فلز آهن

مقدمه :

آهن عنصرشیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدداتمی26 وجود دارد، آهن فلزی است که در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی قرار دارد.

تاریخچـــــه :

اولین نشانه‌های استفاده از آهن به زما ن سومریان و مصریان بر می‌ گردد که تقریبا" 4000 سال قبل از میلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگ ها اقلام کوچکی مثل: سر نیزه و زیور آلات می ‌ساختند. از 3000 -2000 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 بین ‌النهرین، آسیا ی صغیر و مصر به چشم می‌خورد، اما ظاهرا" تنها در تشریفات از آهن استفاده می‌ شد و آهن فلزی گرانبها حتی باارزش‌تر از طلا به‌حساب می‌آمد.

براساس تعدادی ازمنابع، آهن به عنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می ‌شده مثل آهن اسفنجی و به وسیله ی متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است . از 1600- 1200 سال قبل از میلاد درخاورمیانه به طور روز افزون از این فلز استفاده می‌شد، اما جایگزین کابرد برنز درآن زمان نشد.

تبر آهنی متعلق به عصر آهن سوئد در گاتلند سوئد یافت شده است. از قرن 12- 10 در خاورمیانه یک جابه جایی سریع در تبدیل ابزار و سلاح های برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جابه جایی ، آغازناگهانی تکنولوژی های پیشرفته ی کار با آهن نبود، بلکه عامل اصلی مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمان های مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد، دوره ای از تمدن به نام عصرآهن را به وجود آورد،هم زمان با جایگزینی آهن به جای برنز ، فرآیند کربوریزاسیونگ ( کربن دارکردن )کشف شد که بوسیله ی آن به آهن موجود در آن زمان ، کربن اضافه می‌کردند.

آهن را به صورت اسفنجی که مخلوطی از آهن به همراه مقداری کربن یا کاربید است، بازیافت کردند. سپس اضافات آن را با چکش‌کاری جدا نموده ومحتوی کربن را اکسید می‌کردند تا بدین طریق آهن نرم را تولید کنند.
مردم خاورمیانه 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 محکم‌ تر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است، از برنزی که قبلا" کاربرد داشت محکم تر و مقاوم ‌تربود.

درچین 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 می ‌رفت که برای مردم غیر چینی هم ارسال می ‌کردند.

درسال های آخر پادشاهی سلسله ژو (حدود 550سال قبل از میلاد) به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره  ، قابلیت تولید آهن جدیدی به وجود آمد. ساخت کوره‌های بلند ی 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 1420-1470 حرارت دهیم، مایع مذابی بدست می‌آید که آلیاژی با 5/96%  آهن و 5/53% کربن است. این محصول محکم را می ‌توان به شکل های ریز و ظریفی در آورد. اما برای استفاده بسیار شکننده می‌باشند، مگر آنکه بیشترکربن آن را از بین ببرند. از زمان سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات آهن در چین به شکل  چدن است. با این همه آهن به عنوان یک محصول عادی که برای صدها سا ل مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است، باقی ماند و تا زمان سلسله شین ( حدود 221سال 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 تبد یل آهن اسفنجی به آهن نرم بدست می‌آوردند. تعدادی از قالب‌گیری های آهن در اروپا بین سالهای 1350 - 1150 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 به وجود آمد، مانند: درخواست برای گلوله‌های توپ چدنی.
در آغاز برای ذوب آهن از زغال چوب هم به عنوان 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، به عنوان منبع جانشین استفاده شد. این نوآوری به وسیلـــه Abraham Darby انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.

پیدایـــــــش :

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 درکوره بلند در دمای تقریبا" 2000 درجه سانتی ‌گراد انجام می‌ پذیرد. در سال 2000 ، تقریبا" 1100 میلیون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاری تقریبا" 25 میلیارد دلار آمریکا استخراج شد. درحالی که 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 می ‌باشد. 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 به ‌ندرت به حالت آزاد (عنصری) یافت می‌گردد.برای تهیه آهن عنصری ، باید ناخالصی های آن را با روش کاهش شیمیایی از بین برد. آهن برای تولید فولادبکار می ‌رود که عنصر نیست، بلکه یک آلیاژو مخلوطی است از فلزات متفا وت ( و تعدادی غیر فلز بخصوص کربن ).

هسته اتم های آهن دارای بیشترین نیروی همگیر در هر نوکلئون هستند بنابراین آهن با روش هم جوشی ، سنگین ‌ترین و با روش شکافت اتمی ، سبک ترین عنصری است که به صورت گرما زایی تولید می ‌شود. وقتی یک ستاره که دارای جرم کافی می ‌باشد 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 واکنش های هم جوشی و شکافت هسته ای همه چیز به آهن تبدیل خواهد شد.

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 آن را به خصوص در اتومبیل ها ، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساختمان ها اجتنا ب ناپذیر می‌کند. فولادمعروف‌ ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه‌های آهن به شرح زیر می‌باشد:

آهن خام که دارای 5%-4% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی هایی از قبیل گوگرد، سیلیکون و فسفراست و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله ی میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولادقرار دارد.

چدن ، شامل 5/3%-2% کربن و مقدار کمی منگنزمی‌باشد. ناخالصی‌های موجود در آهن خام مانند:گوگرد و فسفر که خصوصیات آن را تحت تاثیر منفی قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می‌یابند. نقطه ذوب چدن بین k 1420-1470 می ‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آن را به اولین محصول ذوب شده پس ازگرم شدن هم زمان کربن و آهن تبد یل می‌کند. چدن بسیارمحکم ،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، به ‌سرعت تیزی خود را از د ست می‌ دهد.

فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن به علاوه فلزات دیگرما نند:کروم، وانادیم، مولیبدن، نیکل، تنگستن و ... می‌باشد.

اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی درکامپیوترمورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها اغلب با ترکیبا ت دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را به صورت محلول هم حفظ می‌کنند.

ترکیبات :

معمول ترین حالات اکسیداسیون آهن عبارتند از:

۱- حالت فروس ²⁺Fe

۲- حالت فریک ³⁺Fe

۳- حالت فریل ⁴⁺Fe که با تعدادی آنزیم ( مثلا" پیروکسیدازها ) پایدار شده است.

۴- آهن ( VI) هم معروف است ( اگر چه کمیاب می ‌باشد ) . در صورتی که به شکل فرات پتاسیم باشد، (K₂FeO ) یک اکسیدکننده ی انتخابی برای الکل های نوع اول می‌باشد. این ماده جامد فقط در شرایط خلاء و ارغوانی تیره پایدار است، هم به صورت محلول سوز آور و هم به صورت یک ماده ی جامد.

۵- کاربید آهن Fe₃C به نام سمنتیت معروف است.

بیولـــــــوژی:

آهن ، اتم اصلی مولکول ( هم بخشی از گلبول قرمز ) و بنابراین جزء ضروری تمامی همو پروتئین‌ها محسوب می‌شود. به همین علت ، وجود این عنصر در حیوانات حیاتی می‌باشد. همچنین آهن غیر آلی در زنجیره‌های آهن – گوگرد بسیاری از آنزیم هایا فت می‌شود. باکتری ها 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 می ‌کند.

ایزوتوپ ها :

آهن به طور طبیعی دارای چهار ایزوتوپ پایدار Fe.54 , Fe.56 , Fe.57 , Fe.58 می‌باشد. فراوانی نسبی ایزوتوپ های آهن درطبیعت تقریباً Fe.54 - 8/5%،  Fe.56 - 7/91%، Fe.57 - 2/2% و Fe.58-3/0% است.  Fe-60 که نوکلید پرتوزای غیر فعا ل است، دارای نیمه عمر 5/1 (Myr) می‌باشد. بیشتر تلاش گذشته برای اندازه گیری ترکیبات ایزوتوپی آهن به ‌علت فرآیندهایی که توام با نوکلئوسنتز( مانند :مطالعات شهاب سنگ ها ) و شکل ‌گیری کانی‌ها هستند، حول محور تعیین انواع مختلف Fe -60 صورت گرفته است.

دروهله‌های مختلف ، شهاب سنگهای Semarkona و Chervony Kut می ‌توان بین تمرکز Ni- nickel | 60 محصول اخترچه ( Fe-60 و فراوانی ایزوتوپ های پایدار آهن ارتباطی یافت که د لیلی  برای وجود آهن-60 در زمان شکل ‌گیری منظومه شمسی می ‌باشد. احتمالا" انرژی آزاد شده توسط فروپاشی آهن-60 به همراه انرژی رها شده بر اثر فروپاشی نوکلئید پرتوزای  Al-26، در ذوب مجدد و تفکیک اخترچه‌های بعد از شکل‌گیری آنها 4,6 میلیارد سال پیش تا ثیر داشته است. فراوانی Ni-60 موجود در مواد فرازمینی نیز ممکن است آگاهی بیشتری در مورد منشاء منظومه ی شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه نماید. در بین ایزوتوپ های پایدار فقط آهن 57- دارای اسپین اتمی است (2/1-). به همین خاطر آهن 57 در شیمی و بیوشیمی به عنوان یک ایزوتوپ اسپینی دارای کاربرد است.

آهن فلزی نسبتاً فراوان در جهان است و اهمیت حیاتی در زندگی حیوانات و گیاهان دارد . فلزی خالص که دارای فعالیت شیمیایی زیاد است و مخصوصاً در هوای مرطوب به سرعت زنگ می زند .

آهن دارای خواص مغناطیسی مهمی است ، و یکی از ترکیبات مهم سازنده زمین می باشداین عنصر در خورشید و انواع ستاره ها یافت می شود وهسته پایداری دارد. آهن یکی از ترکیبات اصلی شهاب سنگها می باشد که در سیدریتها و عناصر فرعی وجود دارد. هسته زمین دارای ترکیبی از 10 درصد آهن و هیدروژن دارد، این فلز چهارمین عنصر فراوان از نظر وزنی در پوسته زمین است .عمومی ترین ترکیب این عنصر هماتیت است که در داخل رسوبات سیاه سواحل و صخره های رودخانه ها یافت می شود.

آهن معمولی ترکیبی از 4 ایزوتوپ می باشد، ده ایزوتوپ د یگر نیز از این عنصر شناخته شده است. آهن نقش مهمی در زندگی جانوران به علت وجود آن در همگولبین خون دارد. تاکونیت یکی از ترکیبات مهم آهن می باشد که از آن برای مصارف تجاری آهن استفاده می شود. آهن به صورت خالص استفاده تجاری چندانی ندارد ولی وقتی با کربن و دیگر فلزات ترکیب شود مصارف زیادی دارد. عنصر خالص آهن دارای خاصیت واکنش پذیری شیمیایی بالا است و به سرعت زنگ می زند و اکسید می شود، در هوای مرطوب و خیلی گرم این خاصیت افزایش پیدا می کند.

آهن دارای 4 آلوتروپی است که عبارتند از: آلفا، بتا، گاما، امگا. آلفا شکلی از آهنربا است که از بتا تغییر شکل پیدا کرده باشد. آهن خام یا چدن شامل 3 درصد کربن با میزان مختلفی از عناصر گوگرد، سیلیسیوم ، منگنزو فسفر می باشد.

آهن دارای خاصیت سخت، شکننده، نسبتاً زودگداز و آلیاژها و ترکیبات مختلف آن کاربردهایی مثل فولاد دارند. آهن ورزیده شامل یک دهم درصد کربن، بادوام، چکش خوار، ذوب شونده سریع و معمولاً ساختار الیافی دارد. فولاد کربنی ترکیبی از آهن و به میزان کم منگنز و گوگرد و فسفر و سیلیسیوم می باشد. آلیاژهای فولاد عبارتند: از فولاد کربنی یا ترکیبی از عناصر د یگر مثل نیکل و کروم و وانادیم و غیره. آهن ارزان ، فراوان بسیار مفید و فلز مهمی در صنعت می باشد.

تاثیرات زیست محیطی آهن:

آهن 3 آرسنیت و پنتاهیدرات ممکن است برای محیط زیست خطرناک باشند. به همین دلیل باید توجه خاصی به گیاهان، هوا و آب شود. به طور کلی باید از ورود مواد شیمیایی به محیط زیست جلوگیری به عمل آورد، زیرا اکثر مواد شیمیایی برای مدت زمان طولانی در طبیعت باق می ما نند و از خود مقاومت نشان می دهند.

خواص فیزیکی و شیمیایی عنصرآهن :

عدد اتمی: 26

جرم اتمی:55.845

نقطه ذوب: 1244C°

نقطه جوش : 1962C°

شعاع اتمی: Å 1.72

ظرفیت: 2,3

رنگ: فلزدرخشان مایل به خاکستری

حالت استاندارد: جامد

نام گروه:8

انرژی یونیزاسیون: 7.87Kj/mol

شعاع یونی : Å 0.645

الکترونگاتیویته:  1.83درجه پاولینگ

حالت اکسیداسیون:2,3,4,6

دانسیته: 7.873

گرمای فروپاشی: Kj/mol  13.8

گرمای تبخیر : Kj/mol 349.6

مقاومت الکتریکی : Ohm m 0.0000000971

گرمای ویژه: J/g Ko 0.44

دوره تناوبی:4

شماره سطح انرژی : 4

اولین انرژی : 2

دومین انرژی : 8

سومین انرژی : 14

چهارمین انرژی : 2

اشکال دیگر :

اکسید آهن FeO ، مگنتیت Fe3O4 و هماتیت Fe2O3 ،دی کلرید آهن FeCl2 و تری کلرید آهن FeCl3.

.

کاربرد :

در تهیه فولاد و آلیاژکاری کاربرد دارد و از انواع آلیاژهای آن لوازم و ابزار بسیار متنوعی تولید می شود . سازنده اصلی خون جانوران و همراه اکسیژن در رگهای خون حمل می شود .

روش شناسایی :

1-Coupled Plasma Spectrography    ICP:Inductively

2-XRF:X-Ray Fluorescence Spectrometr

3-NA:Neutron Activation Analysis

4-Acti   ENAA:Etra-Thermo Neutro   vation Method

Iron Fe Ruthenium
عمومی
نام, علامت اختصاری, شماره	Iron, Fe, 26
گروه شیمیایی	فلز انتقالی
گروه, تناوب, بلوک	(8« VIIIB ),4,d
جرم حجمی, سختی	7874kg/m3, 4.0
رنگ	فلزی درخشان با ته مایه خاکستری
خواص اتمی
وزن اتمی	55.845amu
شعاع اتمی (calc.)	140pm
شعاع کووالانسی	125pm
شعاع واندروالس	___
ساختار الکترونی	[Ar3d64s2 ]
-e به ازای هر سطح انرژی	2, 8, 14, 2
درجه اکسیداسیون (اکسید)	2,3,4,6 (آمفوتریک)
ساختار کریستالی	بدنه مکعب مرکزی
خواص فیزیکی
حالت ماده	جامد (فرومغناطیس)
نقطه ذوب	1808K(2795°F)
نقطه جوش	(3023K(4982°F
حجم مولی	7.09 ש«10-6»»مترمکعب برمول
گرمای تبخیر	349.6kJ/mol
گرمای هم جوشی	13.8kJ/mol
فشار بخار	7.05Pa  at 1808 K
سرعت صوت	4910 m/s at 293.15 K
متفرقه
ظرفیت گرمایی ویژه	440J/«kg*K)
رسانائی الکتریکی	9.93 106/m اهم
رسانائی گرمایی	80.2 W/m*K
1st پتانسیل یونیزاسیون	762.5kJ/mol
2nd پتانسیل یونیزاسیون	1561.9kJ/mol
3rd پتانسیل یونیزاسیون	2957kJ/mol
4th پتانسیل یونیزاسیون	5290kJ/mol
پایدارترین ایزوتوپها
Iso NA نیمه عمر DM DE Mev DP 54Fe 5.8% Fe با 28نوترون پایدار است 55Fe {syn.} 2.73 y ε capture 0.231 55Mn 56Fe 91.72% Fe با 30نوترون پایدار است 57Fe 2.2% Fe با 31نوترون پایدار است 58Fe 0.28% Feبا32 نوترون پایدار است 59Fe {syn.} 44.503 d β 1.565 59Co 60Fe {syn.} 1.5E6 y β- 3.978 60Co