آهن و آهن آلات

آهن با نماد شیمیایی Fe، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷٫۸۷۴g/cm^۳ است که در نخستین دورهٔ فلزهای واسطه جای دارد. آهن از نظر جرمی، بزرگترین عنصر سازندهٔ زمین است. این عنصر مهم ترین سازندهٔهستهٔ بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر مهم در پوسته است. فراوانی آهن در سیاره‌های زمین‌سان مانند کرهٔ زمین، به دلیل همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های بزرگ است.

در حدود ۱٬۴۰۰ پیش از میلاد، از مصنوعات آهنی در قلمرو هیتی‌ها در ارمنستان کنونی استفاده می‌شد که این به عنوان نخستین شواهد مصرف این عنصر است.

 

ویژگی‌ها

آهن دارای سطوح صاف و نقره‌ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه‌ای در می‌آید که به آنها اکسید درای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می‌شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم تر از آلمینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می‌شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می‌تواند ۱۰۰۰ بار سخت تر از آهن خالص باشد.

Fe۵۶ سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرایند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است که با عناصر سنگین‌تر از آهن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان‌ترین عنصر در غول‌های قرمز است، و فراوان‌ترین فلز در شهاب‌سنگ‌ها و در هستهٔ فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.

آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده می‌شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O۳ توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهن را می‌توان با تولید آلیاژهایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هستهٔ اتم‌های آهن تقریباً دارای بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni۶۲ دارای انرژی بیشتر از آن می‌باشد. هرچند فراوان‌ترین نوکلیدهای پایدار همان Fe۵۶ می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های شکل گرفته‌است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل ۶۲ نیز استخراج می‌گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرایند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالاً در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همینطور است. آهن (آهن Fe+۲، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریباً تمام موجودات زنده از آن استفاده می‌کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده‌ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می‌کنند و به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که عناصر گوناگونی را در فرایندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه و یا هموسیانینبه جای هموگلوبین. آنزیم‌های حاوی آهن معمولاً دارای گروه‌های هموپروستاتیک هستند که در تجزیهٔ واکنش‌های اکسیداسیون در زیست‌شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می‌کنند.

 

 

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل و راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه‌ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می‌رود. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتاً بستگی به خلوص دارد به گونه‌ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده‌اند ازآلومینیوم نرم ترند، افزودن تنها ۱۰ قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می‌کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا ۰/۲٪ و اشباع شده تقریباً در ۰/۶٪ به سرعت افزایش می‌یابد. خالص‌ترین آهن تولید شدهٔ صنعتی (تقریباً ۹۹/۹۹٪ خلوص) دارای سختی ۲۰-۳۰ برنیل است.

 

شکل مختلف

آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگروارگی در یک فلز باشد، سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α، ϒ و δ شناخته می‌شود.

همانطور که آهن ذوب شده سرد می‌شود در دمای ۱۵۳۸ درجهٔ سانتی گراد به آلوتروپ δ کریستالیزه می‌شود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست، همانطور که بیشتر سرد می‌شود ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای ۱۳۹۴ درجهٔ سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می‌یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته می‌شود، در دمای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریتمی‌شود و در ۷۷۰ درجهٔ سانتی گراد (نقطهٔ کوری، TC) آهن مغناطیسی می‌شود، هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می‌کند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می‌دهد (هر حوزه شامل اتم‌های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص می‌باشد). در آهن غیر مغناطیسی شده همهٔ اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزهٔ مجاور آنها جهات متفاوت هستند و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می‌کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همهٔ حوزه‌ها هم جهت شده‌اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می‌کنند اگر چه هر حوزه، شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود ۱۰ میکرون می‌باشند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط می‌شود تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود، انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که درای خواص متفاوتی می‌باشند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولادهایی با کیفیت خوب می‌باشد. آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتاً نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین (نه بیش از ۰/۰۲۱٪ از جرم در ۹۱۰ درجهٔ سانتی گراد) می‌باشد. در دماهای بالای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد و تا ۱۴۰۰ درجهٔ سانتی گراد آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بدن مرکزی به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهن ϒ را که استانیت نیز نامیده می‌شود تجربه می‌کند. این آهن نیز نرم است اما می‌تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان ۲/۴٪ جرمی در دمای ۱۱۴۶ درجهٔ سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می‌رود استفاده می‌شود.

 

پیدایش

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره‌های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می‌شود در حالی که آهن حدود ۵٪ از پوستهٔ زمین را تشکیل می‌دهد، اعتقاد بر این است که هستهٔ زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده‌است که ۳۵٪ جرم کل زمین را تشکیل می‌دهد، بنابر این آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوستهٔ زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی می‌باشد. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می‌شود. حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (۳۵-۸۰٪ آهن) و کاماسیت (۹۰-۹۵٪ آهن) تشکیل شده‌اند. اگر چه تعاد اندکی از شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین می‌باشند. تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

 

ایزوتوپ‌ها

آهن به طور طبیعی متشکل از ۴ ایزوتوپ: ۵/۸۴۸٪ رادیواکتیو Fe۵۴ (نیمه عمر بزرگتر از ۳/۱ × ۲۲ ۱۰سال)، ۹۱/۷۵۴٪ Fe۵۶ پایدار، ۲/۱۱۹٪ از Fe۵۷پایدار و ۰/۲۸۲٪ از Fe۵۸ پایدار می‌باشد. Fe۶۰ یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (۱/۵ میلیون سال) می‌باشد. بیشتر کارهای قبلی در اندازه‌گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe۶۰ تولید شده از فرایندهای همراه با نکلئو سنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده‌است. هرچند در دههٔ اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف‌سنجی جرمی اجازهٔ تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت‌های ایزوتوپ‌های پایدار آهن را داده‌است. بیشتر این کار به وسیلهٔ انجمن‌های علوم زمین و سیاره‌ای انجام شده‌است، هرچند کاربردهای آن در سیستم‌های بیولوژیک و صنعتی در حال آغاز شدن می‌باشد. فراوان‌ترین ایزوتوپ آهن Fe۵۶ مورد توجه ویژهٔ دانشمندان هسته‌ای می‌باشد. تصور غلط رایج این است که این ایزوتوپ پایدارترین هسته ممکن است و لذا انجام شکافت یا همجوشی در Fe۵۶ و آزاد سازی انرژی از آن غیر ممکن است این مطلب درست نیست، چرا که هم Ni۶۲ و هم Fe۵۸ پایدار ترند و پایدارترین هسته می‌باشند. هرچند چون نیکل Ni۵۶ در واکنش‌های هسته‌ای سوپر نوا در فرایند α از هسته‌های سبکتر به گونه‌ای بسیار آسانتر تولید می‌شود، نیکل ۵۶ (ذرات آلفای ۱۴)آخرین نقطهٔ زنجیرهٔ همجوشی در ستاره‌های بسیار عظیم می‌باشد، و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی-۶۰ را تولید می‌کند که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد. این نیکل ۵۶، که دارای نیمه عمر حدود ۶ سال است به مقدار زیاد در این ستاره‌ها ساخته می‌شود اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تاخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی‌مانده از سوپر نوا به اولین رادیو اکتیو کبالت ۵۶، و سپس آهن ۵۶ پایدار متلاشی می‌شود. این هستهٔ اخیر بنابر این در همه جای دنیا در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریباً مشابه دارای فراوانی بیشتریست. در فازهای شهاب سنگ‌های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na۶۰، محصول دختر Fe۶۰، و فراوانی ایزوتوپ‌های آهن پایدار قابل مشاهده بود که نشان از وجود Fe۶۰ در زمان تشکیل منظومهٔ شمسی دارد. احتمالاً انرژی رها شده از فروپاشی آهن ۶۰ همراه با انرژی رها شده از فروپاشی رادیونیکلاید Al۲۶ در ذوب دوباره و افتراق سیارات بعد از تشکیل آن‌ها در ۴/۶ بیلیون سال پیش مشارکت داشته‌است. فراوانی Na۶۰ موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است اطلاعات بیشتری نسبت به منشا منظومهٔ شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ‌های پایدار، تنها Fe۵۷ یک اسپین هسته‌ای (-۱/۲) دارد.

 

شیمی و ترکیبات

ترکیبات معدنی

آهن(III) کلرید آبپوشیده که به فریک کلرید نیز معروف است.

آهن ترکیباتی را ایجاد می‌کند که عمدتاً در حالت‌های اکسیداسیون +۲ و +۳ هستند. به طور سنتی، ترکیبات آهن II فروس نامیده می‌شوند و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده می‌شود. ترکیبات زیادی در هر یک از حالات اکسیداسیون وجود دارد که مثال‌هایی از آن شامل سولفات آهن (II) (FeSo4) و کلرید آهن (III) (FeCl3) می‌باشد. همچنین مثال‌های بیشماری از ترکیباتی که شامل اتم‌های آهن در هر دوی این حالات اکسیداسیون وجود دارد مانند مگنتیک و آبی پروسی. آنیون منفی فریت [Fe ۲۴] شامل یک مرکز آهن، (Vi)بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شدهٔ آن می‌باشد و مثلاً در فریت پتاسیم (کا دو اف ای اُ ۴) وجود دارد. ترکیبات آلی بی شماری (مثل پنتا کربنیل آهن) وجود دارند که دارای آهن زیرو ولنت (یا کمتر) هستند.

ترکیبات آلی

نوشتار(های) وابسته: شیمی آلی آهن

نیل فرنگی

تاریخچه

اولین آهن شکل گرفته که توسط بشر در دورهٔ پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ‌ها آمده بود. ذوب آهن در کوره‌ها در هزارهٔ دوم پیش از میلاد شروع شد، آثار مکشوفه از آهن ذوب شده از ۱۲۰۰-۱۸۰۰ پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود ۱۵۰۰ پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می‌رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده‌است). چدن برای اولین بار در حدود ۵۵۰ پیش از میلاد در چین تولید شد اما در اروپا تا سال‌های قرون وسطا تولید نشد، در طول دوران قرون وسطا ابزاری در اروپا کشف شد که از آهن شکل یافته از چدن (pig Iron) با استفاده از ریخته گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرایندها از زغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد. فولاد (که با کربن کمتر از pig Iron است اما آهن شکل یافته بیشتری دارد) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش‌های تازهٔ تولید آن به وسیلهٔ میله‌های کربنیزه کردن آهن در فرایند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون زغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند. در اواخر دههٔ ۱۸۵۰، هنری بسمر فرایند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرایند و دیگر فرایندهای ابداع شده در قرن ۱۹ و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.

 

کانی‌ها

آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد. در میان کانه‌های مهم آن می‌توان از هماتیت، مگنتیت، پیریت و کالکوپیریت را نام برد.