد برای ساختمان ها، زیرساخت ها، ماشین آلات استفاده می شود. مهر فلزی، ساخت و خیلی چیزهای دیگر – مانند پشم فولادی که عمدتاً آهن خالص با کمی کربن اضافه شده است.

آهن به عنوان یک کاتالیزور

آهن فعال یا ترویجی نیز به عنوان کاتالیزور در انواع صنایع شیمیایی استفاده می شود. به طور خاص، مگنتیت، یک اکسید آهن، به عنوان یک کاتالیزور در فرآیند هابر بوش. آهن واکنش بین هیدروژن و نیتروژن را برای تولید آمونیاک، یک فرآیند صنعتی در مقیاس بزرگ، سرعت می بخشد. علاوه بر این، مگنتیت در فرآیندهای گاز به مایع (GTL) استفاده می شود که گاز طبیعی را به سوخت مصنوعی تبدیل می کند.

آهن کی و چگونه کشف شد؟

تاریخ آهن

مورخان و باستان شناسان معتقدند که عنصر آهن حدود پنج هزار سال است که مورد استفاده قرار می گرفته است. در حالی که قبلاً در تاریخ گهگاه از آن استفاده می شد، آهن در طول عصر آهن (1200 قبل از میلاد – 600 قبل از میلاد) رایج شد، مرحله سوم پیشرفت عصر سنگ-برنز-آهن. عصر آهن در حدود 1200 سال قبل از میلاد در مدیترانه و اروپای شرقی آغاز شد، اگرچه فقط به مناطق آسیایی نزدیک به 600 قبل از میلاد گسترش یافت. در این دوره زمانی آهن به تدریج جایگزین برنز به عنوان ماده اولیه ساخت ابزار و سلاح شد. مورخان گمان می‌کنند که زمانی که انسان‌ها ذوب آهن و کربن را برای ایجاد فولاد بسیار قوی‌تر رواج دادند، استفاده از آهن رایج‌تر شد.

چه کسی آهن را کشف کرد

در مورد کشف خاص آهن اطلاعات زیادی در دست نیست زیرا از زمان های قدیم توسط انسان ها استفاده می شده است. باستان شناسان می توانند مهره های آلیاژی آهن و نیکل را به 3200 سال قبل از میلاد مسیح ردیابی کنند.

آهن در کجای کیهان یافت می شود

آهن در طبیعت فوق العاده برجسته است. این عنصر چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین و دومین فلز پس از آلومینیوم، اکسیژن و سیلیکون است. همچنین اعتقاد بر این است که آهن جزء اصلی هسته زمین است. آهن به ندرت در طبیعت خالص یافت می شود. بلکه به صورت سنگ آهن، توده ای ترکیبی از آهن و سایر مواد معدنی و عناصر یافت می شود. رایج ترین سنگ معدن آهن عبارتند از: هماتیت (Fe₂O₃مگنتیت (Fe₃O₄لیمونیت (FeO(OH)·n(H2O))، گوتیت (FeO(OH)) و سیدریت (FeCO)₃و تاکونیت.

آهن همچنین در خورشید، ستاره ها و در شهاب سنگ ها یافت می شود. به طرز شگفت انگیزی، آهن در واقع می تواند در هسته ستاره ها ذوب شود. هلیوم پایه آغازین هسته یک ستاره است، اما اگر یک ستاره به اندازه کافی داغ باشد و انرژی کافی آزاد کند، می تواند به تدریج هلیم را به کربن، سپس به اکسیژن و سپس به سیلیکون ذوب کند. اگر ستاره ای آنقدر بزرگ باشد که جرم آن 8 تا 12 برابر خورشید باشد که به آن «ابرغول» می گویند، انرژی کافی برای ذوب هسته سیلیکونی خود به آهن دارد. در این مرحله ستاره مقادیر عظیمی انرژی آزاد می کند. با این حال، از آنجایی که ساختار اتمی آهن بسیار پایدار است، نمی توان آن را بیشتر ذوب کرد و هسته ستاره به طور ناگهانی نمی تواند تعادل خود را حفظ کند. در آن نقطه ستاره یا در یک ابرنواختر منفجر می شود یا به یک سیاهچاله فرو می ریزد.

شیمی آهن – ترکیبات، واکنش ها، حالت های اکسیداسیون

خواص شیمیایی عنصر آهن

عنصر آهن یک فلز بسیار واکنش پذیر شیمیایی است و آشکارا با اکسیژن هوای مرطوب واکنش می دهد. در واقع آهن آزاد به راحتی در طبیعت یافت نمی شود. آهن در آب حل می شود و با بخار واکنش می دهد و گاز هیدروژن تشکیل می دهد. آهن همچنین با اسیدهای هیدروهالیک واکنش می دهد و هالیدهای آهنی را تشکیل می دهد. علاوه بر این، آهن به دلیل ساختار الکترونیکی خود ترکیبات هماهنگی را تشکیل می دهد.

فرومغناطیس آهن

آهن یکی از سه فلزی است که در شرایط عادی (علاوه بر کبالت و نیکل) دارای خواص فرومغناطیسی است. بیشتر مواد حجیم مغناطیسی نیستند زیرا الکترون های جفت نشده آنها در جهت مخالف می چرخند و هر گونه خاصیت مغناطیسی را از بین می برند. اما هنگامی که یک ماده فرومغناطیسی با میدان های مغناطیسی خارجی مواجه می شود، الکترون های جفت نشده آن در واقع به موازات یکدیگر قرار می گیرند تا ماده را مغناطیسی کنند. علاوه بر این، فلزات فرومغناطیسی در واقع مغناطیس خود را پس از حذف نیروی خارجی حفظ می کنند. این مغناطیس زمانی از بین می رود که به حداکثر دما رسیده باشد که به دمای کوری معروف است.

چرا آهن زنگ می زند

آهن در مجاورت هوا به سرعت اکسید می شود و به اکسیژن و آب به عنوان محیطی نیاز دارد تا اغلب اکسید آهن (III) (Fe) را تشکیل دهد.₂O₃) و اکسید آهن (II، III) (Fe₃O₄). این اکسیدهای آهن، و بیشتر، در مجموع به عنوان زنگ شناخته می شوند. اکسیدهای آهن (II) می توانند تشکیل شوند و به عنوان نمک پایدار هستند، اما بیشتر به راحتی با آنیون های هیدروکسید یا اکسیژن به نمک های آهن (III) اکسید می شوند. زنگ زدگی یک فرآیند برگشت پذیر نیست و می تواند باعث انبساط فلز و در نتیجه افزایش تنش شود. زنگ زدن آهن اجتناب ناپذیر است، اما می توان اقداماتی را برای کاهش سرعت انجام داد. یک لایه روغن از رسیدن رطوبت به فلز جلوگیری می کند. گالوانیزه کردن آهن، پوشاندن آن در یک لایه نازک روی، همچنین از رسیدن اکسیژن و آب به فلز جلوگیری می کند. این روند زنگ زدگی را کند می کند.

ایالات اکسیداسیون آهن

عنصر آهن دارای طیف متنوعی از حالت های اکسیداسیون از جمله 0، +2، +3، +4 و +6 است، اما رایج ترین آنها Fe است.⁺² (آهنی) و Fe⁺³ (فرریک). آهن خالص را فقط در محیط های کم اکسیژن به دلیل اکسیداسیون آسان می توان یافت. آهن می تواند به راحتی بین حالت های اکسیداسیون +2 و +3 جابجا شود.

ترکیبات آهن

از آنجایی که آهن بسیار واکنش پذیر است، ترکیبات زیادی از جمله اکسیدها، هیدروکسیدها، هالیدها، سولفات ها، سولفیدها و کلریدها را تشکیل می دهد. به دلیل تمایل به حالت های اکسیداسیون +2 و +3، معمولاً ترکیبات دو ظرفیتی و سه ظرفیتی را تشکیل می دهد. برخی از ترکیبات اضافی فراتر از اکسیدها عبارتند از:

سولفات ها:

> FeSO₄ (Ferrous Sulfate): به صورت خالص از فروس سولفات برای درمان کم خونی فقر آهن استفاده می شود.

> Fe₂(بنابراین₄)₃ (سولفات آهن): سولفات آهن دارای مزایای پزشکی اضافی است. معمولاً به عنوان یک عامل هموستاتیک در طول جراحی استفاده می شود.

> FeSO₄·7H2O (ویتریول سبز): هپتا هیدرات سولفات آهن یک سولفات آهن کریستالی سبز یا سبز است. این با ترکیب اسید سولفوریک رقیق با آهن، که اغلب به عنوان یک محصول جانبی صنعتی ایجاد می شود، تولید می شود. همچنین به عنوان ویتریول سبز شناخته می شود و در ساخت آفت کش ها و کودها استفاده می شود.

کلریدها:

> FeCl₂ (Ferrous Chloride): یک کلرید آهنی متمایل به زرد متمایل به سبز با عبور هیدروژن کلرید خشک از روی آهن داغ تشکیل می شود. می توان آن را به شکل مایع FeCl تولید کرد₂∙4H2O با حل کردن آهن جامد در اسید کلریدریک. کلرید آهن بیشتر در صنعت رنگ به عنوان یک عامل کاهنده استفاده می شود.

> FeCl₃ (Ferric Chloride): کلرید فریک محلول بی رنگ یا قهوه ای روشن است که به طور گسترده به عنوان یک عامل کلر کننده رایج استفاده می شود. انحلال سنگ آهن به طور مستقیم در اسید کلریدریک، کلرید آهن تولید می کند، همانطور که اکسید کننده کلرید آهن (II) با گاز کلر تولید می شود.

سولفیدها:

> FeS₂ (پیریت): همچنین به طلای احمقان معروف است، پیریت به طور طبیعی یافت می شود و در طبیعت فراوان است. رنگ زرد برنجی براق آن می تواند باعث شود که آن را با طلا اشتباه بگیرند. با این حال، آرایش شکننده، عدم قابلیت استفاده، و در دسترس بودن گسترده آن را بی‌سود می‌سازد. پیریت را می توان با لبه های ناهموارش از طلا متمایز کرد، برخلاف طلا که بسیار صاف تر است. طلای احمق ها نیز به هجوم طلا در دهه 1840 کمک کرد.

جداسازی آهن

استخراج آهن از سنگ آهن عموماً در کوره بلند از طریق واکنش ردوکس صورت می گیرد. سنگ آهن و معمولاً کربن (یا مونوکسید کربن) در یک ظرف بزرگ با هم قرار می گیرند و گرم می شوند. از آنجایی که کربن واکنش پذیرتر است، کربن اکسید می شود و آهن برای تولید آهن مایع کاهش می یابد.

این را می توان در واکنش زیر مشاهده کرد:

2 Fe₂O₃(s) + 3C(s) → 4Fe(l) + 3CO₂(g)

واکنش مشابهی را می‌توان با آلومینیوم به‌عنوان عامل کاهنده در یک اکسیداسیون – احیا گرمازا به نام واکنش ترمیت انجام داد.

خواص فیزیکی آهن

آهن یک فلز جامد خاکستری نقره ای براق است که به شکل خالص بسیار انعطاف پذیر است.

• نماد: Fe
• نقطه ذوب: 1536 C
• نقطه جوش: 2861 C
• چگالی: 7.8 گرم در سانتی متر-3
• وزن اتمی: 55.845
• عدد اتمی: 26
• الکترونگاتیوی: 1.83
• طبقه بندی: فلز انتقالی، فلز گروه 8
• فراوانی طبیعی 5 درصد در پوسته زمین
• پیکربندی پوسته الکترونی:[Ar] 3d6 4s2
• ایزوتوپ ها: 5.845 درصد از ⁵⁴آهن 91.754 درصد از ⁵⁶آهن، 2.119٪ از ⁵⁷آهن و 0.286 درصد از ⁵⁸Fe.
• به طور طبیعی در مواد معدنی یافت می شود: هماتیت، مگنتیت، تاکونیت

از کجا می توانم آهن المنتال بخرم؟

آهن را می توان به صورت آنلاین در فروشگاه هایی مانند آمازون یافت. مصالح ساختمانی آهنی را نیز می توان در بسیاری از فروشگاه های سخت افزار یا لوازم خانگی یافت. پودر آهن خالص به راحتی در اینترنت یافت می شود – فقط مطمئن شوید که در واقع اکسید آهن یا آلیاژ آهن نمی خرید.