تاریخچه آهن

  علامت Fe و کلماتی مثل Ferrous از کلمه لاتین فروم Ferrum گرفته شده است. واژه فارسی آهن احتمالاً دارای چند ریشه لغوی است؛ این واژه ممکن است از ریشه (ai) واژه‌ سانسکریت آیاس(Ayas) آمده باشد که واژه‌ی لاتین(Aes) به معنای مس نیز از آن مشتق شده است. برخی نیز واژه آهن را مشتق از واژه‌های آیزین(Aisen) آلمانی و آیرون(Iron) انگلیسی می‌دانند. همچنین این واژه ممکن است وابسته به گروهی از واژه‌ها از ریشه آس باشد، مانند آسن(Asan) در سانسکریت به معنای سنگ یا آسمان، شاید این واژه با اندیشه‌های هومری(Homeric) مرتبط باشد که آنها عقیده داشتند که آسمان جامی فلزی است. باستان‌شناسی تاریخ قدیم نشان می‌دهد اولین نشانه‌های استفاده از آهن متعلق به حدود 4000 سال قبل از میلاد یعنی زمان سومری‌ها و مصریان می‌باشد. در آن زمان ابزارهای کوچکی مانند سرنیزه و زیورآلات که از آهن شهاب‌سنگ‌ها به دست آمده بود، مورد استفاده قرار می‌گرفت. از آن جا که شهاب‌سنگ‌ها از آسمان بر روی زمین می‌افتادند، برخی زبان‌شناسان معتقدند که واژه‌ی انگلیسی Iron که با بسیاری از زبان‌های اروپای غربی و شمالی هم ریشه است، از واژه‌ی Etruscan aisar به معنی خدایان گرفته شده است.

تبر آهنی متعلق به 12 قرن قبل از میلاد

    * از 3000 تا 2000 سال قبل از میلاد، تعداد اشیا آهنی ذوب شده(که به دلیل نبود نیکل در آهن حاصل از شهاب‌سنگ‌ها قابل تشخیص است) در بین‌النهرین، ترکیه و مصر افزایش یافت. اما به نظر می‌رسد استفاده از آهن تشریفاتی بوده و آهن جزء فلزات گرانبها به حساب می‌آمده است و حتی قیمت آن از طلا نیز بیشتر بوده است. در Illiad تسلیحات جنگی اکثراً از جنس مفرغ بوده و شمش آهن برای تجارت به کار برده می‌شده است. برخی از منابع بیان می‌کنند ابتدا آهن به صورت آهن اسفنجی و به عنوان یک محصول فرعی برای پالایش مس مورد استفاده قرار می‌گرفت و در آن زمان امکان بازیافت آهن وجود نداشت. طی سال‌های 1200 تا 1600 قبل از میلاد، آهن به طور فزاینده‌ای در خاورمیانه استفاده می‌شد، اما استفاده از مفرغ هنوز هم غالب بود.
   دوره‌ی زمانی بین قرن 10 تا 12 قبل از میلاد در خاورمیانه، دوره انتقال ابزار و سلاح‌های مفرغی به آهن بود. به نظر می‌رسد عامل اصلی افزایش استفاده از آهن، کاهش ذخایر قلع بوده و افزایش تکنولوژی آهن‌کاری تاثیر کمتری در آن داشته است. این دوره‌ گذار‌ که در زمان‌های متفاوت در نقاط مختلف دنیا رخ داد، عصر تمدن یا عصر آهن نامیده شد.

*  همزمان با مرحله‌ گذار از مفرغ به آهن، carburization که فرآیند اضافه کردن کربن به آهن است کشف شد. در این زمان آهن بیشتر به شکل آهن اسفنجی مورد استفاده قرار می‌گرفت. آهن اسفنجی ترکیبی از آهن و سرباره بود که همراه با مقداری کربن و کربور طی چندین مرحله چکش می‌خورد تا سرباره و اکسید کربن از آن آزاد شود و آهن کار شده(فرفورژه) تولید گردد. آهن کار شده مقدار کمی کربن داشت و در هنگام سرد شدن به آسانی سخت نمی‌شد. مردم خاورمیانه متوجه شدند که یک محصول سخت‌ با حرارت دادن طولانی مدت آهن کار شده در درون زغال چوب(که در آب یا روغن سرد می‌شد)، حاصل می‌گردد. محصول نهایی که پوششی از فولاد داشت سخت‌تر بود و خاصیت شکنندگی کمتری نسبت به مفرغ داشت.

   * در کشور چین در ابتدا آهن شهاب‌سنگ‌ها استفاده می‌شد و با توجه به شواهد باستان‌شناسی ابزارهایی از جنس آهن کار شده در شمال غرب چین در نزدیکی Xinjiang پیدا شده است که متعلق به قرن 8 قبل از میلاد است. آهن کار شده در این منطقه به وسیله‌ همان فرآیندی که در خاورمیانه و اروپا تولید می‌شد، ساخته شده است و به نظر می‌رسد توسط غیر چینی‌ها به این کشور وارد شده است.
   اگر در دماهای 1420 تا 1470 درجه‌ی کلوین، آهن همراه با کربن حرارت داده شود، ماده‌ مذاب یک آلیاژ با حدود 95% آهن و 5/3% کربن، شکل می‌گیرد. این محصول قوی بود و به اشکال مختلف قالب‌گیری می‌شد، اما در هنگام کار کردن به شدت شکننده بود. اگر این محصول کربن‌گیری می‌شد و کلیه‌ کربن خود را از دست می‌داد از شکنندگی کمتری برخوردار بود. از زمان سلسله Zhou اکثر آهنی که در چین ساخته شد از نوع چدن بود. مدت زمان طولانی آهن در این کشور به صورت یک محصول فرعی و حاشیه‌ای توسط کشاورزان مورد استفاده قرار می‌گرفت و تا زمان سلسله‌ی Qin(حدود 221 قبل از میلاد) مورد توجه اشراف چین واقع نشد.

 * فردوسی شناختن آهن و صنعت آن را در شاهنامه به ایرانیان نسبت می‌دهد ولی تحقیقات تاریخی دقیق‌تر نشان می‌دهد که صنعت ذوب آهن برای اولین بار به وسیله هیتیت‌ها(Hiytites)، قومی که در حدود 15 قرن قبل از میلاد مسیح در آسیای صغیر زندگی می‌کردند، شروع شده و به خاطر اهمیت زیادی که داشت تا 1200 سال قبل از میلاد که مقارن با سقوط امپراطوری هیتاتیت است، نحوه‌ این عمل به صورت رازی محفوظ نگه داشته شد. در همان زمان، دانش ذوب و تصفیه‌ آهن از حالت راز خارج و همگانی شد و به دنبال آن عصر آهن شروع گردید(Greenwood and Earnshaw, 1985) و ایرانیان این صنعت را از آنها اقتباس کرده، با تغییراتی که در نحوه تهیه آهن و فولاد وارد کردند بر سهولت کاربرد آن افزودند. به این ترتیب می‌توان گفت ایران یکی از قدیمی‌ترین کشور‌های است که در آهن در آن مورد استفاده قرار می‌گرفته است.

 *   خود فلز آهن مدت‌ها قبل از آن تاریخ به وسیله مصریان شناخته شده بود ولی این فلز در آن روزگار به اندازه‌ای نایاب و گران بود که آن را در ردیف اشیاء قیمتی قرار می‌دادند. مثلاً‌ به طوری‌ که از نوشته‌ها بر می‌آید در شهر بابل در سال 2000 قبل از میلاد در دوره سلطنت حمورابی قیمت آهن هشت برابر قیمت نقره بوده است. علت عمده این وضع مشکلات تهیه آهن بوده است(آسایش،1374).
   در زمان‌های گذشته تولید آهن در کوره‌های حفره‌دار، چال‌های کوچک که از گل یا پاره‌سنگ ساخته می‌شد، انجام می‌گرفت. این کوره‌ها را آتش فرار یا کوره‌های فرار می‌نامیدند. چون سنگ معدن در داخل آن نسبتاً ذوب می‌شد و از هم می‌پاشید. در این کوره‌ها نخست مواد خالص را از سنگ‌آهن جدا و آن را شستشو می‌دادند و سپس سنگ معدن‌هایی خالص را با زغال چوب ترکیب و با دمیدن باد توسط دستگاه‌های کوچک دستی آن را ذوب می‌کردند. بعد از این مرحله، کلوخه‌های آهن که قابلیت چکش‌خواری داشتند، بدست می‌آمد. به خاطر تولید آهن با خلوص بیشتر، این کلوخه‌ها را چندین بار حرارت داده و به وسیله‌ آهنگری سرباره‌ آن را جدا می‌کردند. بلافاصله بعد از جدا کردن سرباره، وسایل مورد نیاز از قبیل اسلحه و وسایل منزل می‌ساختند.
* مدت‌ها بعد که دستگاه‌های دم به وسیله‌ نیروهای مولد آب به کار افتاد، توانست کوره‌های فرار را بلندتر سازد و با مقادیر بیشتری سنگ معدن و زغال چوب آن را پر کند. این کوره‌های بزرگ، کوره‌های قطعه‌ای نامیده می‌شد. در منطقه‌ی "زیگرلند" آثار تولید آهن تا سال‌های قبل از میلاد یافت می‌شد و کوره‌ بلند که تحول یافته‌ کوره‌های قطعه‌ای بود، برای نخستین بار در این منطقه شروع به کار کرد. در اواسط قرن 18 میلادی برای نخستین بار در انگلستان توانستند در کوره‌های بلند به جای زغال چوب از زغال سنگ(کک) استفاده کنند. استفاده از کک به عنوان یک عامل احیاء کننده قوی را می‌توان یکی از فاکتورهای مهم آغاز انقلاب صنعتی به شمار آورد(انوری،1372). با پیشرفت تکنولوژی ساخت آهن کوره‌‌های احیای آهن جایگزین کوره‌های ذوب ساده شدند و تولید چدن با مصرف منابع متعدد آهن و زغال‌های کک‌شو آغاز گردید. توسعه این صنعت باعث شد که تبدیل چدن به فولاد ممکن شود. قرن 19 چگونگی تولید فولاد با کیفیت بالا شناخته شد. فولادهای ضدزنگ کربن بالا، فولادهای مقاوم در مقابل اسید به صورت آلیاژهای مخصوص با اضافه شدن فلزاتی نظیر منگنز، کروم، تیتانیم، وانادیوم، نیکل، کبالت، بر، تنگستن، مولیبدن، نیوبیوم و تانتالیم تولید شد.

کوره‌های فرار

 *   مصرف فلزات آهنی به سرعت رشد نمود به طوری‌که این میزان در قرن بیستم 5000 قرن شانزدهم بود. در سالهای 1900 تا 1930 میلادی روش‌های آزمایشگاهی متعددی برای احیاء مستقیم سنگ آهن ابداع شد. در سال‌های 1932-1935 تولید آهن اسفنجی به روش کروپ ابداع شد. در این روش از مخلوط سنگ آهن با نرمه کک در کوره دوار آهن اسفنجی تولید می‌شود. کشورهای آلمان، لهستان، چکسلواکی سابق، ژاپن و کره تا سال 1955 با این روش آهن اسفنجی تولید می‌کردند. ابداع روش‌های احیاء مستقیم، زغال سنگ، کک و گاز طبیعی و عامل تامین کننده حرارت علاوه بر موارد فوق، انرژی الکتریکی بوده است.

  *  در سال 1999 مجموع وزن آهن و فولاد مصرفی در ماشین‌ها، تجهیزات کارهای ساختمانی خصوصاً حمل و نقل، وسایل خانگی در حدود 6 میلیارد تن می‌باشد. ذخایر قطعی کانسنگ ‌آهن در جهان 185 میلیارد تن است و مجموع ذخایر تخمین زده شده آهن در جهان به 350 میلیارد تن می‌رسد. حدود یک سوم از کل پتانسیل ذخایر جهانی آهن در کشور روسیه قرار دارد. بیش از 50 کشور در دنیا تولیدکننده سنگ معدنی آهن هستند و معادن خاصی را در اختیار دارند. کشور روسیه پیشرو دیگر کشورها در امر تولید کانسنگ‌آهن با تولید سالانه 245 میلیون تن است. برزیل و استرالیا هر کدام در حدود 100 میلیون تن، آمریکا، کانادا، فرانسه و هند هر کدام سالانه 30 تا 70 میلیون تن سنگ‌ آهن تولید می‌کنند. میانگین قیمت کانسنگ تجارتی با 64 درصد آهن در حدود 20 دلار آمریکایی برای هر تن می‌باشد.
   تولید چدن از کانسنگ‌آهن با عیار بالای 30 تا 50 درصد با حداقل ناخالصی‌های مضر شامل گوگرد تا حداکثر 3/0 درصد، فسفر حداکثر 2/0 درصد، روی، سرب، آرسنیک و مس هر کدام زیر 1/0 درصد صورت می‌گیرد.

  *  پیشینه‌ صنعت فلزکاری و شناخت فلزات در ایران به هزاره‌ چهارم پیش از میلاد می‌رسد. با این که شناخت آهن در ایران باستان قدمت دارد، این فلز تا 1000 سال پیش از میلاد چندان مورد استفاده نبوده است. با روی آوردن آریائیان به ایران در اوایل هزاره‌ اول پیش از میلاد کاربرد آهن افزایش یافت. در حفاری‌ها و کاوش‌های باستان‌شناسان، کوره‌هایی ویژه‌ ذوب آهن در "قره‌داغ" و نزدیکی تبریز یافت شده است و به نظر می‌رسد در اعصار گذشته تعدادی کانسار آهن در کوه‌های البرز و نیز در اطراف کرمان(معادن گل‌گهر) شناخته شده بود.
   گمان می‌رود ایرانیان در دوره هخامنشی در ساختن فولاد و در به کار بردن آهن و فولاد مهارت داشته‌اند و می‌دانستند آهن در برابر هوا و نم زنگ می‌زند و به همین دلیل آن را برای جلوگیری از زنگ زد‌گی قیر اندود می‌کردند. ساختمان‌های این دوره‌ مثل پاسارگارد، تخت جمشید و شوش در قسمت پایه‌ها، ستون‌ها و سردرها از سنگ ساخته شده است. این سنگ‌های بزرگ تراش داده شده بوسیله‌ ملات به هم متصل شده و با بست‌های آهنی یا چوبی به یکدیگر پیوند یافته اند.

* در دوران قاجار، امیرکبیر به استخراج معادن، ایجاد کارخانه‌های مختلف، استخدام استادان فنی خارجی و فرستادن صنعت‌کاران به روسیه،‌ خرید کارخانه از کشورهای غربی و حمایت از محصولات داخلی توجه خاص داشت. او نخست به معادن پرداخت و در آن زمان اداره‌ امور معادن را طبق فرمانی تاسیس کرد. ناپلئون به عنوان هدیه تاجگذاری ناصرالدین شاه، سه دستگاه کوره ذوب فلز به ایران فرستاد. این کوره‌ها نقش مهمی در راه اندازی صنایع جدید داشت.
   نخستین کارخانه‌های ایران مانند چدن ریزی، فلزکاری و دیگر صنایع کوچک برای اولین بار در تاریخ کشور ایران در دوران صدارت امیرکبیر گشایش یافت.
 
*  اولین قدم در مسیر اسقرار صنعت ذوب آهن در ایران در سال 1886 میلادی توسط حاج محمد حسن امین الضرب صورت گرفت که به علت وضعیت سیاسی آن روزگار موفق نگردید. در سال‌های 1305 تا 1338 نیز اقداماتی برای تاسیس ذوب آهن در ایران شد که همگی با شکست مواجه شد تا این که در سال 1344 یک موافقت نامه همکاری فنی-اقتصادی بین ایران و شوروی ‌سابق در مورد تاسیس کارخانه ذوب آهن اصفهان امضاء شد. اولین شمش چدن تولیدی کارخانه در دی ماه 1351 تحویل گرفته شد(آسایش،1374). امروزه در ایران ده‌ها معدن آهن کشف شده که بعضی از آن‌ها در حال استخراج می‌باشد. تولید سالانه‌ سنگ آهن در ایران بالغ بر 5 میلیون تن است که عمدتاً در صنایع آهن و فولادسازی، ساخت ماشین‌ها، تجهیزات، حمل‌و‌نقل، اسکلت ساختمان‌ها و تهیه‌ سیمان به کار می‌رود.
  

  *  حجم عظیمی از ذخایر ارزشمند آهن که امروزه آن را بیش از یک میلیارد تن برآورد می‌کنند در پهنه‌ای از ایران مرکزی جای گرفته که همچون نواری شمالی – جنوبی از کانسارهای آهن از رباط پشت‌بادام تا زرند کرمان امتداد یافته است.
   سالیان درازی است که پژوهندگان به چگونگی پیدایش این حجم از آهن به طور کلی و منطقه‌ای پرداخته‌اند و حاصل آن نظرات گوناگونی است که از آن‌ها به جا مانده و متاسفانه یک اتفاق‌نظر کلی حاصل نشده است. گروهی بر پدیده دگرنهادی تکیه دارند و عده‌ای بر ماگمای آهنی پای می‌فشارند و چند نفری معتقد به دگرگونی می‌باشند.

آهن: Fe    Ferrum                                                                                      

خواص فیزیکی و شیمیایی

·        عدد اتمی: 26

·         جرم اتمی: 55.845 amu

·         نقطه ذوب: 1535.0 °C (1808.15 K, 2795.0 °F)

·         نقطه جوش: 2750.0 °C (3023.15 K, 4982.0 °F)

·         شعاع اتمی: 140 (156)

·         رنگ: فلزی درخشان با ته مایه خاکستری

·         حالت استاندارد: جامد (فرومغناطیس)

·         نام گروه: فلز انتقالی

·         انرژی یونیزاسیون: 762.5 kJ/mol

·         الکترونگاتیوی: 1.83 «

·         حالت اکسیداسیون:  2,3,4,6

·         دانسیته: 7.86 g/cm³

·         گرمای تبخیر: 349.6 kJ/mol    

·         گرمای ویژه: 440 J/«kg*K)

کاربردهــــــــــا

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 Fe²⁺

• حالت فریک Fe³⁺

• حالت فریل Fe⁴⁺ 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.

مصرف بیش از حد آهن خوراکی ایجاد مسمومیت می‌کند، چون مقدار زیاد آهن فروس با پروکسیدهای بدن واکنش کرده ، تولید بنیانهای آزاد می‌کند. وقتی مقدار آهن در بدن طبیعی است، مکانیسمهای ضد اکسیداسیون خود بدن قادر به. اگر مقدار آهن بیش از نرمال باشد، مقادیر غیرقابل کنترل بنیانهای آزاد بوجود می‌آید. کنترل این فرآیند می‌باشد

مقدار کشنده آهن برای یک کودک 2 ساله تقریبا" 3 گرم بوده و یک گرم آن مسمومیت جدی در پی خواهد داشت. گزارشهایی مبنی بر مسمومیت کودکان در اثر مصرف 10 تا 50 عدد قرص سولفات آهن در کوتاه مدت وجود دارد.مصرف بیش از حد آهن بر اثر خوردن غیر عمدی داروها عامل جدی مرگ و میر در کودکان است. افزایش غیرقابل کنترل آهن در بدن ، موجب بروز بیماری به نام hemochromatosis می‌گردد. آهن اضافی در کبد جمع شده ، موجب بیماری آهن زدگی siderosis و آسیبهای عضوی می‌شود. به همین دلیل افرادیکه کمبود آهن ندارند، نباید مکملهای آهن مصرف کنند.

محلولیت

املاح محلول فرو : استات ، سولفات آمونیوم ، برومور ، کلرور ، یدور ، نیترات ، سولفات ، تیو سیانات ، تیو سولفات ،

املاح نامحلول فرو :  کربنات ، فری سیانور ، فلئورو اگزالات ، فسفات ، سولفور ، سولفیت ، هیدروکسید ، اکسید ،

املاح فرو احیا کننده های قوی می باشند.

املاح محلول فریک : آمونیوم سولفات ، برومور ، کلرور ، بیکربنات ، نیترات ، اگزالات ، سولفات ، تیو سیانات

املاح نامحلول فریک : فرو سیانور ، هیدروکسید ، فسفات ، سولفور ، فلئورور ،

وجود اکسیژن محلول در آب در مجاورت هوا باعث تبدیل یون فرو به فریک می شود.

 اثر اسید نیتریک بر روی آهن بسته به غلظت و درجه حرارت است. اسید نیتریک رقیق نیز ممکن است بدون تولید گاز اثر کرده و با تشکیل یونهای فرو و آمونیوم همراه باشد. اسید نیتریک سرد و غلیظ آهن را مقاوم و بی اثر می کند در حالیکه اسید نیتریک سرد و رقیق با آهن ترکیب نمی شود. آهن در اسید کلریدریک نیز حل می شود. آهن در اسید سولفوریک رقیق حل می شود ولی در اسید سولفوریک سرد و غلیظ حل نمی شود و در اسید سولفوریک گرم و غلیظ حل می شود.