تاریخچه، حقایق، کاربرد فلز آهن

همه چیز در مورد فلز آهن ویژگی و کاربرد آن

فلز آهن چهارمین عنصر رایج روی زمین میباشد که به صورت سنگ آهن از زمین استخراج شده و بعد از ذوب شدن در کوره ها و تولید آلیاژهای مختلف از آن در اغلب صنایع مورد استفاده قرار میگیرد.

فلز آهن (به انگلیسی : Iron) یکی از فلزات اصلی جدول مندلیف میباشد که با نماد Fe و رقم اتمی 26 در گروه 8 جدول تناوبی قرار دارد.

آهن چهارمین عنصر رایج روی زمین میباشد که بخش عمده ای از هسته بیرونی و درونی زمین را تشکیل میدهد.

آهن خالص به رنگ خاکستری و درخشنده دیده می شود و خیلی سریع با آب و اکسیژن واکنش داده و اکسید می شود ، اکسیداسیون آهن به عنوان زنگ زدگی شناخته می شود و به رنگ های سیاه تا قهوه ای نمایان می گردد.

از آن جا که زنگ زدگی آهن حالت پوسته پوسته دارد ، حالت پرکار داشته و سبب می شود که سطوح زیرین آهن در معرض آب و هوا قرار گرفته و زنگ زدگی به اعماق فلز نفوذ کند.

حقایقی درباره فلز آهن

آهن ویژگی های مشترک زیادی با سایر فلزات گروه 8 جدول تناوبی از جمله روتینیم و اسمیوم دارد.

Fe در ترکیب با آب و اکسیژن طیف گسترده ای از اکسیداسیون از -2 تا +7 را ایجاد می کند.

این عنصر بسیاری از ترکیبتات کئوردیناسیون را بوجود می آورد که برخی از آن ها مشابه فروسن ، فریو کسالان و آبی پروس ، کاربردهای مهمی در صنعت و پزشکی و تحقیقات دارند.

حدود 4 گرم ( 0.005 درصد )  از وزن بدن 1 انسان بالغ را Fe تشکیل میدهد که بیشتر در هموگلوبین و میوگلوبین متمرکز شده میباشد. این پروتئین ها بازي کردن نقش خیلی مهمری در متابولیسم مهره داران دارند و به ترتیب برای انتقال اکسیژن توسط خون و ذخیره اکسیژن در عضلات استفاده می شوند.

این فلز برای پرکاری بسیاری از آنزیم های مهم در نفس کشیدن سلولی، اکسیداسیون و احیا در گیاهان و حیوانات ضروری میباشد.

وجود آهن به صورت فلزی در پوسته زمین نادر میباشد و اغلب به شهاب سنگ ها محدود می شود ولی سنگ آهن ، از جمله بسیار ترین سنگ های پوسته زمین میباشد و برای استخراج فلز آهن از آن ها نیاز به کوره هایی داریم که بتواند دمای بالاتر از 1500 درجه سانتیگراد تولید نماید.

حدود 2000 سال گذشته از میلاد در اوراسیا، انسان آغاز به ذوب آهن کرد و از این عنصر برای ساخت وسیله و اسلحه به عنوان جانشین آلیاژ مس ، استفاده کرد. توانایی ذوب آهن سبب گذر عصر برنز به عصر آهن شد.

بعد از روش ذوب آهن، قرن ها طول کشید تا آهن جانشین برنز به عنوان فلز برتر برای ساخت وسیله و سلاح شود.

اولین اشیا آهنی در دوران پیش از زمان از شهاب سنگ ها بدست آمده بودند.

آهن موجود در شهاب سنگ ها نرم و چدنی میباشد ولی به دلیل ترکیب نیکل در آن می تواند شکننده باشد.

چدن برای اولین بار 550 سال گذشته از میلاد در چین تولید شد و در قرون وسطی در اروپا برای تولید زیور آلات به کار می رفت.

فولاد برای اولین بار در زمان باستان تولید شد.

امروزه ، آلیاژهای آهن از جمله فولاد و چدن به دلیل خاصیت مکانیکی و هزینه ساخت پایین ، متداول ترین فلزات صنعتی هستند.

ویژگی های شیمیایی آهن

میتوان گفت آهن واکنش پذیرترین عنصر در گروه خود میباشد.

آهن در مجاورت اسیدنیتریک غلیظ و سایر اسیدهای اکسید کننده ، لایه اکسید نفوذ ناپذیری تشکیل میدهد که بازدارنده از واکنش آهن با این اسیدها می شودد ولی با این وجود با اسید هیدرو کلریک واکنش میدهد.

اگر آهن را کاملا خرد کنید ، در اسیدهای رقیق حل شده و پیروفوریک +Fe2 تولید می شود.

آهن توانایی تشکیل حالت های متغیر اکسیداسیون و کئوردیناسیون خیلی بزرگ و تولید ترکیبات ارگانومتالیک را دارد و میتواند جزییات شیمیایی فلزات انتقالی را نشان دهد.

عنصر آهن ترکیبات مختلف اکسید و هیدروکسید را تشکیل میدهد که همه این ترکیبات غیر استوکیومتری هستند و میتوانند فرمول متفاوتی داشته باشند.

از آهن برای تولید فریتها ، رساناهای مغناطیسی در رایانه ها و تولید رنگدانه استفاده می شود.

سولفید آهن به دلیل درخشش طلایی که دارد به عنوان طلای جعلی شناخته می شود.

این فلز بر خلاف دیگر فلزات در ترکیب با جیوه ، آمالگام تولید نمی کند.

انواع آهن تولیدی

آهن گاما : یکی از آلوتروپ های آهن که ساختاری مکعبی با مرکز پر دارد و در محدوده دمایی 912 – 1394 سانتی گراد پایدار میباشد.

آهن دلتا : این آلوتروپ در محدوده دمایی 1401 درجه سانتی گراد، 1539 درجه سانتی گراد ( نقطه ذوب آهن ) پایدار میباشد. ساختار بلوری به شکل معکبی با مرکز پر با خاصیت پارامغناطیسی دارد که شبکه آن بزرگتر از آهن آلفا و حدود 2.93 آنگستروم میباشد.

آهن آلفا : این آلوتروپ آهن ساختار بلوری مکعبی با مرکز پر دارد که در سیف دمای 910 درجه سانتیگراد تا -273  درجه سانتگراد پایدار میباشد. خاصیت فرو مغناطیسی دارد و مستقر شبکه میباشد 2.86 آنگستروم میباشد.

آهن بتا : از تبدیل آهن آلفای فرو مغناطیس به آهن آلفای پارامغناطیس تولید می شود که نمیتوان گفت 1 تحول آلوتروپیک میباشد. مستقر شبکه آن 2.9 آنگستروم میباشد.

کاربرد آهن

بیشترین استفاده در بین فلزات متعلق به آهن میباشد که بیش از 90 درصد تولیدات فلزی جهان را حاوی می شود.

تولید آهن با وجود هزینه کم خیلی به صرفه میباشد.

استقامت بالای آهن سبب می شود که وسایل ساخته شده با آن مقاومت زیادی در مساوی استرس و انتقال نیرو داشته باشند به همین دلیل بخش اصلی تولیدات ماشین ها ، وسیله آلات ، ریل ها ، خودرو ، قلاب های کشتی ، میله های تقویت بتن و چارچوب بارگیری ساختمان ها از آهن تشکیل شده میباشد.

آهن خالص کاملا نرم میباشد و برای ایجاد استقامت و تولید فولاد معمولا با عناصر آلیاژی ترکیب می شود.

از آهن خالص برای اندازه گیری کالیبراسیون یا مقایسه تست ها استفاده می شود.

خواص مکانیکی آهن به طور قابل توجهی تحت تاثیر خلوص نمونه قرار می گیرد.

کریستال های خالص و منفرد آهن از آلومینیوم نرم تر هستند و خالص ترین آهن تولید شده صنعتی با خلوص 99.99 درصد ، سختی 20 – 30 برینل دارد.

افزایش مقدار کربن در آلیاژهای آهن سبب افزایش قابل توجه سختی و مقاومت کششی آن می شود.

حداکثر سختی آهن 65RC میباشد که حاوی 0.6 درصد کربن میباشد.

نرمی آهن سبب شده که کار کردن با آن نسبت به روتنیم و اسمیوم آسوده تر باشد.