فلز آهن/ تاریخچه، حقایق، کاربردها و عملکرد

مجموعه: چرا ، زیرا و چگونه

فلز آهن چیست

همه چیز در مورد فلز آهن ویژگی و کاربرد آن

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

آهن چهارمین عنصر رایج روی زمین است 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 فعال داشته و باعث می شود که سطوح زیرین آهن در معرض آب و هوا قرار گرفته و زنگ زدگی به عمق 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 مانند فروسن ، فریو کسالان و آبی پروس ، کاربردهای مهمی در صنعت و پزشکی و تحقیقات دارند.

حدود 4 گرم ( 0.005 درصد )  از وزن بدن یک انسان بالغ را Fe تشکیل میدهد که بیشتر در هموگلوبین و میوگلوبین متمرکز شده است. این پروتئین ها نقش بسیار 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 فعالیت بسیاری از آنزیم های مهم در تنفس سلولی، اکسیداسیون و احیا در گیاهان و حیوانات ضروری است. 

وجود آهن به صورت فلزی در پوسته زمین نادر است و اغلب به شهاب سنگ ها محدود می شود ولی سنگ آهن ، از جمله فراوان ترین سنگ های پوسته زمین است 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 قبل از میلاد در اوراسیا، انسان شروع به ذوب آهن کرد و از این عنصر برای ساخت ابزار و اسلحه به عنوان جایگزین آلیاژ مس ، استفاده کرد. توانایی ذوب آهن باعث گذر عصر برنز به عصر آهن شد. 

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

اولین اشیا آهنی در دوره پیش از تاریخ از شهاب سنگ ها بدست آمده بودند.

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

چدن برای اولین بار 550 سال قبل 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 دوران 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 فلز آهن

ویژگی های شیمیایی آهن

میتوان گفت آهن واکنش پذیرترین عنصر در گروه خود است. 

آهن در مجاورت اسیدنیتریک غلیظ و سایر اسیدهای اکسید کننده ، لایه اکسید نفوذ ناپذیری تشکیل میدهد که مانع 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 بسیار بزرگ و تولید ترکیبات ارگانومتالیک را دارد و میتواند خصوصیات 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 تقلبی شناخته می شود. 

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

انواع آهن

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 است. 

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

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

آهن بتا : از تبدیل آهن آلفای فرو مغناطیس به آهن آلفای پارامغناطیس تولید می شود که نمیتوان گفت یک تحول آلوتروپیک است. ثابت شبکه آن 2.9 آنگستروم است. 

کاربردهای فلز آهن

کاربرد آهن

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

تولید آهن با وجود هزینه کم بسیار به صرفه است. 

استحکام بالای آهن باعث می شود که وسایل ساخته شده با آن مقاومت زیادی در برابر استرس و انتقال نیرو داشته باشند به همین دلیل بخش اصلی تولیدات ماشین ها ، ابزار آلات ، ریل ها ، اتومبیل ، قلاب های کشتی ، میله های تقویت بتن و چارچوب بارگیری ساختمان ها از آهن تشکیل شده است. 

آهن خالص کاملا نرم است و برای ایجاد استحکام 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 باعث افزایش قابل توجه سختی و مقاومت کششی آن می شود.

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

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

گردآوری : بخش علمی و آموزشی بیتوته