Από πού έρχεται ο σίδηρος ή πώς γίνεται;

Περιεχόμενο

• Μια Σύντομη Ιστορία του Σιδήρου
• Στοιχεία χημείας για το σίδερο
• Χρήσεις του σιδήρου
• Πώς γίνεται ο σίδηρος;
• Από πού έρχεται ο σίδηρος;
• Πώς σχηματίζονται στοιχεία στη φύση;
• Σίδηρος στο Ανθρώπινο Σώμα

Όταν αναλογιστείτε την προέλευση του σιδήρου, το μυαλό σας πιθανότατα περιπλανιέται σε οράματα χαλυβουργείων, σφυρηλατημένα μεσαιωνικά σπίτια ή κάποια άλλη διαδικασία κατασκευής που χαρακτηρίζεται από σκληρή, πρακτική εργασία και πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Αλλά εκτός από το ότι είναι ένας τύπος μετάλλου που χρησιμοποιείται με διάφορους τρόπους στην ανθρώπινη βιομηχανία, ο σίδηρος είναι επίσης ένα στοιχείο, όχι μια ένωση ή κράμα, που σημαίνει ότι είναι δυνατόν να απομονωθεί ένα μόνο άτομο σιδήρου. Αυτό δεν ισχύει για τα πιο γνωστά υλικά. για παράδειγμα, η μικρότερη ποσότητα νερού από ό, τι μπορεί ακόμα να ονομαστεί νερό περιλαμβάνει τρία άτομα, ένα από τα οποία είναι οξυγόνο και τα άλλα δύο υδρογόνο.

Είναι ενδιαφέρον, παρόλο που οι άνθρωποι συνδέουν το σίδερο με ασυνήθιστα υψηλές θερμοκρασίες στις παραγωγικές ρυθμίσεις εδώ στη Γη, ο σίδηρος ως στοιχείο οφείλει την ύπαρξή του σε γεγονότα τόσο ζεστά και τόσο μακριά που οι αριθμοί δεν έχουν νόημα.Έτσι, η διεξαγωγή μελέτης σχετικά με το πώς κατασκευάζεται ο σίδηρος απαιτεί δύο παράλληλες διαδικασίες: Εξερευνώντας πώς έγινε ο σίδηρος και πως φτάνει στη Γη και πώς οι άνθρωποι στη Γη παράγουν και χρησιμοποιούν σιδήρου για καθημερινές αλλά και εξειδικευμένες δραστηριότητες. Αυτά τα θέματα με τη σειρά τους προσκαλούν συζήτηση σχετικά με τη χρήση του σιδήρου μέσα και από τα συστήματα διαβίωσης και μια γενική ματιά στο πώς τα διάφορα στοιχεία προέρχονται και εξαπλώνονται σε όλο τον κόσμο.

Μια Σύντομη Ιστορία του Σιδήρου

Ο σίδηρος είναι γνωστός στην ανθρωπότητα από το 3500 π.Χ. περίπου, ή πριν από περισσότερα από 5.500 χρόνια. Το όνομά του προέρχεται από την αγγλοσαξονική έκδοση, η οποία ήταν "iren". Το σύμβολο σιδήρου περιοδικό πίνακα Fe προέρχεται από τη λατινική λέξη για το σίδερο, το οποίο είναι ferrum. Εάν επισκέπτεστε φαρμακείο και βλέπετε συμπληρώματα σιδήρου, θα παρατηρήσετε ότι τα περισσότερα από τα ονόματά τους είναι "σιδηρούχα" κάτι-ή-άλλο (όπως θειικό ή γλυκονικό). Οποτεδήποτε βλέπετε τη λέξη "σιδηρούχα" ή "σίδηρος" σε μια χημεία con, θα πρέπει αμέσως να αναγνωρίσετε ότι το σίδερο συζητείται? "ειρωνικό", αν και μια υπέροχη και χρήσιμη λέξη, δεν έχει κανένα ρόλο στον κόσμο της φυσικής επιστήμης.

Στοιχεία χημείας για το σίδερο

Ο σίδηρος (συντομογραφία Fe) ταξινομείται ως μέταλλο όχι μόνο για καθημερινούς σκοπούς αλλά και για τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων (βλ. Πόρων για ένα διαδραστικό παράδειγμα). Αυτό πιθανότατα δεν προκαλεί έκπληξη, αλλά στην πραγματικότητα, τα μέταλλα υπερτερούν των μη μεταλλικών στοιχείων σε μεγάλη έκταση. από τα 113 στοιχεία που ο άνθρωπος έχει ανακαλύψει ή δημιουργήσει σε εργαστηριακά περιβάλλοντα, 88 ταξινομούνται ως μέταλλα.

Τα άτομα, όπως ίσως ήδη γνωρίζετε, αποτελούνται από έναν πυρήνα που περιέχει ένα μείγμα πρωτονίων και νετρονίων περίπου ίσιας μάζας που περιβάλλεται από ένα "σύννεφο" σχεδόν άτονων ηλεκτρονίων. Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια φέρουν φορτίο ίσου μεγέθους, αλλά το φορτίο των πρωτονίων είναι θετικό ενώ το ηλεκτρόνιο είναι αρνητικό. Ο ατομικός αριθμός σιδήρου είναι 26, πράγμα που σημαίνει ότι ο σίδηρος έχει 26 πρωτόνια και 26 ηλεκτρόνια στην ηλεκτρικά ουδέτερη κατάσταση του. Η ατομική της μάζα, η οποία όταν στρογγυλεύεται είναι απλώς το άθροισμα ή τα πρωτόνια και τα νετρόνια, είναι μόνο ντροπαλός των 56 γραμμαρίων ανά mole, πράγμα που σημαίνει ότι η πιο χημικά σταθερή μορφή της περιέχει (56-26) = 30 νετρόνια.

Ο σίδηρος διαθέτει μερικές τεράστιες φυσικές ιδιότητες. Έχει πυκνότητα 7,87 g / cm³, καθιστώντας το σχεδόν οκτώ φορές πυκνότερο από το νερό. (Η πυκνότητα είναι μάζα ανά μονάδα όγκου · τα ύδατα ορίζονται ως 1,0 g / cm³ με σύμβαση.) Ο σίδηρος είναι ένα στερεό στους 20 βαθμούς Κελσίου (68 F), που γενικά θεωρείται "θερμοκρασία δωματίου" για λόγους χημείας. Το σημείο τήξης του είναι εξαιρετικά υψηλό 1538 C (2800 F), ενώ το σημείο βρασμού του - δηλαδή η θερμοκρασία στην οποία ο υγρός σίδηρος αρχίζει να εξατμίζεται και γίνεται αέριο - είναι καταιγισμός 2861 C (5182 F). Δεν είναι λοιπόν περίεργο ότι, στη μεταλλουργία, τα είδη των φούρνων που χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι εξαιρετικά ισχυρά πράγματι.

Ο σίδηρος, κατά μάζα, είναι το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στη γήινη φλούδα. Το συνολικό μερίδιο του σιδήρου στη Γη μπορεί να είναι σημαντικά μεγαλύτερο, ωστόσο, δεδομένου ότι οι πλανήτες λιωμένο πυρήνα πιστεύεται ότι αποτελείται κυρίως από υγροποιημένο σίδηρο, νικέλιο και θείο. Όταν ο σίδηρος εξάγεται από το έδαφος σε εργασίες εξόρυξης, έχει τη μορφή μεταλλεύματος, το οποίο είναι στοιχειακός σίδηρος αναμεμειγμένος με έναν ή περισσότερους τύπους πετρωμάτων. Ο συνηθέστερος τύπος σιδηρομεταλλεύματος είναι ο αιματίτης, αλλά ο μαγνητίτης και ο ταγονίτης είναι επίσης σημαντικές πηγές αυτού του μετάλλου.

Ο σίδηρος σκουριάζει ή διαβρώνει πολύ εύκολα σε σύγκριση με άλλα μέταλλα. Αυτό δημιουργεί προβλήματα για τους μηχανικούς, επειδή επί του παρόντος, τα εννέα δέκατα του μεταλλικού που εξευγενίζεται περιλαμβάνει το σίδηρο.

Χρήσεις του σιδήρου

Το μεγαλύτερο μέρος του σιδήρου που εξορύσσεται για χρήση από τον άνθρωπο τελειώνει με τη μορφή χάλυβα. "Χάλυβας" είναι ένα κράμα, που σημαίνει ένα μείγμα μετάλλων. Μια δημοφιλής μορφή αυτού του προϊόντος σήμερα ονομάζεται ανθρακούχος χάλυβας, ο οποίος είναι κάπως παραπλανητικός επειδή ο άνθρακας συνεισφέρει μόνο ένα μικρό κλάσμα της μάζας αυτού του χάλυβα σε όλες του τις μορφές. Στη μορφή άνθρακα με υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα, ο άνθρακας αντιπροσωπεύει περίπου το 2% της μάζας του μετάλλου. αυτό το ποσοστό μπορεί να κυμανθεί στο 1/10 του 1% χωρίς να χάσει το μέταλλο ο τίτλος του «ανθρακούχου χάλυβα».

Ο ανθρακούχος χάλυβας μπορεί με τη σειρά του να εξομαλυνθεί στρατηγικά με άλλα μέταλλα για να δώσει κράματα με ορισμένες επιθυμητές ιδιότητες. Ο ανοξείδωτος χάλυβας, για παράδειγμα, είναι μια μορφή ανθρακούχου χάλυβα που έχει σημαντική ποσότητα χρωμίου - πάνω από 10% κατά μάζα. Το υλικό αυτό είναι γνωστό για την ανθεκτικότητά του και την τάση του να διατηρεί την λαμπερή, λαμπερή του εμφάνιση για μεγάλες χρονικές περιόδους λόγω της υψηλής αντοχής του στη διάβρωση. Ο ανοξείδωτος χάλυβας παρουσιάζει χαρακτηριστικά στην αρχιτεκτονική, τα ρουλεμάν, τα χειρουργικά εργαλεία και τα επιτραπέζια σκεύη. Οι πιθανότητες είναι ότι αν δείτε την αντανάκλαση σαφώς σε μια καθαρά μεταλλική επιφάνεια, ψάχνετε ένα είδος ανοξείδωτου χάλυβα.

Όταν οι λογικές ποσότητες μετάλλων όπως το νικέλιο, το βανάδιο, το βολφράμιο και το μαγγάνιο ενσωματώνονται στον χάλυβα, καθιστά ακόμη πιο σκληρή την ήδη σκληρή ουσία. αυτοί οι χαλυβοκράματα είναι επομένως κατάλληλοι για συμπερίληψη σε γέφυρες, εργαλεία κοπής και εξαρτήματα ηλεκτρικού δικτύου.

Ένας μη χαλυβουργικός τύπος σιδήρου που ονομάζεται χυτοσίδηρος περιλαμβάνει πολύ άνθρακα (τουλάχιστον σύμφωνα με τα πρότυπα της μεταλλουργίας σιδήρου): 3 έως 5%. Ο χυτοσίδηρος δεν είναι τόσο σκληρός όσο ο χάλυβας, αλλά είναι σημαντικά φθηνότερος, οπότε στη μετακίνηση από χάλυβα σε χυτοσίδηρο, κάνετε το ίδιο γενικό εμπόριο που κάνετε όταν πηγαίνετε από το prime rib έως το 70% άπαχο χάμπουργκερ.

Πώς γίνεται ο σίδηρος;

Το σίδερο στη Γη είναι κατασκευασμένο ή εξάγεται σωστά από σιδηρομετάλλευμα. Το τμήμα "βράχου" του σιδηρομεταλλεύματος περιέχει οξυγόνο, άμμο και άργιλο σε ποικίλες ποσότητες ανάλογα με τον τύπο του μεταλλεύματος. Η δουλειά ενός σιδερένιου έργου, όπως οι πρώτες τέτοιες βιομηχανίες κλήθηκαν, είναι να απομακρύνει όσο το δυνατόν περισσότερο από το βράχο και το άλλο τρίξιμο αφήνοντας το σίδερο πίσω - λίγο διαφορετικά κατ 'αρχήν από το ξεφλούδισμα ενός φιστικιού ή το ξεφλούδισμα ενός πορτοκαλιού για να φτάσετε στο καλό με εξαίρεση ότι στην περίπτωση σιδηρομεταλλεύματος, ο σίδηρος δεν περιβάλλεται απλώς από υλικό μίας χρήσης. μεικτό δικαίωμα του με αυτό.

Παρά τις επιζήμιες θερμοκρασίες και τις συνολικές φυσικές προκλήσεις των σιδηρικών έργων, οι άνθρωποι τα χρησιμοποιούσαν ήδη σε προχριστιανικούς χρόνους. Ο σίδηρος εργαζόταν για πρώτη φορά στα βρετανικά νησιά μέσω της ηπειρωτικής Ευρώπης και της δυτικής Ασίας τον 5ο αιώνα π.Χ. Τότε, ο σίδηρος διαχωρίστηκε φυσικά από το ανεπιθύμητο υλικό στο μέγιστο δυνατό βαθμό χρησιμοποιώντας μόνο άνθρακα, πηλό και το ίδιο το μετάλλευμα, θερμασμένο σε θερμοκρασίες που ήταν μέτριες σε σύγκριση με αυτό που θα ακολουθούσε. Εν πάση περιπτώσει, η τήξη ήταν σε εξέλιξη από το 1500 π.Χ., αλλά σχεδόν 30 αιώνες αργότερα, στη δεκαετία του 1400, η ​​φούρνος εφευρέθηκε, αλλάζοντας ριζικά και για πάντα την "βιομηχανία" (όπως ήταν).

Σήμερα, ο σίδηρος κατασκευάζεται με θέρμανση αιματίτη ή μαγνητίτη σε υψικαμίνους μαζί με μια μορφή άνθρακα που ονομάζεται "οπτάνθρακας" καθώς και ανθρακικό ασβέστιο (CaCO₃), γνωστότερο ως ασβεστόλιθος. Αυτό αποδίδει μια ένωση που περιέχει περίπου 3 τοις εκατό άνθρακα και άλλα adulterants - δεν είναι ιδανικό στην ποιότητα, αλλά αρκετά καλό για να κάνει χάλυβα. Κάθε χρόνο, περίπου 1,3 δισεκατομμύρια μετρικοί τόνοι (περίπου 1,43 δισεκατομμύρια αμερικανικοί τόνοι ή σχεδόν 3 τρισεκατομμύρια λίβρες) ακατέργαστου χάλυβα παράγονται σε όλο τον κόσμο.

Από πού έρχεται ο σίδηρος;

Όπου ο σίδερο στο πλυντήριο πιάτων από ανοξείδωτο χάλυβα ή η σόμπα σου από ξύλο "προέρχεται από" είναι ίσως ένα πολύ λιγότερο ενδιαφέρον θέμα από το πώς έφτασε ο σίδηρος οπουδήποτε στο σύμπαν στην πρώτη θέση. Ο σίδηρος θεωρείται ένα βαρύ στοιχείο και στοιχεία αυτού του τύπου μπορούν να δημιουργηθούν μόνο σε καταστροφικές εκδηλώσεις «θανάτου αστεριών» που ονομάζονται σουπερνόβα. Ενώ οι περισσότεροι αστέρες βγαίνουν έξω καθώς καίγονται από την παροχή καυσίμου υδρογόνου, κάποια αστέρια βγαίνουν κυριολεκτικά με ένα κτύπημα.

Πρόκειται για στατιστικά σπάνια γεγονότα που συμβαίνουν μόνο μερικές φορές ανά εκατό χρόνια σε όλη την έκταση ολόκληρου του Γαλαξία του Γαλαξία, το τεράστιο αργό περιστρεφόμενο σωρό των αστεριών και άλλες ουσίες που οι άνθρωποι καλούν στο σπίτι. Αλλά είναι επίσης ζωτικής σημασίας. Χωρίς αυτούς, οι δυνάμεις που είναι απαραίτητες για να προκαλέσουν σημαντικά μικρότερα στοιχεία για να συντηχθούν μαζί στην κρούση και να δημιουργήσουν ακόμη μεγαλύτερα στοιχεία όπως ο σίδηρος, ο χαλκός, ο υδράργυρος, ο χρυσός, το ιώδιο και το μόλυβδο, δεν θα υπήρχαν. Και όλη την ώρα, ένα ορισμένο κλάσμα αυτών των στοιχείων ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις στο διάστημα και εγκατασταθούν στη Γη, μερικές φορές με τη μορφή μετεωριτικών απεργιών.

Πώς σχηματίζονται στοιχεία στη φύση;

Ο σίδηρος πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύει το κατά προσέγγιση σημείο αποκοπής όσον αφορά τα στοιχεία που μπορούν να δημιουργηθούν με τις συνήθεις διαδικασίες καύσης με αστέρι (σαν να είναι οι ίδιες αυτές οι διαδικασίες πραγματικά "συνηθισμένες" με οποιονδήποτε τρόπο) και εκείνες που μπορούν να δημιουργηθούν μόνο από σουπερνόβα.

Τα περισσότερα στοιχεία - το οξυγόνο, ο ατομικός αριθμός 8, μέσω αλλά πιθανότατα όχι ο σίδηρος, ο ατομικός αριθμός 26 - γίνονται μόλις ένα αστέρι αρχίσει να εξαντλεί την παροχή υδρογόνου. Ο λόγος που ένα αστέρι "καίει" είναι ότι υφίσταται συνεχώς αμέτρητες αντιδράσεις σύντηξης, με το υδρογόνο, το ελαφρύτερο στοιχείο (ατομικός αριθμός 1) που συγκρούεται με άλλα άτομα υδρογόνου για να σχηματίσει ήλιο (ατομικός αριθμός 2). Τελικά, στο πιο εσωτερικό μέρος του αστέρα, τα άτομα ηλίου συγκρούονται σε ομάδες για να σχηματίσουν άνθρακα (ατομικός αριθμός 6).

Σίδηρος στο Ανθρώπινο Σώμα

Πιθανόν να αναγνωρίσετε ότι ο σίδηρος είναι απαραίτητος στην ανθρώπινη διατροφή βασιζόμενος αποκλειστικά σε διαφημιστικούς ισχυρισμούς των παραγωγών τροφίμων ("Αυτό το δημητριακό περιέχει 100 τοις εκατό της συνιστώμενης ημερήσιας δόσης σιδήρου!"). Μπορεί να μην ξέρετε γιατί είναι αυτό.

Όπως αποδεικνύεται, το τυπικό ανθρώπινο σώμα περιέχει περίπου 4 γραμμάρια στοιχειακού σιδήρου. Αυτό μπορεί να μην ακούγεται πολύ, αλλά γιατί θα χρειαζόταν το σώμα σας οποιοδήποτε μέταλλο σε αυτό; Στην πραγματικότητα, ο σίδηρος είναι ένα ουσιαστικό μέρος της αιμοσφαιρίνης, της πρωτεΐνης δέσμευσης οξυγόνου που βρίσκεται στα ερυθροκύτταρα (RBC). Τα ερυθρά αιμοσφαίρια μεταφέρουν οξυγόνο από τους πνεύμονες στους ιστούς, όπου χρησιμοποιήσαμε την κυτταρική αναπνοή.

Όταν οι άνθρωποι υποφέρουν από έλλειψη σιδήρου χάρη στην ανεπαρκή λήψη διατροφής (ο σίδηρος απαντάται στα κρέατα, κυρίως στα κρέατα οργάνων, καθώς και σε ορισμένους κόκκους) ή στις συστημικές ασθένειες, τα RBCs τους δεν μπορούν να κάνουν σωστά τη δουλειά τους. Σε αυτή την κατάσταση, που ονομάζεται αναιμία, οι άνθρωποι υποφέρουν από την αναπνοή μετά από μια μικρή προσπάθεια και συχνά υποφέρουν από κόπωση, πονοκεφάλους και γενική αδυναμία. Σε σοβαρές περιπτώσεις μπορεί να απαιτείται μετάγγιση αίματος για τη διόρθωση της αναιμίας, αν και συνήθως γίνεται διόρθωση με τη χρήση συμπληρωμάτων με χάπια και υγρά που περιέχουν σίδηρο.