Садржај
- Кратка историја гвожђа
- Чињенице хемије о гвожђу
- Употребе гвожђа
- Како се прави гвожђе?
- Одакле је жељезо?
- Како се елементи формирају у природи?
- Гвожђе у људском телу
Када размишљате о пореклу гвожђа, ваш ум вероватно лута у визијама челичана, ковачница средњег века или неким другим производним процесом који карактерише напоран рад и веома високе температуре. Али осим што је врста метала који се користи на различите начине у људској индустрији, гвожђе такође као елемент, а не једињење или легура, што значи да је могуће изоловати и један атом гвожђа. То се не односи на већину познатих материјала; на пример, најмања количина воде коју још увек можемо назвати водом укључује три атома, од којих један има кисеоник, а друга два водоник.
Интересантно је да, иако људи повезују гвожђе са необично високим температурама у производним окружењима овде на Земљи, гвожђе као елемент дугује своје постојање догађајима тако врућим и тако далеким да бројка једва има смисла.Стога, предузимање студије о томе како се производи гвожђе захтева два паралелна процеса: истраживање како је жељезо настало и како је стигло до Земље и како људи на Земљи производе и користе гвожђе за свакодневне и специјализоване активности. Ове теме заузврат позивају на дискусију о употреби гвожђа у живим системима и општи поглед на то како различити елементи потичу и шире се у космосу.
Кратка историја гвожђа
Гвожђе је познато човечанству од пре око 3500 год. Или пре више од 5500 година. Име је изведено по англосаксонској верзији, која је била „ирен“. Симбол жељеза за периодичну табелу Фе долази од латинске речи за гвожђе, а то је феррум. Ако прегледавате апотеку и видите да је додатак гвожђа, приметићете да је већина њихових имена „феро“ нешто-друго (попут сулфата или глуконата). Кад год видите реч "обојени" или "жељезо" у хемијској спреми, требало би одмах да препознате да се о гвожђу расправља; "иронично", иако сјајна и корисна реч, нема улогу у свету физичке науке.
Чињенице хемије о гвожђу
Гвожђе (скраћено Фе) класификовано је као метал не само за свакодневне сврхе, већ и на периодној табели елемената (види Ресурси за интерактивни пример). Ово вероватно долази као мало изненађење, али у ствари метали надмашују неметале у природи са великом маржом; од 113 елемената које су људи открили или створили у лабораторијским окружењима, 88 је класификовано као метали.
Атоми се, као што већ можда знате, састоје од језгра које садржи мешавину протона и неутрона отприлике једнаке масе окружене "облаком" готово безмасних електрона. Протони и електрони носе набој једнаке величине, али набој протона је позитиван док је електрон негативан. Атомски број пегле је 26, што значи да гвожђе има 26 протона и 26 електрона у свом електрично неутралном стању. Његова атомска маса, која када је заокружена је једноставно сума или протони и неутрони, само је срамежљива од 56 грама по молу, што значи да њен хемијски најстабилнији облик садржи (56 - 26) = 30 неутрона.
Гвожђе поседује одређена физичка својства. Има густину од 7,87 г / цм3, чинећи га готово осам пута густим од воде. (Густина је маса по јединици запремине; вода је дефинисана као 1,0 г / цм3 жељезо је чврста супстанца на 20 степени Целзијуса (68 Ф), која се у хемијске сврхе обично сматра "собном температуром". Тачка топљења му је изузетно висока 1538 Ц (2800 Ф), док је тачка кључања - то је температура при којој течно гвожђе почиње да испарава и постаје гас - горућих 2861 Ц (5182 Ф). Стога није ни чудо што у обради метала врста пећи заиста мора бити изузетно моћна.
Гвожђе је по маси четврти најзаступљенији елемент у земљиној кори. Међутим, укупни удео Земље у пеглу може бити знатно већи, с обзиром на то да се верује да се језгро растаљеног планета састоји углавном од укапљеног гвожђа, никла и сумпора. Када се гвожђе извлачи из земље приликом рударских радова, оно је у облику руде, која је елементарно гвожђе помешано са једном или више врста стена. Најчешћа врста гвожђе руде је хематит, али магнетит и таконит су такође значајни извори овог метала.
Гвожђа рђа или корозија, врло лако у поређењу са другим металима. Ово ствара проблеме инжењерима, јер тренутно девет десетина метала који је рафиниран укључује гвожђе.
Употребе гвожђа
Већина гвожђа минираног за људску употребу завршава се у облику челика. "Челик" је легура, што значи мешавина метала. Данас популарни облик овог производа назива се угљенични челик, што је помало заблуда јер угљен доприноси само малом делу масе овог челика у свим облицима. У облику челика са највише угљеника, угљеник чини око 2 процента масе метала; та се бројка може кретати до 1/10 од 1 посто, а да метал не изгуби наслов "челичног челика".
Угљен челик може заузврат бити стратешки прељубљен са другим металима да би се добиле легуре са одређеним пожељним својствима. Нерђајући челик је, на пример, облик угљеничног челика који садржи значајну количину хрома - преко 10 процената масе. Овај материјал је познат по својој издржљивости и тенденцији да дуго година одржава сјајан, сјајан изглед захваљујући високој отпорности на корозију. Нерђајући челик је истакнут у архитектури, кугличним лежајевима, хируршким инструментима и прибором за јело. Велике су шансе да ако свој одраз јасно видите на чисто металној површини, гледате у неку врсту нехрђајућег челика.
Када се разумне количине метала, као што су никл, ванадијум, волфрам и манган, интегришу у челик, то и тако тврду супстанцу чини још тежим; Ови легирани челици су стога добро прилагођени за укључивање у мостове, инструменте за резање и компоненте електричне мреже.
Гвожђе од нехрђајућег челика које се зове ливено гвожђе укључује велику количину угљеника (најмање стандардима обраде метала, најмање 3): 5 до 5 процената. Ливно гвожђе није тако тешко као челик, али је знатно јефтиније, тако да преласком са челика на ливено гвожђе направите исти општи корак када прелазите из почетног ребра у 70% мршав хамбургер.
Како се прави гвожђе?
Гвожђе на Земљи се прави или правилније вади из гвожђе руде. Количина гвоздене руде садржи кисеоник, песак и глину у различитим количинама у зависности од врсте руде. Посао гвожђара, како су назване најраније такве фабрике, јесте да уклони што већи део стене и других ситних мрља док оставља гвожђе за собом - мало другачије у принципу од гранатирања кикирикија или љуштења наранџе да би се дошло до добра део, осим што у случају гвожђе руде, гвожђе није само окружено материјалом за једнократну употребу; то је помијешано с њим.
Упркос застрашујућим температурама и свеукупним физичким изазовима гвожђа, људи су их већ користили у преткршћанско време. Обрада гвожђа прво је стигла до британских острва путем копна Европе и западне Азије у 5. веку пне. Тада се гвожђе физички одвојило од нежељеног материјала у највећој могућој мери користећи само угаљ, глину и саму руду, загрејано на температуре које су биле скромне у поређењу с оним што би уследило. У сваком случају, таљење је било у току од 1500. године пре Криста, али готово 30 векова касније, 1400-их, изумљена је висока пећ, која је радикално и заувек променила „индустрију“ (какву је била).
Данас се гвожђе производи загревањем хематита или магнетита у високој пећи, заједно са обликом угљеника званим "кокс", као и калцијум карбонатом (ЦаЦО3), познатији као кречњак. Ово даје једињење које садржи око 3 процента угљеника и друге прељубе - које нису идеалне у квалитету, али су довољно добре за прављење челика. Сваке године се широм света произведе око 1,3 милијарде метричких тона (отприлике 1,43 милијарде тона САД-а, или готово три билиона фунти) сировог челика.
Одакле је жељезо?
Одакле гвожђе у вашој машини за прање посуђа од нехрђајућег челика или вашој пећи на дрва можда је далеко мање занимљиво питање од начина на који је прво жељезо постојало било где у универзуму. Гвожђе се сматра тешким елементом, а елементи ове врсте могу се створити само у катастрофалним догађајима "звездине смрти" који се називају супернове. Док се већина звезда некако распрсне док сагоревају својим доводом водоника, неке звезде буквално излазе напоље.
Ово су статистички ретки догађаји, који се дешавају само неколико пута сваких стотину година током читаве галаксије Млечног пута, масивне гомиле ротирајуће звезде и друге материје коју људи називају домом. Али они су такође од виталног значаја. Без њих не би постојале силе неопходне за наношење знатних мањих елемената који се спајају приликом удара и стварања још већих елемената попут гвожђа, бакра, живе, злата, јода и олова. И све време, одређени део ових елемената путује великим раздаљинама кроз свемир и насељава се на Земљи, понекад у облику удара метеорита.
Како се елементи формирају у природи?
Сматра се да гвожђе представља приближну тачку пресека у смислу елемената који могу настати обичним процесима сагоревања звезда (као да су ти процеси на било који начин заиста „обични“) и онима које могу створити само супернове.
Већина елемената - кисеоник, атомски број 8, кроз, али вероватно не укључује гвожђе, атомски број 26 - направљени су једном када звезда почне да троши водоник. Разлог због којег звијезда "гори" је тај што непрестано пролази безбројне реакције фузије, при чему се водоник, најлакши елемент (атомски број 1) судара са другим атомима водоника, стварајући хелијум (атомски број 2). На крају се у унутрашњости звезде атоми хелија сударају у групама да би формирали угљеник (атомски број 6).
Гвожђе у људском телу
Вероватно сматрате да је гвожђе кључно у људској исхрани засновано искључиво на тврдњама произвођача хране („Ова житарица садржи 100 одсто америчке препоручене дневне количине гвожђа!“). Међутим, можда не знате зашто је то тако.
Како се испоставило, типично људско тело садржи око 4 грама елементарног гвожђа. То можда не звучи много, али зашто би вашем телу уопште био потребан метал у њему? У ствари, гвожђе је суштински део хемоглобина, протеина који веже кисеоник, а који се налази у црвеним крвним ћелијама (РБЦ). РБЦ преносе кисеоник из плућа до ткива, где смо га користили у ћелијском дисању.
Када људи постану дефицитирани гвожђем захваљујући недовољном уносу хране (гвожђе се налази у месу, посебно у органима, као и одређеним житарицама) или системским болестима, њихови РБЦ не могу правилно радити свој посао. У овом стању, које се назива анемија, људи постају кратки дах након скромне количине напора и често пате од умора, главобоље и опште слабости. У тежим случајевима, за уклањање анемије може бити потребна трансфузија крви, мада се обично корекција врши додавањем таблетама и течностима који садрже гвожђе.