آهن-Ferrum-آهن یک فلز است که در نخستین دورۀ فلزهای واسطه جای دارد.آلوتروپ های آهن

آهن با نماد شیمیایی Fe به لاتین (Ferrum)، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 26 و چگالی 7874 کلیوگرم بر مترمکعب است. آهن یک فلز است که در نخستین دورۀ فلزهای واسطه جای دارد.

آهن-Ferrum-آهن یک فلز است که در نخستین دورۀ فلزهای واسطه جای دارد.آلوتروپ های آهن

آهن از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازندۀ کرۀ زمین است. آهَن اصلی ترین عنصر سازندۀ بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر متداول در پوسته است. فراوانی آهَن در سیاره های زمین سان و دیگر کره های سنگی مانند ماه. به خاطر پدیدۀ همجوشی هسته ای در ستاره ها است. به این معنی که در پروسۀ همجوشی، آهَن آخرین عنصر است. که با آزادسازی انرژی، پیش از فروپاشی انفجاری آن ستاره به صورت یک نواختر یا ابر نواختر. و پراکنده آهَن در فضا، ایجاد می شود.

در حدود 1400 سال پیش از میلاد. از ساخته های آهنی در قلمرو هیتی ها در ارمنستان کنونی استفاده می شد. که این بعنوان نخستین شواهد مصرف این عنصر است.

مانند دیگر عناصر گروه 8: روتنیم و اوسمیوم. آهن نیز در طیف گسترده ای از حالت های اکسیداسیون یافت می شود. از 2- تا 6، هرچند که اکسایش 2 و 3 متداول ترین هستند. سرچشمۀعنصری آهن در شهاب سنگ ها و سایر محیط های کم اکسیژن است. اما نسبت به اکسیژن و آب دارای واکنش است. سطح آهن تازه سطحی نقره ای – خاکستری درخشان به نظر می رسد، اما در هوای عادی اکسیده می شود. تا به صورت اکسید آهن هیدرات شده درآید، که معمولاً بعنوان زنگ شناخته میشود. بر خلاف دیگر فلزات که لایه های اکسید سطح، درون قطعه فلز را (در برابر زنگ زدگی) رویینه می سازند. لایۀ اکسید آهن، با ادامۀ نفوذ و اشغال حجم بیشتری از فلز. و در نتیجه پوسته پوسته شدن و سوا شدن. سطح تازه ای را در معرض خوردگی قرار می دهد.

تاریخچه

نام آهن که در پهلوی آسن نیز آمده باید از سنگ گرفته شده باشد. ایرانیان در شاهنامه آهنگری را از دوره بسیار کهنی می دانستند. و کاوه آهنگر نماد پایداری و کارگری و جنبش است. واژه های ریم آهن نرماهن و روهینا و ده ها نام دیگر. برای نمونه های آهن نشان از کهنی این فلز نزد ایرانیان است. نخستین بار آهن شکل گرفته که توسط بشر در دورۀ پیش از تاریخ مصرف شد. از شهاب سنگ ها آمده بود. ذوب آهن در کوره ها در هزارۀ دوم پیش از میلاد شروع شد. آثار مکشوفه از آهن ذوب شده از 1200 – 1800 پیش از میلاد. در هند و در مشرق از حدود 1500 سال پیش از میلاد بدست آمد. (که گمان می رود ناشی از ذوب آهَن در آناتولی یا قفقاز بوده است).

چدن برای اولین بار در حدود 550 سال پیش از میلاد در چین تولید شد. اما در اروپا تا سال های قرون وسطی تولید نشد. در طول دوران قرن وسطی ابزاری در اروپا کشف شد. که از آهَن شکل یافته از چدن (Pig Iron) با استفاده از ریخته گری زیور آلات تولید شده بودند. برای تمام این فرآیند ها اززغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد. فولاد (که با کربن کمتر از pig iron است اما آهَن شکل یافته بیشتری دارد.) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش های تازۀ تولید آن به وسیلۀ میله های کربنیزه کردن آهن در فرآیند سیمانی کردن. در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد.

در انقلاب صنعتی روش های جدید تولید آهن بدون زغال چوب ابداع شد .و این روش ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند. در اواخر دهۀ 1850، هنری بسمر فرآیند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد. که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرآیند و دیگر فرآیندهای ابداع شده در قرن 19. و بعد از آن منجر به آن شد که دیگر آهَن شکل یافته تولید نشود.

ویژگی ها

آهَن دارای سطح صاف و نقره ای براق مایل به رنگ خاکستری است. اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می شود به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید. که به آنها اکسید دارای ترکیبات آهَن یا زنگ گفته می شود. کریستال های خالص آهن نرمه (نرم تر از آلومینیوم). و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن. تولید فولاد می کند که می تواند 1000 با سخت تر از آهَن خالص باشد.

Fe56 سنگین ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرایند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است. که با عناصر سنگین تر از آهَن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان ترین عنصر در غول های قرمز است. فراوان ترین فلز در شهاب سنگ ها و در هستۀ فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.

آهن خالص فلز است، ما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می شود. زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت به آسانی اکسیده می شود. به منظور به دست آوردن فلز آهَن. اکسید باید از سنگ معدن های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود. به طور عمده از سنگ آهَن از سنگ Fe2-O3 توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهَن را می توان 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. هستۀ اتم های آهَن از طریق همجوشی هسته ای در ستاره های شکل گرفته است. و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل 62 نیز استخراج می گردد.

شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرآیند مناسب نیست. توزیع عنصر آهَن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است. و احتمالاً در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همین طور است. آهَن (آهن fe+2، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی ست که تقریباً تمام موجودات زنده از آن استفاده می کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده ای هستند که در محیط های فقیر از نظر آهَن زندگی می کنند. و به گونه ای تکامل یافته اند که عناصر گوناگونی را در فرایندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند. مثل منگنز به جای آهَن برای تجزیه یا هموسیانین به جای هموگلوبین. آنزیم های حاوی آهَن معمولاً دارای گروه های هموپروستاتیک هستند. که در تجزیّ واکنش های اکسیداسیون در زیست شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می کنند.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون های گوناگون. مانند آزمون پرینل و راکول یا آزمایش های مقاومت کششی ارزیابی می شود. نتایج این قسمت ها به گونه ای با یکدیگر سازگارند. که قسمت های آهَن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می رود. اندازه گیری ها نشان می دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتاً بستگی به خلوص دارد. به گونه ای که خالص ترین کریستال های تک آهن که برای مقاصد تحقیقات تولید شده اند. از آلومینیوم نرم ترند، افزودن تنها 10 قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا 0.2% و اشباع شده. تقریباً در 0.6% به سرعت افزایش می یابد. خالص ترین آهن تولید شدۀ صنعتی (تقریباً 99.99% خلوص) دارای سختی 20-30 برینل 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 نام های α، ϒ و δ شناخته می شود.

همانطور که آهن ذوب شده سرد می شود. در دمای 1538 درجۀ سلسیوس به آلوتروپ δ کریستالیزه می شود. که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی ست. همانطور که بیشتر سرد می شود. ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای 1394 درجۀ سلسیوس به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می یابد. که به نام آهَن ϒ یا استنیت شناخته می شود. در دمای 912 درجۀ سلسیوس ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یل فریت می شود. و در 770 درجۀ سلسیوس (نقطۀ کوری، TC) آهَن مغناطیسی می شود. هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می کند. تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می دهد. (هر حوزه شامل اتم های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص است).

در آهَن غیر مغناطیسی شده همۀ اسپین های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند. هرچند در حوزۀ مجاور آنها جهات متفاوت هستند. و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می کنند. در آهَن مغناطیسی اسپین های الکترونیک همۀ حوزه ها هم جهت شده اند. لذا اثرات مغناطیسی حوزه های مجاور همدیگر را تقویت می کنند. اگرچه هر حوزه، شامل بیلیون ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود 10 میکرون هستند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط می شود. تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود. انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که دارای خواص متفاوت هستند. و درک خواص آلوتروپ های آهن کلید ساخت فولادهایی با کیفیت خوب است.

آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهَن فلز نسبتاً نرمی است که دارای مقدار کمی کربن. (به بیش از 0/021% از جرم در 910 درجۀ سلسیوس) است. در دماهای 912 درجۀ سلسیوس و تا 1400 درجۀ سلسیوس آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بودن مرکزی. به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهَن ϒ را که استانیت نیز نامیده می شود تجربه می کند. این آهَن نیز نرم است اما می تواند مقدار بسیار بیشتری کربن. (به میزان 2/4% جرمی در دمای 1146 درجۀ سلسیوس) داشته باشد. این شکل آهَن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال. تجهیزات بیمارستان ها و صنایع غذایی به کار می رود استفاده می شود.

پیدایش

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است. که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می شود. در حالی که آهَن حدود 5% از پوستۀ زمین را تشکیل می دهد، اعتقاد بر این است. که هستۀ زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن – نیکل تشکیل شده است. که 35% جرم کل زمین را تشکیل می دهد. بنابراین آهَن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوستۀ زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی است. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن. به صورت سنگ های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت میشود.

حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن – نیکل تائنیت (35 -85% آهن). و کاماسیت (90-95% آهَن) تشکیل شده اند. اگرچه تعداد اندکی از شهاب سنگ های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین هستند.

تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

ایزوتوپ ها

آهن به طور طبیعی متشکل از 4 ایزوتوپ: 5/848% رادیواکتیو Fe54 (نیمه عمر بزرگتر از 3/1× 1022 سال)، ۹۱/۷۵۴٪ Fe56 پایدار،  ۲/۱۱۹٪ از Fe57 پایدار و ۰/۲۸۲٪ از Fe58 پایدار است. Fe60 یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (1/5 میلیون) سال است.

بیشتر کارهای قبلی در اندازه گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe60 تولید شده. از فرآیندهای همراه با نکلئوسنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده است. هرچند در دهۀ اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف سنجی جرمی. اجازۀ تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت های ایزوتوپ های پایدار آهن را داده است. بیشتر این کار به وسیلۀ انجمن های علوم زمین و سیاره ای انجام شده است. هرچند کاربردهای آن در سیستم های بیولوژیک و صنعتی در حال آغاز شدن است.

فراوان ترین ایزوتوپ آهَن Fe56 مورد توجه ویژۀ دانشمندان هسته است. تصور غلط رایج این است که این ایزوتوپ پایدارترین هسته ممکن است. و لذا انجام شکافت یا همجوشی در Fe56 و آزاد سازی انرژی از آن غیر ممکن است. این مطلب درست نیست، چراکه هم Ni62 و هم Fe58 پایدار ترند و پایدارتین هسته هستند. هرچند چون نیکل Ni56 در واکنش های هسته ای سوپر نوا در فرآیند α از هسته های سبک تر. به گونه ای بسیار آسانتر تولید می شود. نیکل 56 (ذرات آلفای 14) آخرین نقطۀ زنجیرۀ همجوشی در ستاره های بسیار عظیم است.

و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی – 60 را تولید می کند. که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد. این نیکل 56، که دارای نیمه عمر حدود 6 سال است. به مقدار زیاد در این ستاره ها ساخته می شود. اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تأخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی مانده از سوپر نوا به اولین رادیواکتیو کبالت 56، و سپس آهن 56 پایدار متلاشی میشود. این هستۀ اخیر بنابراین در همه جای دنیا. در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریباً مشابه دارای فراوانی بیشتریست.

در فازهای شهاب سنگ های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na60. محصول Fe60، و فراوانی ایزوتوپ های آهن پایدار قابل مشاهده بود. که نشان از وجود Fe60 در زمان تشکیل منظومۀ شمسی دارد.

احتمالاً انرژی رها شده از فروپاشی آهَن 60 همراه با انرژی رها شده از فروپاشی رادیونیکلاید Al26. در ذوب دوباره و افتراق سیارات بعد از تشکیل آنها در 4/6 بیلیون سال پیش مشارکت داشته است. فراوانی Na60 موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است. اطلاعات بیشتری به منشأ منظومۀ شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ های پایدار، تنها Fe57 یک اسپین هسته ای (-1/2) دارد.

ترکیبات معدنی

آهن ترکیباتی را ایجام می کند. که عمدتاً در حالت های اکسیداسیون +2 و +3 هستند به طور سنتی، ترکیبات آهن II فروس نامیده می شوند. و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده می شود. ترکیبات زیادی در هر یک از حالات اکسیداسیون وجود دارد. که مثال هایی از آن شامل سولفات آهن (II) (FeSo4) و کلرید آهن (III) (FeCl3) است. همچنین مثال های بیشماری از ترکیباتی که شامل اتم های آهن در هر دوی این حالات اکسیداسیون وجود دارد. مانند مگنتیت و آبی پروسی. آنیون منفی فریت (Fe24) شامل یک مرکز آهن، (Vi) بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شدۀ آن است. و مثلاً در فریت پتاسیم (کا دو اف ای اُ 4) وجود دارد. ترکیبات آلی بی شماری (مثل پنتا کربنیل آهن) وجود دارند که دارای آهن زیرو ولنت (یا کمتر) هستند.

روش های آزمایشگاهی

در برخی کاربردهای خاص که به آهَن خالص نیاز است. می توان آن را در آزمایشگاه در مقادیر کم. از طریق کاهش اکسید خالص یا هیدروکسید آن با هیدروژن تولید کرد. یا می توان پنتاکربونیل آهن را تا 250 درجه سلسیوس گرم کرد. تا تجزیه شده و آهن خالص پودری ایجاد گردد. روش دیگر الکترولیز کلرید آهن بر روی کاتد آهنی است.

روش های صنعتی اصلی

امروزه، تولید صنعتی آهن یا فولاد از دو مرحله اصلی تشکیل شده است. در مرحله اول، سنگ آهن یا کُک در کوره بلند کاهش یافته. و فلز مذاب از ناخالصی هایی مانند کانی های سیلیکات جدا می شود. در این مرحله آلیاژی تولید می شود – آهن خام، که حاوی مقادیر نسبتاً زیادی کربن است. در مرحله دوم، توسط فرآیند اکسایش مقدار کربن موجود در آهن خام کاهش می یابد. تا آهَن فرفورژه، فولاد یا چدن تولید شود. در این مرحله می توان سایر فلزات را برای ساخت آلیاژهای فولادی به آن اضافه کرد.

کانی ها

آهن در اغلب رس ها، ماسه سنگ ها و گرانیت ها وجود دارد. در میان کانی های مهم آن می توان از هماتیت، مگنتیت، لیمونیت و گوتیت نام برد.

آهن در بدن انسان

آهَن یکی از عناصر ضروری مورد نیاز بدن است. و وظایف مهمی را بر عهده دارد که عبارتند از:

  1. انتقال اکسیژن در گلبول های قرمز
  2. تولید هموگلوبین خون
  3. مقاومت در برابر استرس و ناخوشی
  4. عملکرد صحیح آنزیمها
  5. تقویت سیستم ایمنی

جذب آهن

گوشت مرغ و ماهی و گوشت قرمز خصوصاً ویتامین ث، به جذب آهن کمک فوق العاده ای می کنند. همچنین چای و قهوه نیز مانع از جذب آهن می شوند.

بر خلاف تصور عامه مردم که اسفناج را یک گیاه با میزان آهَن زیاد می دانند. این سبزی فقط دارای 2/71 میلی گرم آهن در 100 گرم اسفناج خام است. به رغم باور همگان، اسفناج منبع فوق العاده خوب آهن نیست. زیرا میزان اسید اکسالات آن، بدن را از جذب مواد معدنی باز می دارد.

آهن در گیاهان

عنصر آهَن یکی از ریز مغذی های ضروری برای ادامه حیات گیاهان است. به طوری که اگر آهَن به مقدار کافی در اختیار گیاه قرار نگیرد. گیاه دچار بیماری فقر آهن یا همان زردبرگی می شود که در این حالت چرخه فتوسنتز دچار اختلال شده. و با کاهش جدی رشد و باردهی محصول مواجه خواهد شد. ماده غذایی آهَن، یکی از عناصر غذایی کم مصرف است. که وجود آن به اندازه کافی برای رشد گیاهان زراعی و باغی لازم است. و در تشکیل سبزینه گیاهان نقش ارزنده ای دارد. آهن گرچه در ساختار کلروفیل وجود ندارد ولی در سنتز آن نقش مهمی دارد. این عنصر به شکل مختلف کانی در خاک وجود دارد.

علائم ظاهری کبود آهن در گیاهان

اگر گیاهی نسبت به جذب آهَن به مقدار کافی قادر نباشد ساخت سبزینه (کلروفیل) در برگ کاهش می یابد. و برگ ها زنگ پریده خواهند شد. به این نحو که ابتدا پدیده در فاصله بین رگبرگ ها رخ داده، سپس با شدت یافتن کمبود. به جز رگبرگ ها، تمام سطح برگ زرد می شود. چون آهن در گیاه پویا نیست این علائم ابتدا در برگ های جوان و در قسمت بالای ساقه مشاهده. و با شدت یافتن کمبود تمامی گیاه را در بر می گیرد. باید توجه داشت که تنها کمبود آهن منجر به زردی برگ نمی شود. کمبود ازت، گوگرد، منیزیم و برخی عناصر دیگر می توانند این مشکل را ایجاد کنند.

کمبود آهَن همراه با عوامل زیر تشدید می گردد

  • خاک های با PH بالا (قلیایی)
  • خاک های آهکی
  • مقدار زیاد مس
  • خاک هایی با زهکشی ضعیف

آلوتروپ های آهَن

  • آهَن آلفا
  • آهَن گاما
  • آهَن دلتا
  • آهَن اپسیلون

فولاد رسول دلاکان

با سالها تجربۀ ارزشمند و گرانبها در عرصه تأمین و توزیع انواع ورق آلیاژی و انواع فولاد آلیاژی. با گواهینامه ها و آنالیزهای معتبری که ضمیمه محصولاتش به مشتریان خویش ارائه داده است. توانسته رضایتمندی مشتریان خویش را همواره فراهم آورد.

صنعتگر شریف و گرامی از اینکه ما را جهت خرید کالا (فولاد آلیاژی) مورد نیاز خویش. انتخاب می نمایید از شما سپاسگزاریم.

ارتباط با ما
09122136675 – 02128423820-09922704358
واتس آپ: 09122136675
اینستاگرام: fooladdalakan
ایمیل : [email protected]