بررسی صفر تا صد ترکیبات شیمیایی و خواص آهن

همیشه در خصوص فلز آهن و قیمت آهن سوالاتی در ذهن تمامی افراد اعم از دانش آموزان تا کسانی که در محیط کار با این فلز اساسی سروکار دارند، شکل می‌گیرد اعم از اینکه تفاوت آهن با دیگر فلزات در چیست؟ ویژگی‌های مهم این فلز کدامند و چه کاربردهایی دارد؟ آهن زنگ نزن چیست؟ در این مقاله قصد داریم در خصوص این سوالات به شما عزیزان پاسخ دهیم؛ پس با ما همراه باشید.

10 ویژگی اساسی فلز آهن

فلز آهن یکی از کاربردی‌ترین محصولات برای ساخت مقاطع فولادی به حساب ‌می‌آید. این فلز ویژگی‌ها و کاربردهای متنوعی دارد که در ادامه با 10 مورد از مهم‌ترین ویژگی‌های این فلز آشنا خواهیم شد.

1 - به فراوانی یافت می شود

اعتقاد بر این است که آهن، دهمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است. یکی از ویژگی‌های آهن این است که فراوان‌ترین (از نظر جرمی، 34.6٪) عنصر تشکیل دهنده زمین محسوب می‌شود. غلظت آهن در لایه‌های مختلف زمین از مقدار زیاد در هسته داخلی تا حدود 5٪ در پوسته‌ خارجی است.

2 - هزینه استخراج کم نسبت به سایر فلزات

در زمان استخراج، بیشترین میزان آهنی که می‌توان دریافت کرد از اکسیدهای این ماده است. از جمله این اکسیدها می‌توان به هماتیت، مگنتیت و تاکونیت اشاره کرد. این آلیاژ (آهن) که به همراه نیکل یکی از مواد تشکیل دهنده زمین است برای تمام ارگانیک‌های زنده، ضروری است. میزان این محصول 500 میلیون تن در سال است. 300 میلیون تن نیز آهن بازایافت شده، سالانه تولید می‌شود.

3 - کاربرد وسیع در ساخت آلیاژها

استفاده از این فلز بسیار وسیع است به ‌طوری ‌که بیشتر از 95٪ کل تناوب فلزی تولید شده در سراسر جهان کاربرد دارد. به لطف هزینه کم و مقاومت بالایی که دارد کاربردهای آن از ظروف غذا گرفته تا اتومبیل‌‌ها، از خردکن‌‌ها گرفته تا ماشین‌ لباسشویی، از کشتی‌های باری گرفته تا منگنه‌های کاغذی است. شناخته شده‌ترین آلیاژ آهن، فولاد است که به صورت انواع چدن، فولاد کربن، آهن فرفورژه، فولادهای آلیاژی ( میلگرد vcn ، فولاد ck45، میلگرد آلیاژی st52 و ... ) و اکسیدهای آهن در صنعت موجود است.

4 - زنگ زدن سریع در حضور رطوبت

آهن فقط ویژگی‌های خوب ندارد! مثلا این عنصر در هوای مرطوب زنگ می‌زند! اما در هوای خشک اینگونه نیست و به راحتی در اسیدهای رقیق حل می‌‌شود. آهن از نظر شیمیایی فعال است و دو سری اصلی از ترکیبات شیمیایی، ترکیبات آهن دو ظرفیتی (II) یا آهنی و ترکیبات سه ظرفیتی آهن (III) را تشکیل می‌‌دهد.

5 - محکم، سخت، پردوام و مقاوم

ویژگی‌‌های آهن باعث شده که این فلز بیشتر به عنوان فلزی شناخته شود که به ما سلاح و ابزار می‌دهد و توانایی آن با استفاده از آلیاژها و عملیات حرارتی متناسب با هر کاربرد آن را به فلز اصلی در فناوری تبدیل می‌کند. آهن متداول‌ترین فلز در زندگی روزمره است که همیشه به شکل اشیای تولید شده آن را می‌بینیم.

سازه‌های بتنی حاوی آهن هستند و ماشین‌های الکتریکی از جمله ترانسفورماتور به آهن بستگی دارند. اتومبیل‌ها عمدتاً آهنی هستند و بسیاری از وسایل آهنی با لایه‌ محافظی از جنس قلع پوشیده شده‌اند. اتصال دهنده‌‌ها مانند میخ و پیچ‌هایی که استفاده می‌شوند، معمولاً از نوع آهنی هستند.

6 - قیمت مناسب نسبت به سایر فلزات

آهن یک ماده عالی و متنوع برای ساخت و ساز است که قوی و سخت بوده و در عین حال به راحتی شکل گرفته و کار می‌کند؛ از همه مهمتر قیمت ارزانی داشته و در مقایسه با گزینه‌های دیگر در اولویت قرار دارد. آلومینیوم یک رقیب قدرتمند برای آهن است با این حال، قابلیت انعطاف‌پذیری آلیاژهای آهن، میلگرد آلیاژی و کربن با هیچ ماده دیگری قابل تطبیق نیست.

7 – بر اثر حرارت شعله سریع زنگ می زند

سطح آهن معمولاً در اثر خوردگی تغییر رنگ پیدا می‌کند زیرا در حضور رطوبت به راحتی با اکسیژن هوا ترکیب می‌‌شود و از طرفی در هوای کاملاً خشک زنگ نمی‌زند. خوردگی آهن همواره یکی از مشکلات اساسی این صنعت است. اکسیدی که از آهن تولید می‌شود، شکننده و نرم است، از فلز پایه هیچ محافظتی نمی‌‌کند و نهایتا زنگ می‌زند.

آهن از سنگ معدن بدست می‌آید؛ همانطور که در قسمت قبل اشاره شد در حقیقت از انواع اکسیدها هستند. این اکسیدها در بعضی موارد کربنات، گوگرد یا فسفر را نیز شامل می‌شوند. نماد شیمیایی FeS2 نشان دهنده آهن به‌علاوه گوگرد است، این ماده یک ترکیب نامناسب از آهن حساب می‌شود چرا که استخراج گوگرد از داخل آهن هزینه‌های زیادی دربر خواهد داشت.

8 – بازیافت راحت و آسان فلز آهن

آهن در صنعت به راحتی بازیافت شده و یکی از دلایل پرطرفدار بودن این فلز بازیافت راحت آن است. البته روش‌های مختلفی برای بازیافت موجود است که به فراخور نوع آلیاژ از این روش‌ها استفاده می‌شود.

9 – قابلیت تبدیل شدن به آلیاژهای دیگر مانند فولاد و چدن

فولاد از ترکیب فلز آهن و دیگر فلزهای مختلف است که برای تقویت خواص آهن به تولید آن می‌پردازند. برای مثال در این دسته از فولادها، مقاومت در برابر خوردگی و تحمل گرما، افزایش پیدا خواهد کرد. با توجه به ترکیبی که برای ساخت فولاد آلیاژی استفاده می‌شود، انواع متنوعی از فولاد با خواص مختلف قابل تولید است.

10- رسانای الکتریسیته است

یکی از خصوصیات بارز فلز آهن این است که به ‌شدت میدان مغناطیسی دارد. هر قطعه‌ای از جنس آهن باشد، اگر در معرض میدان مغناطیسی قوی قرار بگیرد، خودش هم دارای میدان مغناطیسی می‌شود. دانشمندان بر این باورند که حدود 90٪ هسته زمین از فلز آهن تشکیل ‌شده است. نیروی مغناطیسی حاصل از این آهن همان چیزی است که قطب‌‌های مغناطیسی شمال و جنوب را ایجاد می‌کند.

آهن چگونه کشف شد؟

حال سوالی که ذهن را درگیر می‌کند نحوه کشف این فلز است!؟ همانطور که گفته شد فلز آهن در پوسته زمین به فراوانی یافت می‌شود. اطلاعات دقیق از اولین فردی که با فلز آهن دست به ساخت و ساز زد در دست نیست، هرچند با توجه به تحقیقات و احتمالاتی که در دست داریم، استفاده اولیه از این آلیاژ به دو هزار سال پیش از میلاد برمی‌گردد. البته در این میان باید توجه کنید که در گذشته، رشد تمدن‌ها با سرعت متفاوتی رخ می‌داد پس زمان کشف آهن می‌تواند برای هر تمدن متفاوت باشد.

به طور حدودی می‌توان گفت این فلز در مصر باستان، دو هزار سال قبل از میلاد کشف و استفاده شد. با توجه به بررسی‌هایی که انجام شده، چینی‌ها زودتر از مصریان به استفاده از آهن دست زدند. در کشور آمریکا که امروزه یکی از پیشرفته‌ترین تمدن‌ها را دارد، آهن تنها پس از ورود اروپاییان مورد استفاده قرار گرفت.

پس همین‌طور که مشاهده می‌کنید، زمان استخراج و استفاده از آهن در تمامی قاره‌ها یکسان نیست.حتما شما شنیده‌اید که در گذشته آهن از شهاب سنگ استخراج می‌شد. این موضوع تا حدی واقعیت دارد اما از آنجایی که هر روز شهاب سنگ در دست نیست و پروسه استخراج آهن از شهاب سنگ سخت است.

این روش در واقعیت قابل پیاده سازی نیست. کشف معادن آهن، مرحله‌ای کاربردی برای حذف این مشکل بود، استخراج آهن از معدن به مراتب ساده‌تر است. از طرف دیگر فلزی که به عنوان آهن از معدن استخراج می‌شود دارای درصد خلوص پایینی است به همین دلیل محققان رفته رفته کوره‌های مذاب را ساخته و از آن‌ها برای افزایش خلوص آهن استفاده کردند.

کاربردهای فلز آهن

آهن یکی از پرکاربردترین مواد اولیه برای ساخت وسایل خانگی، ظروف، ماشین و ... است. البته امروزه شما شاهد جایگزینی آهن و فولاد بوده‌اید. یکی دیگر از آلیاژهایی که برای ساخت استفاده می‌شود "چدن" است. چدن را می‌توان برای ساخت قطعات خودرو استفاده کرد. برای ساخت وسایل مربوط به دکوراسیون خانگی (نرده، پایه نگهدارنده شمع، میله پرده و ...) از آهن فرفوژه استفاده می‌شود.

مشخصات شیمیایی فلز آهن

مشخصات شیمیایی فلز آهن در جدول زیر به طور کامل برای شما ارائه شده است:

ترکیب شیمیایی سنگ آهن

آهن با درصد 1.6 به عنوان چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین شناخته می‌شود. این آلیاژ را به طور مستقیم از سنگ آهن استخراج می‌کنند. ترکیب‌های مختلفی برای تولید آلیاژهای مختلف آهن استفاده می‌کنند؛ کبالت و نیکل به ترتیب با سطوحی به رنگ صورتی و زرد شناخته می‌شوند؛ هیچ‌کدام از این آلیاژها باعث زنگ زدگی آهن نمی‌شوند چرا که لایه‌های اکسید، دارای محافظت و چسبندگی بالایی هستند.

نیکل یکی از آلیاژهایی است که به عنوان پوشش زیر آبکاری کروم استفاده می‌شود. دلیل این موضوع خاصیت خوردگی است که کروم روی آهن نشان می‌دهد. عدد اتمی آهن برابر با 26 است. وزن اتمی آهن نیز 55.58 تعریف می‌شود. ایزوتوپ‌های پایدار آهن برابر با 54 (5.9٪)، 56 (91.6٪)، 57 (2.2٪) و 58 (0.33٪) هستند. پیکربندی الکترون آن Ar3d64s2 است و پتانسیل‌های یونیزاسیون اول و دوم آن 7.87 ولت و 16.18 ولت است که در همسایگی عناصری چون کبالت (Z = 27) و نیکل (Z = 28) به سر می‌برد.

از دیگر ویژگی‌های آهن می‌‌توان به این مورد اشاره کرد که آهن در دمای اتاق، به صورت فریت یا α-آهن، یک ساختار مکعبی دارد. چگالی α- آهن 7.86 گرم در سی‌سی بوده و در دمای 910 درجه سانتیگراد به آهن γ تبدیل می‌شود و تا حدودی نرم‌‌تر است، در دمای 1535 درجه سانتی‌گراد آهن ذوب می شود و در دمای 3000 درجه سانتی‌گراد می‌جوشد.

کبالت نیز در دمای 1480 درجه سانتی‌گراد و نیکل در دمای 1455 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. گرمای ویژه هر یک از این سه فلز در حدود 107/0 کالری بوده و رسانایی گرمایی Fe ، Co و Ni 3.37 ، 3.81 و 4.19 کالری بر ثانیه سانتی‌متر -K است. همچنین مقاومت الکتریکی آنها 71/9 ، 24/6 و 84/6 میکرومتر سانتی‌‌متر است. مقایسه اعداد نشان می‌دهد که این فلزات از نظر خصوصیات فیزیکی چقدر به هم شبیه هستند.

آهن به صورت کاتیونه‌ای Fe ++ و Fe +++ وجود دارد و نیکل و کبالت عمدتاً به صورت یون‌ های ترکیبی در سایر حالت ‌های اکسیداسیون معمولاً در ترکیبات ناپایدار موجود است. تعداد زیادی نمک با آنیون ‌های مختلف تشکیل می ‌شود، بنابراین یک عامل احیا کننده بوده و خود را به Fe +++ اکسید می ‌کند.

در محلول قلیایی، این یون با خوشحالی الکترون را می ‌پذیرد، بنابراین یک ماده اکسید کننده است و خود را به حالت آهنی کاهش می ‌دهد. در محلول اسیدی،Fe H +  را به H2 کاهش داده زیرا پتانسیل الکترود آن 44/0-، یعنی بسیار بالاتر از هیدروژن است و در واقع آهن یک عنصر فعال به حساب می ‌آید.

یون آهنی در محلول به رنگ سبز بوده، در حالی که یون آهن بنفش روشن است. رنگ‌های متمایز ترکیبات آهن به دلیل الکترون‌های d است که می‌تواند از طریق بسیاری از روش‌های جالب با نور ارتباط برقرار کند. اکسید آهن به عنوان یک ماده معدنی، هماتیت نامیده می‌‌شود که تقریباً سیاه است و بر روی ظروف چینی بدون لعاب یک رگه‌ قرمز برجای می‌گذارد.

این ماده در حالت تقسیم شده کاملاً ریز، قرمز خاکی روشن است. سولفات آهن، FeSO4 هنگام تبخیر محلول، کریستال‌های سبز کم رنگ هپتاهیدرات را تشکیل می‌دهد؛ در حالی که این بلورها در هوا رطوبت و اکسیژن را جذب کرده و به آهستگی تبدیل به آهن می‌‌شوند. این نمک را کوپرا یا ویترایول سبز می‌نامند. در محلول قلیایی، Fe (OH) 2 ژلاتینی رسوب می‌کند.

تاثیرات آهن بر بدن انسان

راجع به ویژگی‌‌های آهن در صنعت و شیمی صحبت شد و حالا نوبت بحث راجع به ویژگی‌های آهن بر سلامتی انسان است. آهن را می‌توان در گوشت، محصولات کامل غذایی، سیب زمینی و سبزیجات یافت. بدن انسان سریع‌تر از آهن موجود در محصولات گیاهی، آهن موجود در فرآورده‌‌های دامی را جذب می‌کند. این ماده همچنین بخشی اساسی از هموگلوبین است.

عامل رنگ قرمز خون که اکسیژن بدن ما را منتقل می‌کند همین آهن است. اما از طرفی در صورت تماس و باقی ماندن آهن در بافت، ممکن است باعث التهاب، کوروئیدیت و رتینیت شود. از دیگر ویژگی‌های آهن بر بدن می‌توان به این مورد اشاره کرد که در صورت استنشاق مزمن، غلظت بیش از حد بخارات اکسید آهن یا گرد و غبار، ممکن است منجر به ایجاد پنوموکونیوز خوش خیم بنام سیدروز شود.

استنشاق غلظت بیش از حد اکسید آهن، ممکن است خطر ابتلا به سرطان ریه را برای کارگران در معرض سرطان ریه افزایش دهد. مشکل شایع‌تر برای افراد دچار کمبود آهن است که منجر به بیماری انمی Anemie خواهد شد. یک مرد به طور متوسط ​​روزانه 7 و یک زن به 11 میلی‌گرم آهن نیاز دارد. یک رژیم طبیعی معمولاً تمام موارد مورد نیاز را باید تأمین کند.

جمع بندی

با این همه توضیح راجع به ویژگی‌‌های آهن و اهمیت وجود آن در ساخت و ساز، نهایتا می‌توان گفت کم هزینه‌ترین فلز روی زمین "آهن" است. زیرا آهن، همانطور که در سنگ معدن یافت می‌شود، از نظر جرم، فراوان‌ترین عنصر محسوب می‌شود. آهن معمولا ارزان و فوق العاده مفید است؛ بنابراین از برخی جهات، ارزش آن بسیار بیشتر از طلا خواهد بود. در این مقاله سعی شده به تمام ویژگی‌های آهن و اهمیت حضور آن در برنامه غذایی و کل زندگی ما انسان‌ها پرداخته شود. امیدواریم مطالب فوق، ابهامات ذهنی شما را برطرف کرده باشد.