معرفی آهن، فلزی که تمدن بشری را متحول و دنیا را تغییر داد

شاید شما تصور کنید که در عنوان این مقاله بزرگ‌نمایی صورت گرفته، اما در واقع اینگونه نیست و حقیقتی محض بیان شده است. در حقیقت، بدون آهن، به احتمال زیاد شما نمی‌توانستید این مقاله را بخوانید زیرا بدون شک به هر شکلی در تولید یا تحویل این مطلب استفاده شده است. ورود آهن به تمدن بشری، شکل زندگی آن‌ها را به طور کامل دگرگون کرد و توسعه و پیشرفت به یکباره با سرعت بسیار شگفت‌انگیزی اتفاق افتاد.

اهمیت این ماده به قدری است که سطح نسبی توسعه جامعه بشری با آموختن یا عدم تصفیه آهن سنجیده شده است و این امر باعث به وجود آمدن دوره‌ای در تاریخ می‌شود که ما آن را به نام «عصر آهن» می‌شناسیم. پس جای تعجب نیست که سالانه بیش از دو میلیارد تن سنگ آهن استخراج، پردازش و ارسال می‌شود.

هر چقدر هم که غیرواقعی به نظر برسد، همه چیز با آهنی با منشا فرازمینی آغاز شد…. بله، آهن ابتدا از شهاب سنگ‌ها ساخته شد. این آهن دارای محتوای نیکل بالایی بود. بعدها از آهن زمینی برای تولید کالا استفاده شد. در اوایل عصر آهن، مسیر تجاری معروف جاده ابریشم بزرگ ایجاد شد.

آهن چیست؟

آهن با نماد شیمیایی Fe، بیست و ششمین عنصر جدول تناوبی است و بیش از 5 هزار سال است که توسط انسان استفاده می‌شود. آهن که فلزی براق و مایل به خاکستری رنگ است و در هوای مرطوب زنگ می‌زند، یکی از فراوان‌ترین فلزات روی زمین است که 5.6 درصد از پوسته زمین و تقریباً تمام هسته زمین را تشکیل می‌دهد. آهن را می‌توان پرمصرف‌ترین و ارزان‌ترین فلز دنیا نیز نامید. آهن (Iron) نام خود را از “iren” آنگلوساکسون گرفته است. نماد عنصر، Fe، از کلمه لاتین “ferrum” به معنای “استحکام” آمده است.

آهن نقش کلیدی در تاریخ بشریت ایفا کرده است، زیرا کسانی که می‌توانستند آن را برای ساخت سلاح، ابزار و مواد دیگر دستکاری کنند، قدرت اقتصادی و سیاسی به دست آوردند. در جامعه مدرن، آهن مهمترین فلز در بین تمام فلزات است، زیرا از آن برای ساخت انواع مختلف فولاد استفاده می‌شود که آن‌ها نیز در مجموعه‌های متنوعی از کاربردها استفاده می‌شوند. آهن همچنین عنصر مهمی در زندگی گیاهی و جانوری است. در گیاهان در ایجاد کلروفیل و در انسان نقش مهمی در سیستم عروقی دارد.

آهن چگونه ساخته می شود؟

مواد تشکیل دهنده برای ساخت آهن قابل استفاده، سنگ آهک، سنگ آهن، کک و هوا است. تقریباً تمام آهن زمین از ذخایر سنگ معدنی در سنگ‌هایی می‌آید که بیش از 1.8 میلیارد سال پیش تشکیل شده‌اند. اینها زمانی شروع به شکل‌گیری کردند که اولین موجودات زنده قادر به فتوسنتز آزاد کردن اکسیژن در اقیانوس‌های جهان شدند که با آهن محلول ترکیب شد و هماتیت یا مگنتیت تولید کرد.

ساختار آهن

تعداد فلزات در طبیعت با اختلاف زیادی از غیرفلزات بیشتر است. از 113 عنصری که انسان در محیط‌های آزمایشگاهی کشف یا ایجاد کرده است، 88 عنصر به عنوان فلز طبقه‌بندی می‌شوند. اتم‌ها از هسته‌ای تشکیل شده‌اند که حاوی مخلوطی از پروتون‌ها و نوترون‌ها با جرم تقریباً مساوی است که توسط “ابری” از الکترون‌های تقریباً بی‌جرم احاطه شده است. پروتون‌ها و الکترون‌ها دارای باری با قدر مساوی هستند، اما بار پروتون‌ها مثبت و بار الکترون‌ها منفی است. عدد اتمی آهن 26 است، به این معنی که آهن دارای 26 پروتون و 26 الکترون در حالت خنثی الکتریکی است. جرم اتمی آن، که وقتی گرد می‌شود به سادگی مجموع یا پروتون و نوترون است، فقط 56 گرم در مول است، به این معنی که پایدارترین شکل شیمیایی آن حاوی (56 – 26) = 30 نوترون است.

آهن دارای برخی خواص فیزیکی فوق العاده است. چگالی آن 7.87 گرم بر سانتی‌متر مکعب است که تقریباً هشت برابر چگالی آب است. آهن یک جامد در دمای 20 درجه سانتی‌گراد است که معمولاً برای اهداف شیمی «دمای اتاق» در نظر گرفته می‌شود. نقطه ذوب آن 1538 درجه سانتی‌گراد (2800 درجه فارنهایت) که بسیار بالا است، در حالی که نقطه جوش آن – یعنی دمایی که در آن آهن مایع شروع به تبخیر و تبدیل شدن به گاز می‌کند، 2861 درجه سانتی‌گراد (5182 درجه فارنهایت) است. پس جای تعجب نیست که در فلزکاری، انواع کوره‌های مورد استفاده باید واقعاً قدرتمند باشند.

هنگامی که آهن در عملیات معدنی از زمین استخراج می‌شود، به صورت سنگ معدنی است که آهن عنصری مخلوط با یک یا چند نوع سنگ است. رایج‌ترین نوع سنگ آهن، هماتیت است، اما مگنتیت و تاکونیت نیز از منابع مهم این فلز هستند. آهن در مقایسه با سایر فلزات به راحتی زنگ می‌زند یا خورده می‌شود. این مسئله برای مهندسان مشکل ایجاد می‌کند و به همین دلیل آن را با سایر فلزات آلیاژ می‌کنند.

جدول مشخصات مهم آهن عبارت است از:

پیکربندی الکترون آهن

فرم کوتاه: [Ar]3d⁶4s²

فرم بلند: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

ساختار پوسته: 2 8 14 2

آهن 95 درصد از کل تناژ فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد، با بیش از 500 میلیون تن آهن جدید و 300 میلیون تن آهن بازیافت شده در هر سال. این خروجی آهن به دلیل ذخایر عظیم آهن روی زمین که بیش از 100 میلیارد تن است امکان‌پذیر است. بیشترین استخراج معدن در چین، برزیل، استرالیا، روسیه و اوکراین انجام می‌شود. قیمت آهن همیشه بر قیمت فلزات دیگر تاثیرگذار است.

حدود 18 درصد از انرژی صنعتی جهان به استخراج، فرآوری و ساخت محصولات آهن و فولاد اختصاص دارد. آهن دارای انرژی مجسم 20-25 مگاژول بر کیلوگرم (MJ/kg) است که انرژی مورد نیاز برای استخراج، پالایش و پردازش آن است. این باعث می‌شود مصرف انرژی سالانه برای دستیابی به آهن در محدوده 10 اگزاژول قرار گیرد.

آهن 5 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد و از نظر فراوانی پس از آلومینیوم، رتبه دوم را در میان فلزات و چهارمین فراوانی پس از اکسیژن، سیلیکون و آلومینیوم را در میان عناصر دارد. آهن، که اصلی‌ترین عنصر تشکیل دهنده هسته زمین است، فراوان‌ترین عنصر در کل زمین (حدود 35 درصد) است و در خورشید و سایر ستارگان نسبتاً فراوان است.

10 حقیقت جالب از آهن که احتمالاً نمی‌دانستید:

1. آهن دومین فلز فراوان روی زمین است.
2. آهن حدود 80 درصد از هسته‌های داخلی و خارجی زمین را تشکیل می‌دهد.
3. آهن جزء اصلی شهاب سنگ‌ها است.
4. بدون آهن نمی‌توان فولاد ساخت.
5. حدود 70 درصد از آهن بدن انسان در هموگلوبین گلبول‌های قرمز خون یافت می‌شود.
6. آهن برای رشد مغز ضروری است. کودکان مبتلا به کمبود آهن توانایی یادگیری کمتری از خود نشان می‌دهند.
7. خون انسان رنگ قرمز خود را از تعامل آهن و اکسیژن با یکدیگر می‌گیرد.
8. سطح مریخ رنگ قرمز خود را از اکسید آهن (زنگ) می‌گیرد.
9. آهن خالص از نظر شیمیایی واکنش‌پذیر است و به سرعت خورده می‌شود، به ویژه در هوای مرطوب یا در دماهای بالا.
10. آهن طبیعی‌ترین عنصر مغناطیسی جدول تناوبی است.

نحوه تولید آهن

از نظر تجاری، آهن در کوره بلند با حرارت دادن هماتیت یا مگنتیت با کک (کربن) و سنگ آهک (کربنات کلسیم) تولید می‌شود. این آهن خام را تشکیل می‌دهد که حاوی حدود 3٪ کربن و سایر ناخالصی‌ها است، اما برای ساخت فولاد استفاده می‌شود. سالانه حدود 1.3 میلیارد تن فولاد خام در سراسر جهان تولید می‌شود.

استخراج فلز از زمین فرآیندی است که طی قرن‌ها انجام شده است، اما اساساً شامل استخراج سنگ، جدا کردن سنگ معدن با خرد کردن آن و ذوبِ آهن از سنگ معدن با گرم کردن آن است. پس از استخراج، بدنه سنگ خرد شده و در اندازه‌های مختلف غربال می‌شود که مقداری از سنگ معدن را از ناخالصی‌ها آزاد می‌کند. سپس می‌توان با استفاده از کوره بلند ناخالصی‌های بیشتری را قبل از مخلوط شدن با کک و سنگ آهک، حذف کرد.

مقادیر زیادی هوا روی این مخلوط در پایه کوره دمیده می‌شود تا آن را گرم کند. آهن مایع، در پایین جمع شده و سپس از آن جدا می‌شود و اجازه داده می‌شود تا در آنچه به عنوان آهن خام شناخته می‌شود، خنک شود، ماده‌ای واسطه در فرآیند فولادسازی.

این آهنی است که در اکثر محصولات فلزی که امروزه استفاده می‌کنیم، یافت می‌شود. اما از آنجایی که برای استفاده زیاد، سخت و شکننده است، با طیف وسیعی از عناصر مختلف آلیاژ می‌شود تا استحکام، سختی و کشسانی آن را بهبود بخشد و در نتیجه تطبیق پذیری آن. تاکنون پرمصرف‌ترین محصول سنگ آهن، فولاد است که از ترکیب آهن خام، ضایعات فولاد و سنگ آهک و حرارت دادن آن‌ها تا حدود 1700 درجه سانتی‌گراد ساخته می‌شود.

سپس عناصر آلیاژی برای تشکیل فولاد اضافه می‌شوند. خواص و هزینه نسبی پایین آن به این معناست که فولاد خود بیش از 90 درصد کل فلز مورد استفاده در هر سال را تشکیل می‌دهد. فولاد در مجموعه‌ای از کاربردها از صنایع ساخت و ساز و خودرو، کارد و چنگال و تجهیزات آشپزخانه، تجهیزات جراحی و صنعت هوافضا استفاده می‌شود.

کاربرد آهن

آهن یک معما است، به راحتی زنگ می‌زند، با این حال از همه فلزات مهم‌تر است. 90 درصد تمام فلزاتی که امروزه تصفیه می‌شوند، آهن است. بیشتر برای تولید فولاد، مورد استفاده در مهندسی عمران (بتن مسلح، تیرها و غیره) و در ساخت و ساز استفاده می‌شود.

1. انواع مختلفی از فولاد با خواص و کاربردهای متفاوت وجود دارد. فولاد کربن معمولی، آلیاژی از آهن با کربن است (از 0.1٪ برای فولادهای نرم تا 2٪ برای فولادهای پر کربن)، با مقادیر کمی از عناصر دیگر.
2. فولاد آلیاژی، فولاد کربنی با افزودنی‌های دیگری مانند نیکل، کروم، وانادیم، تنگستن و منگنز است. این فولادها قوی‌تر و سخت‌تر از فولادهای کربنی هستند و کاربردهای بسیار متنوعی از جمله پل‌ها، دکل‌های برق، زنجیر دوچرخه، ابزارهای برش، کویل آبگرم، فن کویل و لوله تفنگ دارند.
3. فولاد ضد زنگ در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. حاوی حداقل 10.5٪ کروم است. فلزات دیگری مانند نیکل، مولیبدن، تیتانیوم و مس برای افزایش استحکام و کارایی آن اضافه می‌شوند. این فولاد در معماری، بلبرینگ، کارد و چنگال، ابزار جراحی و جواهرات استفاده می‌شود.
4. چدن حاوی 3 تا 5 درصد کربن است. برای لوله‌ها، شیرآلات و پمپ‌ها استفاده می‌شود. به سختی فولاد نیست اما ارزان‌تر است. آهنرباها می‌توانند از آهن و آلیاژها و ترکیبات آن ساخته شوند.
5. کاتالیزورهای آهن در فرآیند هابر برای تولید آمونیاک و در فرآیند فیشر-تروپش برای تبدیل گاز سنتز (هیدروژن و مونوکسید کربن) به سوخت مایع استفاده می‌شوند.

بزرگترین کشورهای تولیدکننده سنگ آهن

بزرگترین کشورهای دارای معادن سنگ آهن و درصد آن‌ها نسبت به کل عبارتند از:

1. استرالیا
2. برزیل
3. چین
4. هند
5. روسیه
6. اوکراین
7. کانادا
8. قزاقستان
9. آفریقای جنوبی
10. ایران
11. آفریقای جنوبی
12. سوئد

اگرچه چین همچنان محرک اصلی افزایش مداوم تولید فولاد است، بازارهای جدیدی در اقتصادهای نوظهور جنوب شرق آسیا ظاهر می‌شوند. تقاضای جهانی برای سنگ آهن با کیفیت بالا با افزایش تولید فولاد افزایش می‌یابد که انتظار می‌رود تا سال 2050 دو برابر شود.

تاریخچه آهن

هنگامی که به منشا آهن فکر می‌کنید، ذهن شما احتمالاً در رویاهایی از کارخانه‌های فولاد، آهنگرهای قرون وسطایی یا برخی از فرآیندهای تولید دیگر که با کار سخت، عملی و دمای بسیار بالا مشخص می‌شود، سرگردان می‌شود. اما جدا از اینکه آهن یک نوع فلز است که به طرق مختلف در صنایع بشری مورد استفاده قرار می‌گیرد، آهن، به عنوان یک عنصر، نه یک ترکیب یا آلیاژ، به این معناست که می‌توان یک اتم آهن را جدا کرد. این در مورد بیشتر مواد آشنا، صادق نیست. به عنوان مثال، کمترین مقدار آبی که هنوز آب نامیده می‌شود، شامل سه اتم است، یکی از آن‌ها اکسیژن و دو اتم دیگر هیدروژن است.

اگرچه مردم آهن را با دمای غیرمعمول بالا در محیط‌های تولیدی روی زمین مرتبط می‌دانند، آهن به‌عنوان یک عنصر، وجود خود را مدیون رویدادهایی است که بسیار گرم و دور از هم هستند که اعداد مربوط به آن به ندرت منطقی است. بنابراین، انجام مطالعه در مورد چگونگی ساخت آهن مستلزم دو فرآیند موازی است: بررسی چگونگی پیدایش آهن و چگونگی رسیدن آن به زمین، و چگونگی ساخت و استفاده مردم روی زمین از آهن برای فعالیت‌های روزمره و همچنین تخصصی.

آهن زمانی فلزی بود که به عنوان شهاب سنگ از فضا به زمین سقوط کرد، اما آهن اکنون حدود 95 درصد از کل فلزات مورد استفاده امروز را تشکیل می‌دهد. هزار سال قبل از عصر امپراتوری‌ها در روم و یونان، عصر آهن با صدای زنگ و صدای سندان آهنگر به جهان راه یافت. علی‌رغم پیچیدگی تکنولوژیکی بیشتر و شدت کار مورد نیاز برای ساخت آهن نسبت به برنز، عصر آهن با اطمینان از عصر برنز پیشی گرفت زیرا آهن در طبیعت بیشتر از برنز وجود دارد. در طول عصر برنز، بسیاری از کالاهای فلزی دوباره به اسلحه تبدیل شدند. کمبود قلع برای ریخته‌گری برنز چیزی است که فولادسازان باستانی را وادار به جستجوی جایگزین کرد. استفاده گسترده از سنگ آهن منجر به پیشرفت در فناوری تولید فلز شد. زمانی که قلع دوباره در دسترس قرار گرفت، آهن ارزان‌تر، قوی‌تر و سبک‌تر شد و آهن آهنگری برای همیشه جایگزین ابزار برنزی شد.

آهن، فلز تصادفی

شواهد نشان می‌دهد که مردم بخش‌هایی از غرب آفریقا و جنوب غربی آسیا اولین کسانی بودند که متوجه شدند سنگ‌های نقره‌ای تیره‌ای که از زمین بیرون می‌آیند را می‌توان به ابزار و سلاح تبدیل کرد، حدود ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد. مورخان فکر می‌کنند که این فلز احتمالاً به طور تصادفی در آنجا کشف شده است که مقداری سنگ معدن در آتش ریخته شده و به آهن تبدیل شده است.

فناوری آهن از طریق جنگ‌ها در بسیاری از قاره‌ها پخش شد، جایی که پیروزی کسانی که از این فلز استفاده می‌کردند، تضمین شده بود. آهن در آن روزها زندگی را بسیار آسان می‌کرد، زمانی که زندگی تا 45 سالگی یک شاهکار بود. در آن زمان، بسیاری در اروپا در زندگی روستایی کوچک ساکن شده بودند، و با ابزار برنزی و سنگی در خاک کار می‌کردند.

اشیای آهنی در مصر پیدا شده است که قدمت آن‌ها به 3500 سال قبل از میلاد می‌رسد. آن‌ها حاوی حدود 7.5٪ نیکل هستند که نشان می‌دهد منشاء شهاب سنگی داشته‌اند.

فناوری آهن‌سازی شامل مجموعه‌ای از عملیات‌ها برای استخراج آن از سنگ معدن بود و به گفته کارشناسان، در هزاره دوم قبل از میلاد در آسیای صغیر کشف شد. برای این منظور از کوره‌های بلوری استفاده می‌شد. هوا با دم به داخل کوره‌ها پمپاژ می‌شد. کوره‌های اولیه، مخروطی شکل و حدود یک متر ارتفاع داشتند. قسمت پایینی کوره دارای نازل‌های هوا بود که از طریق آن هوا برای سوزاندن زغال سنگ تامین می‌شد. این باعث ایجاد دمای بسیار بالایی در کوره شد که امکان ذوب مخلوط باردار اکسیدهای آهن و گنگ را فراهم کرد. در نتیجه واکنش‌های شیمیایی، بخشی از اکسیدها با گنگ ذوب شدند و سرباره‌های همجوشی را تشکیل دادند، در حالی که بخشی دیگر به آهن تبدیل شد و به یک ماده متخلخل نرم به نام بلوم یا شمشه (bloom) ذوب شد. پس از آن، فولادسازان باستانی دیواره جلویی کوره را می‌شکنند تا بلوم آهن را بیرون بیاورند. اما برخلاف برنز، فلز به این شکل برای ریخته‌گری در قالب مناسب نبود. یک بلوم مانند آهن اسفنجی متخلخل به شکل دانه‌های فلزی به نظر می‌رسید. در حالی که گرم بود، بلوم آهنگری شد که فلز را سفت‌تر و همگن‌تر کرد. سپس از این فلز برای ساخت فلزات مختلف دیگر در یک آهنگری استفاده می‌شد. آهنگر بلوم را با شعله باز گرم می‌کرد و با استفاده از چکش و سندان، آهنگری می‌کرد.

چگونه عصر آهن بر توسعه تمدن تأثیر گذاشت

مدت‌ها قبل از انقلاب صنعتی، اکثر مردم در اوایل عصر آهن به دامداری و کشاورزی می‌پرداختند. زندگی در اطراف روستا متمرکز بود، جایی که جوامع، زمین را کشت می‌کردند و اقلام ضروری برای زندگی خود را دست ساز می‌ساختند.

ساخت ابزار آهنی به آسان‌تر و کارآمدتر شدن کار کشاورزی کمک کرد. دهقانان قادر به کشت خاک‌های سخت‌تری بودند که امکان کشت و پرورش انواع جدیدی از گیاهان را فراهم می‌کرد. در مورد دامداری هم همین‌طور بود. روش‌های مؤثرتر انجام کار، به آزاد کردن زمان کمک کرد. داشتن زمان بیشتر به این معنی بود که مردم اکنون می‌توانستند مشاغل دیگری غیر از کشاورزی، مانند فروش یا تجارت آنچه را که رشد داده‌اند، داشته باشند. برخی خانواده‌ها شروع به افتتاح نانوایی یا کارگاه‌های خیاطی و آهنگری کردند. توسعه آهنگری به نوبه خود باعث توسعه مشاغلی مانند پردازش چرم، چوب و استخوان شد. تجارت در این دوره رونق گرفت.

فناوری پردازش آهن به طور پیوسته و سریع در حال توسعه بود. در آن زمان، بازوهای جوش داده شده و فولاد دمشق به وجود آمدند، در حالی که کوره‌های بلوم با کوره‌های بلندتر استاکوفن (Stuckofen furnaces) جایگزین شدند. در اواخر قرن سیزدهم، این کوره‌های چهار متری در اروپای مدرن مورد استفاده قرار گرفتند. چنین کوره‌هایی می‌توانستند تا 250 کیلوگرم آهن در روز تولید کنند.

در اواسط قرن پانزدهم، کوره‌های استاکوفن با کوره های بلندتر بلووفن (Blauofen furnaces) مجهز به پیش گرمایش هوا جایگزین شد. قدم بعدی در توسعه روش‌های فرآوری آهن، اختراع کوره بلند (blast furnace) بود. اندازه بزرگ‌تر، و همچنین پیش گرمایش و تامین مکانیکی هوا به کوره بلند، تضمین می‌کند که تمام آهن می‌تواند به فلز داغ تبدیل شود. کوره‌ها به طور مداوم کار می‌کردند و می‌توانستند روزانه تا یک و نیم تن فلز داغ تولید کنند.

اولین کسی که انواع مختلف آهن را توضیح داد رنه آنتوان فرشو د رئومور (René Antoine Ferchault de Réaumur) بود که در سال 1722 کتابی در این زمینه نوشت. او توضیح داد که چگونه فولاد، آهن فرفورژه و چدن باید با مقدار زغال چوب (کربن) متمایز شوند.

هزار سال قبل از عصر امپراتوری‌ها در روم و یونان، عصر آهن با صدای زنگ و صدای سندان آهنگر به جهان راه یافت.

در قرن شانزدهم، یک فرآیند متالورژی در اروپا برای تبدیل آهن به فلز داغ و حذف کربن آن در حالی که هنوز به شکل مایع بود، رایج شد و آهن را به فولاد تبدیل کرد. بعدها، فن آوری‌های مبتنی بر زغال سنگ، کک سازی، پادلینگ و انفجار داغ به طور فعال در متالورژی مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1856، مخترع انگلیسی هنری بسمر، یک مبدل طراحی کرد و فناوری تولید فولاد خود را به ثبت رساند که به فرآیند بسمر (Bessemer process) معروف شد.

در قرن بیستم، کوره‌های باز به طور فعال جایگزین مبدل‌های بسمر شدند. اما حتی این کوره‌ها نیز تا پایان قرن منسوخ شدند، زمانی که فرآیند کوره اکسیژن اولیه جایگزین آن‌ها شد. با ظهور نیروگاه‌های برق قوی به عنوان منابع انرژی، فناوری ساخت فولاد الکتریکی در صنعت برای تولید فلزات غیر آهنی و آهنی گسترده شد.

قرن بیست و یکم تغییرات خاص خود را در فرآوری آهن مشاهده کرد و ما را مجبور کرد که نه تنها به فواید آن فکر کنیم، بلکه در مورد آسیب متالورژی به محیط زیست نیز فکر کنیم. امروزه، فرآیند استفاده از هیدروژن برای احیای مستقیم آهن از سنگ معدن، امیدوارکننده‌ترین روش از دیدگاه زیست‌محیطی است. در مرحله بعدی فرآیند، فولاد از ذوب ذرات آهن در کوره‌های الکتریکی و به دنبال آن افزودن کربن به دست می‌آید.

فرآیندهای نوآورانه مدرن در حال تبدیل شدن به یک عامل تعیین کننده برای متالورژی برای حفظ رقابت خود در بازار جهانی است. در طول چند قرن گذشته، آهن کیفیت زندگی را بهبود بخشیده است. در زمان‌هایی که فناوری‌های پردازش پیشرفته‌تری کشف شده‌اند، جهان سریع‌ترین رشد را تجربه کرده است. دستاوردهای صنعت متالورژی در اواسط قرن 18 منجر به توسعه سریع مهندسی مکانیک و یک انقلاب واقعی در ماشین‌آلات شد.

همان‌طور که عصر آهن قرن‌ها پیش روش زندگی بشر را تغییر داد، کاملاً ممکن است که انقلاب صنعتی چهارم آغاز عصر جدیدی در توسعه تمدن ما باشد.

آهن در بدن انسان

آهن یک عنصر غیر سمی ضروری برای همه اشکال زندگی است. یک انسان به طور متوسط حدود 4 گرم آهن دارد. کمبود آهن باعث ایجاد کم خونی می‌شود. غذاهایی مانند جگر، کلیه، ملاس، مخمر آبجو، کاکائو و شیرین بیان حاوی مقدار زیادی آهن هستند. البته باید بدانید که مصرف بیش از حد آهن، بسیار خطرناک و سمی است.

مقدار متوسط آهن در بدن انسان حدود 4.5 گرم (حدود 0.004 درصد) است که تقریباً 65 درصد آن به شکل هموگلوبین است که اکسیژن مولکولی را از ریه‌ها در سراسر بدن منتقل می‌کند. 1 درصد در آنزیم‌های مختلف که اکسیداسیون داخل سلولی را کنترل می‌کنند و بیشتر بقیه آن در بدن (کبد، طحال، مغز استخوان) برای تبدیل به هموگلوبین ذخیره می‌شود.

گوشت قرمز، زرده تخم مرغ، هویج، میوه‌ها، گندم کامل و سبزیجات سبز بیشتر از 10 تا 20 میلی‌گرم آهن مورد نیاز روزانه یک بزرگسال متوسط را تامین می‌کنند. برای درمان کم خونی‌های هیپوکرومیک (ناشی از کمبود آهن)، هر یک از تعداد زیادی از ترکیبات آهن آلی یا معدنی (معمولاً آهنی) استفاده می‌شود.

ترکیبات آهن

مهم‌ترین حالت‌های اکسیداسیون آهن 2+ و 3+ است، اگرچه تعدادی از حالت‌های 4+ و 6+ نیز شناخته شده است. برای عنصر آهن، روند پایداری نسبی حالت‌های اکسیداسیون در بین عناصر سری انتقال اول ادامه دارد، با این تفاوت که هیچ ترکیب یا شرایط شیمیایی مهمی وجود ندارد که در آن حالت اکسیداسیون آهن با تعداد کل ظرفیت آن برابر باشد. بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شده +6 است که نادر و بی‌اهمیت است. حتی حالت اکسیداسیون +3 که در موقعیت کروم در جدول تناوبی مهم است، در موقعیت آهن به حالت +2 زمین را از دست می‌دهد. ترکیبات آهن در حالت 2+ آهن نامیده می‌شوند و حاوی یون سبز کم رنگ Fe2+ یا یون‌های پیچیده هستند. ترکیبات آهن در حالت +3 فریک نامیده می‌شوند و حاوی یون Fe3+ (که بسته به میزان هیدرولیز زرد تا نارنجی تا قهوه‌ای است) یا یون‌های پیچیده دارند.

سه ترکیب اکسیژن آهن شناخته شده است:

1. اکسید آهن FeO
2. اکسید آهن Fe2O3
3. اکسید فروسوفریک یا اکسید فروفریک Fe3O4 که حاوی آهن در هر دو حالت اکسیداسیون +2 و +3 است.

اکسید آهن پودری مایل به سبز تا سیاه است که عمدتاً به عنوان رنگدانه برای شیشه‌ها استفاده می‌شود. در طبیعت به عنوان ماده معدنی ووستیت وجود دارد و می‌توان آن را با حرارت دادن یک ترکیب آهنی در غیاب هوا یا با عبور هیدروژن از روی اکسید آهن تهیه کرد. اکسید آهن یک پودر قهوه‌ای مایل به قرمز تا سیاه است که به طور طبیعی به عنوان هماتیت معدنی وجود دارد. می‌توان آن را به صورت مصنوعی با احتراق تقریباً هر ترکیب آهنی موجود در هوا تولید کرد. اکسید آهن اساس مجموعه‌ای از رنگدانه‌ها از زرد تا قرمز است که به قرمز ونیزی معروف است. شکل قرمز ریز پودر شده که اغلب به آن روژ جواهرات می‌گویند، برای صیقل دادن فلزات گرانبها و الماس‌ها و همچنین در لوازم آرایشی استفاده می‌شود. اکسید آهن تعدادی هیدرات با ساختارها و ترکیبات متغیر تشکیل می‌دهد. شکل رایج آن زنگ آهن است که از اثر ترکیبی رطوبت، دی اکسید کربن و اکسیژن موجود در هوا بر روی آهن فلزی ایجاد می‌شود. این فرآیند در دو مرحله انجام می‌شود: اول، آهن در محلول اسیدی که توسط رطوبت و دی اکسید کربن هوا تولید می‌شود، حل شده و آهن را تشکیل می‌دهد و هیدروژن را آزاد می‌کند. دوم، اکسیژن هوا، آهن آهنی را اکسید می‌کند و اکسید آهن هیدراته را تشکیل می‌دهد. اکسید فروسوفریک به عنوان ماده معدنی مگنتیت به شکل بلورهای مغناطیسی، سیاه یا قرمز مایل به سیاه وجود دارد. با گذراندن بخار روی آهن داغ تهیه می‌شود. این اکسید به طور گسترده در فریت‌ها، موادی با نفوذپذیری مغناطیسی بالا و مقاومت الکتریکی بالا که در حافظه‌های کامپیوتری خاص و پوشش‌های نوار مغناطیسی استفاده می‌شود، کاربرد دارد. همچنین به عنوان رنگدانه و یک عامل پولیش نیز استفاده می‌شود.

اثر اسید سولفوریک روی آهن منجر به تشکیل دو ترکیب گوگردی می‌شود: سولفات آهن، FeSO4، که معمولاً به عنوان هپتاهیدرات FeSO4∙7H2O در دسترس است و سولفات آهن، Fe2(SO4)3. هپتاهیدرات سولفات آهن، که در تجارت به عنوان ویتریول سبز یا مس شناخته می‌شود، به عنوان یک محصول جانبی از فرآیندهای صنعتی با استفاده از سنگ معدن آهن که با اسید سولفوریک تصفیه شده‌اند، به دست می‌آید. این ماده به عنوان ماده اولیه برای ساخت سایر ترکیبات آهنی و به عنوان یک عامل کاهنده عمل می‌کند. همچنین در ساخت جوهر، کود و آفت کش‌ها و برای آبکاری آهن استفاده می‌شود. سولفات آهن در مقیاس بزرگ با افزودن اسید سولفوریک و یک عامل اکسید کننده (به عنوان مثال، اسید نیتریک یا پراکسید هیدروژن) به محلول داغ سولفات آهن، تولید می‌شود. از آن برای ساخت زاج آهن و سایر ترکیبات آهنی استفاده می‌شود. به عنوان یک منعقد کننده در تصفیه آب و تصفیه فاضلاب؛ و به عنوان ماده (تثبیت کننده) در رنگرزی و چاپ پارچه نیز کاربرد دارد.

با کلر، آهن گروه دیگری از ترکیبات مهم صنعتی را تشکیل می‌دهد: کلرید آهن، FeCl2. و کلرید آهن، FeCl3. کلرید آهن با عبور گاز کلرید هیدروژن خشک از روی آهن داغ قرمز، به صورت کریستال‌های زرد مایل به سبز به دست می‌آید. همچنین می‌توان آن را به شکل هیدراته FeCl2∙4H2O با حل کردن آهن فلزی در اسید هیدروکلریک تهیه کرد. در صنعت رنگ‌سازی به‌عنوان ماده خشک‌کننده و کاهنده استفاده می‌شود. کلرید آهن به طور کلی از کلرید آهن از طریق عمل کلرید یا اسید نیتریک تهیه می‌شود. از آن برای ساخت بسیاری از ترکیبات آهنی دیگر و به عنوان یک عامل کلرکننده برای نقره، مس و برخی ترکیبات آلی استفاده می‌شود. درمان محلول Fe3+ با یون هگزاسیانوفرات پیچیده، [Fe(CN6)]4-، رسوب آبی تیره‌ای به نام آبی پروس به دست می‌دهد. این رنگدانه کمی مایل به قرمز است و در رنگ‌ها، لعاب‌ها و لاک‌ها استفاده می‌شود.

پرسش و پاسخ

چرا آهن در هوای مرطوب زنگ می زند؟

قرار گرفتن آهن (یا آلیاژ آهن) با اکسیژن در مجاورت رطوبت، منجر به تشکیل زنگ می‌شود. این واکنش آنی نیست، به طور کلی در یک بازه زمانی قابل توجهی انجام می‌شود. اتم‌های اکسیژن با اتم‌های آهن پیوند می‌خورند و در نتیجه اکسیدهای آهن تشکیل می‌شود.

کدام آهن زنگ نمی زند؟

آهن خالص به تنهایی زنگ می‌زند. اگرچه فولاد حاوی آهن است، اما فولاد ضد زنگ همچنین حاوی عنصر کروم است که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. کروم از فولاد در برابر زنگ زدگی محافظت می‌کند زیرا کروم قبل از آهن با اکسیژن ترکیب می‌شود.

عصر آهن چه زمانی است؟

دوره‌ای که به نام عصر آهن شناخته می‌شود، 1200 سال قبل از میلاد مسیح است.

چه اسیدی آهن را ذوب میکند؟

آهن حلالیت بسیار کمی در PH محیطی خنثی دارد، بنابراین برای این کار به محلول اسیدی مانند HCl یا اسید نیتریک نیاز خواهید داشت. اسید هیدروبرومیک نیز آهن جامد را بر اساس واکنش حل می‌کند.

چگونه آهن را ذوب کنیم؟

ساده‌ترین راه برای ذوب آهن به مایع، گرم کردن آن در یک ظرف کوچک و بسته است که از زیر گرم می‌شود. می‌توانید با استفاده از یک مخزن کوچک خالی پروپان یا سطل فلزی، گچ پاری، شن و ماسه، لوله فلزی، بریکت‌های زغال چوب و یک قوطی فولادی، خودتان آن را درست کنید.

چگونه آهن را براق کنیم؟

سرکه سفید و روغن زیتون را می‌توان به طور موثری برای جلا دادن آهن استفاده کرد، البته اگر پاک کننده تخصصی در اطراف خود ندارید. به سادگی تکه آهن خود را با یکی از این پاک کننده‌ها بپوشانید، سپس آن را با یک پارچه میکروفیبر پاک کنید تا آن را جلا دهید.

چگونه اهن را به فولاد تبدیل کنیم؟

برای ساخت فولاد، آهن باید از اکسیژن جدا شود و مقدار کمی کربن به آن اضافه شود. هر دو با ذوب سنگ آهن در دمای بسیار بالا (1700 درجه سانتی‌گراد) در حضور اکسیژن و نوعی زغال سنگ به نام کک انجام می‌شوند.

چطور زنگ اهن را از بین ببریم؟

جمع‌بندی

توسعه تکنیک‌های تولید آهن باعث پیشرفت بخش‌های کشاورزی و نظامی و به دنبال آن رشد سریع تولید و انقلاب صنعتی شد. به دلیل وجود آهن، سیستم قبیله‌ای بدوی با جامعه طبقاتی نوظهور، تشکیل دولت‌ها و برقراری روابط تجاری جدید جایگزین شد. ابزارهای آهنی و نحوه ساخت آن‌ها از اوایل عصر آهن تا اوایل قرن بیستم، زمانی که انقلاب صنعتی تقریباً همه چیز را تغییر داد، اندکی تغییر کرد. به عنوان یک ماده، آهن برای کارخانه‌های جدید و ماشین آلات آن‌ها، آنقدر مهم بود که تقریباً به تنهایی کشوری مانند بریتانیا را که ذخایر سخاوتمندانه‌ای از مواد معدنی داشت به خط مقدم نیروگاه‌های صنعتی سوق داد.

اما صنعتگران باهوش به سرعت متوجه شدند که آهن فرفورژه اولیه به اندازه کافی بادوام نیست تا بتواند با فرسایش سختی که محصولات جانبی آن تجربه می‌کردند، مانند صدای بی‌وقفه قطارها از روی ریل‌ها، مقاومت کند. اما راه حل چه بود؟ پاسخ فولاد بود، آلیاژی که بیشتر از آهن و مقداری کربن یا فلزات دیگر ساخته شده بود. این ماده برای اولین بار در اواخر دهه 1800 به تولید انبوه رسید و امروز 3000 سال پس از اینکه سنگ آهن برای اولین بار با کنجکاوی از زمین کنده شد، از مهمترین مصالح ساختمانی جهان است. برای آشنایی با عصر فولاد، مطالعه مقاله “فولاد چیست؟” را به شما پیشنهاد می‌نماییم.

فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 20 آبان 1402