ترکیبات شیمیایی و خواص آهن
ترکیبات شیمیایی و خواص آهن
آهن فلزی براق، منعطف، خاکستری و نقره ای و در گروه VIII جدول تناوبی است. این فلز بسیار شناخته شده است که در چهار شکل متبلور مشخص وجود دارد. ویژگی های آهن بسیار بوده و یکی از آن ها این است که آهن در هوای مرطوب زنگ می زند اما در هوای خشک اینگونه نیست و به راحتی در اسیدهای رقیق حل می شود. 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 می دهد.
استفاده از این فلز معروف و ویژگی های آهن وسیع است، به طوری که بیشتر از 95٪ کل تناوب فلزی تولید شده در سراسر جهان کاربرد دارد. به لطف ترکیب کم هزینه و مقاومت بالایی که دارد کاربردهای آن از ظروف غذا گرفته تا اتومبیل های خانوادگی، از خردکن ها گرفته تا ماشین های لباسشویی، از کشتی های باری گرفته تا منگنه های کاغذی است. فولاد شناخته شده ترین آلیاژ آهن می باشد که به صورت انواع چدن، فولاد کربن، آهن فرفورژه، فولادهای آلیاژی، اکسیدهای آهن در صنعت موجود است.
ویژگی های فلز آهن چیست و چه کاربردی دارد؟
اعتقاد بر این است که آهن دهمین عنصر فراوان جهان است. یکی از ویژگی های آن آهن این است که فراوان ترین (از نظر جرمی، 34.6٪) عنصر تشکیل دهنده زمین محسوب می شود. غلظت آهن در لایه های مختلف زمین از مقدار زیاد در هسته داخلی تا حدود 5٪ در پوسته ی خارجی می باشد. بیشترین مقدار آهن در اکسیدهای مختلف آن مانند مواد معدنی هماتیت، مگنتیت و تاکونیت یافت می شود. دانشمندان بر این باورند که هسته زمین تا حد زیادی از یک آلیاژ فلز آهن و نیکل تشکیل شده است و از طرفی آهن تقریباً برای موجودات زنده از ارگانیسم های کوچک گرفته تا انسان ضروری است.
تولید آهن جدید در جهان به مقدار بیش از 500 میلیون تن در سال بوده و آهن بازیافت شده 300 میلیون تن دیگر به آن اضافه می کند. ذخایر سنگ معدن آهن که از نظر اقتصادی عمل می کند، از 100 میلیارد تن فراتر رفته است. مناطق اصلی استخراج آن در معادن چین، برزیل، استرالیا، روسیه و اوکراین می باشد که مقدار قابل توجهی در ایالات متحده آمریکا، کانادا، ونزوئلا و هند استخراج شده است.
ویژگی های آهن باعث شده که این فلز بیشتر به عنوان فلزی شناخته می شود که به ما سلاح و ابزار می دهد و توانایی آن با استفاده از آلیاژها و عملیات حرارتی متناسب با هر کاربرد، آن را به فلز اصلی در فناوری تبدیل می کند. آهن متداول ترین فلز در زندگی روزمره است که همیشه به شکل اشیای تولید شده رواج دارد و معمولاً با روکش محافظ پوشانده می شود. سازه های بتنی حاوی آهن است و ماشین های الکتریکی از جمله ترانسفورماتور به آهن بستگی دارند. اتومبیل ها عمدتاً آهنی هستند و بسیاری از وسایل آهنی با لایه ی محافظی از جنس قلع پوشیده شده اند. اتصال دهنده ها مانند میخ و پیچ هایی که استفاده می شوند، معمولاً از نوع آهنی هستند.
آهن یک ماده عالی و متنوع برای ساخت و ساز است که قوی و سخت بوده و به راحتی شکل گرفته و کار می کند و از همه مهم تر ارزان است و در مقایسه با گزینه های دیگر در اولویت قرار دارد. آلومینیوم یک رقیب قدرتمند برای آهن است با این حال، قابلیت انعطاف پذیری آلیاژهای آهن و کربن با هیچ ماده ی دیگری قابل تطبیق نیست. آلیاژها با فلزات دیگر، مانند نیکل، کروم و منگنز مزایای بیشتری پیدا می کنند و این فولادها می توانند تقریباً مطابق با هر تقاضائی در بازار باشند و به عنوان مصالح ساختمانی استفاده شوند.
سه فلز آهن، کبالت و نیکل “خانواده ی آهن” نامیده می شوند و بسیار شبیه به هم هستند. ویژگی های آهن و خاصیت آلیاژهای مشابه به آن که هیچ جایگزینی با هزینه معادل آن وجود ندارد، این است که می توان آن ها را وادار به تولید یک میدان مغناطیسی قوی تنها با تحریک کوچک توسط جریان الکتریکی کرد.
سطح آهن معمولاً در اثر خوردگی تغییر رنگ می یابد، زیرا در حضور رطوبت به راحتی با اکسیژن هوا ترکیب می شود و از طرفی در هوای کاملاً خشک زنگ نمی زند. اکسیدی که از آهن تولید می شود، شکننده و نرم است و از فلز پایه هیچ محافظتی نمی کند و در نهایت زنگ می زند. این ماده همیشه از سنگ معدن حاصل می شود که معمولاً همان اکسیدها هستند و بعضاً کربناته و تا حد ممکن گوگرد و فسفر کمی نیز دارند. FeS2 ماده معدنی قابل قبولی نیست زیرا گوگرد یک ناخالصی مضر در آهن است و استخراج آن از درون آهن هزینه بردار است.
ترکیب شیمیایی سنگ آهن
آهن چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است (4.6٪)، اما آنقدر گسترده پخش می شود که می توان آن را فقط از سنگ معادنی که آهن به طور خاص در آن تولید شده اند، به دست آورد و اتفاقاً بیشتر این مقدار خالص آهن در اوایل تاریخ زمین اتفاق افتاد.
سطح تمیز کبالت با رنگ صورتی، نیکل با رنگ زرد است و هیچ یک از آن ها به مانند آهن زنگ نمی زند زیرا لایه های اکسید محافظت و چسبندگی بیشتری دارند. نیکل یک سطح روشن و مقاوم را نشان می دهد که از پرداخت زیادی برخوردار است و به طور کلی به عنوان زیر پوش برای آبکاری کروم استفاده می شود؛ زیرا وجود کروم به خودی خود روی آهن مناسب نیست. آهن دارای عدد اتمی 26، وزن اتمی 55.85 و ایزوتوپ های پایدار 54 (5.9٪)، 56 (91.6٪)، 57 (2.2٪) و 58 (0.33٪) است. پیکربندی الکترون آن Ar3d64s2 می باشد و پتانسیل های 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 ویژگی های آهن می توان 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 سی سی بوده و در دمای 910 درجه سانتیگراد به آهن γ تبدیل می‌شود و تا حدودی نرم تر است، در دمای 1535 درجه سانتی گراد آهن ذوب می شود و در دمای 3000 درجه سانتی گراد می جوشد. کبالت نیز در دمای 1480 درجه سانتیگراد و نیکل در دمای 1455 درجه سانتیگراد ذوب می شود. 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 سانتی متر -K است. همچنین مقاومت الکتریکی آن ها 71/9 ، 24/6 و 84/6 میکرومتر سانتی متر می باشد. مقایسه اعداد نشان می دهد که این فلزات از نظر خصوصیات فیزیکی چقدر به هم شبیه هستند.
آهن به صورت کاتیونه ای 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. رنگ های متمایز ترکیبات آهن به دلیل الکترون های d است که می تواند از طریق بسیاری از روش های جالب با نور ارتباط برقرار کند. اکسید آهن به عنوان یک ماده معدنی، هماتیت نامیده می شود و معمولاً تقریباً سیاه می باشد و بر روی ظروف چینی بدون لعاب یک رگه ی قرمز برجای می گذارد و در حالت تقسیم شده کاملاً ریز، یک قرمز خاکی روشن مشخص است. سولفات آهن، FeSO4 هنگام تبخیر محلول، کریستال های سبز کم رنگ هپتاهیدرات را تشکیل می دهد، در حالی که این بلورها در هوا رطوبت و اکسیژن را جذب می کنند و به آهستگی تبدیل به آهن می شوند. این نمک را کوپرا یا ویترایول سبز می نامند. در محلول قلیایی، Fe (OH) 2 ژلاتینی رسوب می کند.
تاثیرات آهن بر بدن انسان
راجع به ویژگی های آهن در صنعت و شیمی صحبت شد و حالا نوبت بحث راجع به ویژگی های آهن بر سلامتی انسان است. آهن را می توان در گوشت، محصولات کامل غذایی، سیب زمینی و سبزیجات یافت. بدن انسان سریع تر از آهن موجود در محصولات گیاهی، آهن موجود در فرآورده های دامی را جذب می‌کند. این ماده همچنین بخشی اساسی از هموگلوبین بوده و عامل رنگ قرمز خون که اکسیژن را از طریق بدن ما منتقل می کند اما از طرفی در صورت تماس و باقی ماندن آهن در بافت ممکن است باعث التهاب، کوروئیدیت و رتینیت شود.
از دیگر ویژگی های آهن بر بدن می توان 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 در کارگران در معرض سرطان ریه افزایش دهد. یک مشکل شایع تر برای انسان کمبود آهن می باشد که منجر به کم خونی خواهد شد. یک مرد به طور متوسط روزانه 7 و یک زن 11 میلی گرم آهن نیاز دارد. یک رژیم طبیعی معمولاً تمام موارد مورد نیاز را باید تأمین کند.
با این همه توضیح راجع به ویژگی های آهن و اهمیت وجود آن در ساخت و ساز، در نهایت کم هزینه ترین فلز روی زمین است. این بدان دلیل است که آهن، همانطور که در سنگ معدن یافت می شود، از نظر جرم فراوان ترین عنصر ما محسوب می شود. آهن معمول، ارزان و فوق العاده مفید بوده، بنابراین از برخی جهات ارزش آن بسیار بیشتر از طلا خواهد شد. در این مقاله سعی شده به تمام ویژگی های آهن و اهمیت حضور آن پرداخته شود،
