معرفی فلز آهن و ویژگی های کاربردی آن

آهن (Iron) یک عنصر شیمیایی با نماد Fe و عدد اتمی 26 است که در گروه 8 جدول تناوبی قرار دارد. آهن چهارمین عنصر رایج در کره زمین است و بخش عمده ای از هسته بیرونی و درونی زمین را تشکیل می دهد.

این فلز در حالت خالص سطحی خاکستری و درخشنده دارد ولی به آسانی با اکسیژن و آب واکنش نشان می دهد و به اکسیدهای آهن هیدراته سیاه تا قهوه ای که معمولاً به عنوان زنگ زدگی شناخته می شود تغییر رنگ می دهد.

برخلاف اکسیدهای برخی فلزات دیگر که لایه های منفعل تشکیل می دهند زنگ زدگی آن حجم بیشتری از فلز را اشغال می کند و بنابراین پوسته پوسته می شود و سطوح تازه را برای خوردگی در معرض آب و هوا قرار می دهد. 

حقایقی در رابطه با آهن:
از نظر شیمیایی، متداول ترین حالت اکسیداسیون این عنصر آهن (II) و (III) هستند. این فلز ویژگیهای مشترک بسیاری با سایر فلزات انتقالی از جمله سایر عناصر گروه 8، روتنیم و اسمیوم دارد.

Fe ترکیباتی را در طیف گسترده ای از حالت های اکسیداسیون از − 2 تا +7 تشکیل می دهد. این عنصر همچنین بسیاری از ترکیبات کئوردیناسیون را تشکیل می دهد که برخی از آنها، مانند فروسن، فریوکسالات و آبی پروس کاربردهای مهم صنعتی، پزشکی یا تحقیقاتی دارند.

بدن یک انسان بالغ حدود 4 گرم (0.005٪ وزن بدن) Fe دارد که بیشتر در هموگلوبین و میوگلوبین متمرکز است. این دو پروتئین نقش مهمی در متابولیسم مهره داران دارند و به ترتیب در انتقال اکسیژن توسط خون و ذخیره اکسیژن در ماهیچه ها نقش دارند. این فلز در محل فعال بسیاری از آنزیمهای مهم وجود دارد که با تنفس سلولی و اکسیداسیون و احیاء در گیاهان و حیوانات در ارتباط هستند.

در حالت فلزی وجود آهن در پوسته زمین نادر است و عمدتا به شهاب سنگ ها محدود می شود. در عوض، سنگ های آهن از جمله فراوان ترین سنگ های پوسته های زمین هستند اگرچه استخراج فلز از آنها نیاز به کوره یا کوره هایی دارد که بتوانند به دمای 1500 درجه سانتی گراد یا بالاتر برسند.

جالب است بدانید فقط حدود 2000 سال قبل از میلاد در اوراسیا انسانها شروع به ذوب سنگ آهن کردند و این عنصر را در ساخت ابزار و اسلحه ها به عنوان جایگزین آلیاژهای مس مورد استفاده قرار دادند. این واقعه گذار از عصر برنز به عصر آهن تلقی می شود. در دنیای مدرن، آلیاژهای آهن، از قبیل فولاد و چدن به دلیل خاصیت مکانیکی و هزینه ساخت پایین، متداول ترین فلزات صنعتی هستند.

تاریخچه کاربرد آهن:
Fe یکی از عناصری است که بدون شک در جهان باستان شناخته شده بوده اما اشیاء ساخته شده با این فلز بسیار نادرتر از اشیاء ساخته شده از طلا یا نقره هستند که احتمالا به دلیل زنگ زدگی این فلز می باشد. تکنیک استفاده از این فلز در طول تاریخ به تدریج توسعه یافت و حتی پس از کشف روش های ذوب قرن ها طول کشید تا Fe جایگزین برنز به عنوان فلز انتخابی در ابزار و سلاح ها شود.

جالب است بدانید اولین اشیاء آهنی در دورهٔ پیش از تاریخ از شهاب سنگ ها به دست آمده بودند. Fe موجود در شهاب سنگ ها نسبتاً نرم و چدنی است اما به دلیل محتوای نیکل ممکن است شکننده باشد.

ذوب آهن در کوره ها در هزاره دوم پیش از میلاد شروع شد و چدن برای اولین بار در حدود 550 سال پیش از میلاد در چین تولید شد. در طول دوران قرون وسطا در اروپا از چدن برای تولید زیور آلات استفاده می شد و فولاد اولین بار در دوران باستان تولید شد.

ویژگی های شیمیایی آهن:
Fe تقریباً واکنش پذیرترین عنصر در گروه خود است. این ترکیب وقتی کاملاً خرد شده و در اسیدهای رقیق حل شود پیروفوریک (Fe2 +) را تشکیل می دهد. با این حال، به دلیل این فلز به دلیل تشکیل لایه اکسید نفوذناپذیر با اسید نیتریک غلیظ و سایر اسیدهای اکسید کننده واکنش نمی دهد ولی با این وجود می تواند با اسید هیدروکلریک واکنش نشان دهد.

این عنصر خصوصیات شیمیایی فلزات انتقالی را نشان می دهد یعنی توانایی تشکیل حالت های اکسیداسیون متغیر و کئوردیناسیون بسیار بزرگ و تولید ترکیبات ارگانومتالیک را دارد.

این عنصر ترکیبات مختلف اکسید و هیدروکسید را تشکیل می دهد که در واقع همه این ترکیبات غیر استوکیومتری هستند و فرمول آنها ممکن است متفاوت باشد. این اکسیدها سنگ معدن اصلی برای تولید Fe هستند.

آنها همچنین برای تولید فریت ها، رساناهای مفید مغناطیسی در رایانه ها و تولید رنگدانه استفاده می شوند. به عنوان مثال سولفید آهن به دلیل درخشش طلایی به عنوان طلای تقلبی شناخته می شود. این فلز برخلاف بسیاری از فلزات دیگر با جیوه آمالگام تشکیل نمی دهد.

آهن گاما:
یکی از آلوتروپ های این عنصر با ساختار مکعبی مرکز پر است که در محدودهٔ دمایی 912 تا 1394 درجه سانتی گراد پایدار است.

آهن دلتا:
آلوتروپ دیگری است که در محدوده دمایی 1401 درجه سانتی گراد تا 1539 درجه سانتی گراد (نقطهٔ ذوب آهن) پایدار است. این ترکیب ساختاری بلوری به شکل مکعبی مرکز پر با خاصیت پارامغناطیس است که ثابت شبکه آن بزرگ تر از آهن آلفا و حدود 2/93 آنگستروم است.

آهن آلفا:
این آلوتروپ یک ساختار بلوری مکعبی مرکز پر است که در طیف دمایی 273- تا 910 درجه سانتی گراد پایدار است. این ترکیب خاصیت فرومغناطیس دارد و ثابت شبکه آن 2/86 آنگستروم است.

آهن بتا:
حاصل تبدیل آهن آلفای فرومغناطیس به آهن آلفای پارامغناطیس است که در واقع یک تحول آلوتروپیک نیست. ثابت شبکه این نوع آهن 2/9 آنگستروم است.

کاربردهای متنوع آهن:
Fe بیشترین استفاده را در بین فلزات به خود اختصاص داده است و بیش از 90٪ تولید فلز در سراسر جهان را شامل می شود. هزینه پایین و استحکام زیاد آن اغلب باعث می شود تا مواد مقاومت خوبی در برابر استرس و یا انتقال نیرو داشته باشد و به همین جهت در ساخت ماشین ها و ابزار آلات، ریل، اتومبیل، قلاب های کشتی، میله های تقویت کننده بتونی و چارچوب بارگیری ساختمانها مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجا که آهن خالص کاملاً نرم است، برای ساختن فولاد معمولاً با عناصر آلیاژی ترکیب می شود.

خصوصیات مکانیکی این عنصر و آلیاژهای آن با کاربردهای ساختاری آنها بسیار مرتبط است. این خصوصیات را می توان به روش های مختلفی از جمله آزمایش برینل، آزمایش راکول و تست سختی ویکرز ارزیابی کرد.

از خصوصیاتFe خالص اغلب برای اندازه گیری کالیبراسیون یا مقایسه تست ها استفاده می شود. با این حال، خواص مکانیکی آهن به طور قابل توجهی تحت تأثیر خلوص نمونه قرار دارد. کریستال های خالص و منفرد آهن در واقع نرمتر از آلومینیوم هستند و خالص ترین آهن تولید شده صنعتی (99.99٪) سختی 20 تا 30 برینل دارد.

افزایش مقدار کربن باعث افزایش قابل توجه سختی و مقاومت کششی این فلز می شود. حداکثر سختی 65 Rc با محتوای کربن 0.6٪ حاصل می شود اگرچه آلیاژ آن دارای مقاومت کششی کمی است. به دلیل نرمی آهن، کار با آن بسیار ساده تر از فلزات سنگین تر مانند روتنیم و اسمیوم است.

آهن برای حیات موجودات هم ضروری است و نمونه هایی از پروتئین های حاوی این فلز در موجودات شامل هموگلوبین، سیتوکروم و کاتالاز هستند که بدون وجود آنها ادامه زندگی امکان پذیر نیست.