آهن چیست

آهن چهارمین عنصر مهم در پوسته زمین شناخته شده و یکی از عوامل و عناصر سازنده هسته بیرونی و درونی زمین می باشد. آسمونی در این بخش به معرفی عنصر آهن و کاربردهای مختلفی که دارد می پردازد. دعوت می کنیم تا پایان همراهمان باشید.

آهن چیست؟

آهن با نماد شیمیایی Fe (به لاتین: Ferrum)، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 26 و چگالی 7874kg/m3 است. آهن یک فلز است که در نخستین دورهٔ فلزهای واسطه جای دارد. آهن از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازندهٔ کرهٔ زمین است. آهن اصلی‌ترین عنصر سازندهٔ هستهٔ بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر متداول در پوسته‌است. فراوانی آهن در سیاره‌های زمین‌سان و دیگر کره‌های سنگی مانند ماه، به خاطر پدیدهٔ همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های بزرگ است، که در پروسهٔ همجوشی آهن آخرین عنصری‌است که با آزادسازی انرژی؛ پیش از فروپاشی خشونت‌آمیز آن ستاره به صورت یک ابرنواختر، و پراکندن آهن در فضا، ایجاد می‌شود.

در حدود 1٬400 پیش از میلاد، از ساخته‌های آهنی در قلمرو هیتی‌ها در ارمنستان کنونی استفاده می‌شد که این به عنوان نخستین شواهد مصرف این عنصر است.

مانند دیگر عناصر گروه 8؛ روتنیم و اوسمیوم، آهن نیز در طیف گسترده‌ای از حالت‌های اکسیداسیون یافت می‌شود؛ از 2- تا 6، هرچند که اکسایش 2 و 3 متداول‌ترین هستند. سرچشمهٔ عنصری آهن در شهاب‌سنگ‌ها و سایر محیط‌های کم اکسیژن است، اما نسبت به اکسیژن و آب دارای واکنش‌است. سطح آهن تازه سطحی نقره‌ای-خاکستری درخشان به نظر می‌رسد، اما در هوای عادی اکسیده می‌شود تا به صورت اکسید آهن هیدرات شده درآید، که معمولاً به عنوان زنگ شناخته می‌شود. بر خلاف دیگر فلزات که لایه‌های اکسید سطح، درون قطعه‌فلز را (در برابر زنگ‌زدگی) رویینه می‌سازند، لایهٔ اکسید آهن، با ادامهٔ نفوذ و اشغال حجم بیشتری از فلز، و در نتیجه پوسته پوسته شدن و سوا شدن، سطح تازه‌ای را در معرض خوردگی قرار می‌دهد.

ویژگی‌های آهن

آهن دارای سطوح صاف و نقره‌ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه‌ای در می‌آید که به آنها اکسید دارای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می‌شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم‌تر از آلومینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می‌شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می‌تواند 1000 بار سخت‌تر از آهن خالص باشد.

Fe56 سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرایند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است که با عناصر سنگین‌تر از آهن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان‌ترین عنصر در غول‌های قرمز است، و فراوان‌ترین فلز در شهاب‌سنگ‌ها و در هستهٔ فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.

آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده می‌شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O3 توسط کربن در درجه حرارت بالاست.

خواص آهن را می‌توان 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. هستهٔ اتم‌های آهن تقریباً دارای بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni62 دارای انرژی بیشتر از آن می‌باشد.

هرچند فراوان‌ترین نوکلید پایدار همان Fe56 می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های شکل گرفته‌است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل 62 نیز استخراج می‌گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرایند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالاً در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همین‌طور است. آهن (آهن Fe+2، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریباً تمام موجودات زنده از آن استفاده می‌کنند.

تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده‌ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می‌کنند و به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که عناصر گوناگونی را در فرایندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه یا هموسیانین به جای هموگلوبین. آنزیم‌های حاوی آهن معمولاً دارای گروه‌های هموپروستاتیک هستند که در تجزیهٔ واکنش‌های اکسیداسیون در زیست‌شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می‌کنند.

آهن در بدن

آهن یکی از عناصر ضروری و مورد نیاز بدن است و وظایف مهمی را بر عهده دارند که عبارت‌اند از:

وظایف آهن

1. انتقال اکسیژن در گلوبولهای 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 فوق‌العاده‌ای می‌کنند.

از طرفی کلسیم، منیزیوم، روی و مس از عناصری هستند که جذب آهن را کاهش می‌دهند به خصوص کلسیم؛ همچنین چای، قهوه، کاکائو و دم‌کرده‌های گیاهی نیز مانع از جذب آهن می‌شوند. از این رو بهتر است که غذاهایی که دارای کلسیم هستند خصوصاً لبنیات را هنگام خوردن مواد غذایی دارای آهن نخورید؛ مخصوصاً افرادی که دارای کم‌خونی‌اند بهتر است که لبنیات را با غذا میل نکنند.

فهرست مواد غذایی بر پایه اندازه آهن

نام ماده غذایی /  میلی‌گرم (mg) در 100 گرم

آویشن خشک : 123٫6

مرزنگوش خشک : 82٫71

زردچوبه آسیاب شده : 55

برگ بو: 43

مرزه آسیاب شده : 37٫88

دانه انیسون (بادیان رومی) : 36٫96

ترخون خشک‌شده : 32٫30

زنجبیل آسیاب شده : 19٫80

پودر کاری : 19٫10

دانه زیره : پ16٫23

دانه و آرد کنجد کم-چرب : 14٫22

جوز هندی آسیاب شده : 13٫90

بر خلاف تصور عامه مردم که اسفناج را یک گیاه با میزان آهن زیاد می‌دانند، این سبزی فقط دارای 2/71 میلی‌گرم آهن در 100 گرم اسفناج خام است.  به رغم باور همگان، اسفناج منبع فوق‌العاده خوب آهن نیست، زیرا میزان اسید اکسالات آن، بدن را از جذب مواد معدنی بازمی‌دارد.

خواص مکانیکی آهن

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل و راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه‌ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می‌رود. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتاً بستگی به خلوص دارد به گونه‌ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده‌اند از آلومینیوم نرم ترند، افزودن تنها 10 قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می‌کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا 0/2٪ و اشباع شده تقریباً در 0/6٪ به سرعت افزایش می‌یابد. خالص‌ترین آهن تولید شدهٔ صنعتی (تقریباً 99/99٪ خلوص) دارای سختی 20–30 برنیل است.

شکل مختلف آهن

آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگروارگی در یک فلز باشد، سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α، ϒ و δ شناخته می‌شود.همان‌طور که آهن ذوب شده سرد می‌شود در دمای 1538 درجهٔ سانتی گراد به آلوتروپ δ کریستالیزه می‌شود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست، همان‌طور که بیشتر سرد می‌شود ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای 1394 درجهٔ سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می‌یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته می‌شود، در دمای 912 درجهٔ سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریت می‌شود و در 770 درجهٔ سانتی گراد (نقطهٔ کوری، TC) آهن مغناطیسی می‌شود، هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می‌کند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می‌دهد (هر حوزه شامل اتم‌های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص می‌باشد).

در آهن غیر مغناطیسی شده همهٔ اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزهٔ مجاور آنها جهات متفاوت هستند و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می‌کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همهٔ حوزه‌ها هم جهت شده‌اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می‌کنند اگر چه هر حوزه، شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود 10 میکرون می‌باشند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط می‌شود تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود، انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که درای خواص متفاوتی می‌باشند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولادهایی با کیفیت خوب می‌باشد.

آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتاً نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین (نه بیش از 0/021٪ از جرم در 910 درجهٔ سانتی گراد) می‌باشد. در دماهای بالای 912 درجهٔ سانتی گراد و تا 1400 درجهٔ سانتی گراد آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بدن مرکزی به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهن ϒ را که استانیت نیز نامیده می‌شود تجربه می‌کند. این آهن نیز نرم است اما می‌تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان 2/4٪ جرمی در دمای 1146 درجهٔ سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می‌رود استفاده می‌شود.

پیدایش آهن

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره‌های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می‌شود در حالی که آهن حدود 5٪ از پوستهٔ زمین را تشکیل می‌دهد، اعتقاد بر این است که هستهٔ زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده‌است که 35٪ جرم کل زمین را تشکیل می‌دهد، بنابر این آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوستهٔ زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی می‌باشد.

بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می‌شود. حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (35–80٪ آهن) و کاماسیت (90–95٪ آهن) تشکیل شده‌اند. اگر چه تعداد اندکی از شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین می‌باشند. تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

ایزوتوپ‌های آهن

آهن به طور طبیعی متشکل از 4 ایزوتوپ: 5/848٪ رادیواکتیو Fe54 (نیمه عمر بزرگتر از 3/1 × 22 10سال)، 91/754٪ Fe56 پایدار، 2/119٪ از Fe57پایدار و 0/282٪ از Fe58 پایدار می‌باشد. Fe60 یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (1/5 میلیون سال) می‌باشد. بیشتر کارهای قبلی در اندازه‌گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe60 تولید شده از فرایندهای همراه با نکلئو سنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده‌است.

هرچند در دههٔ اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف‌سنجی جرمی اجازهٔ تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت‌های ایزوتوپ‌های پایدار آهن را داده‌است. بیشتر این کار به وسیلهٔ انجمن‌های علوم زمین و سیاره‌ای انجام شده‌است، هرچند کاربردهای آن در سیستم‌های بیولوژیک و صنعتی در حال آغاز شدن می‌باشد.

فراوان‌ترین ایزوتوپ آهن Fe56 مورد توجه ویژهٔ دانشمندان هسته‌ای می‌باشد. 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 غیرممکن است این مطلب درست نیست، چرا که هم Ni62 و هم Fe58 پایدار ترند و پایدارترین هسته می‌باشند. هرچند چون نیکل Ni56 در واکنش‌های هسته‌ای سوپر نوا در فرایند α از هسته‌های سبکتر به گونه‌ای بسیار آسانتر تولید می‌شود، نیکل 56 (ذرات آلفای 14)آخرین نقطهٔ زنجیرهٔ همجوشی در ستاره‌های بسیار عظیم می‌باشد، و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی-60 را تولید می‌کند که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد.

این نیکل 56، که دارای نیمه عمر حدود 6 سال است به مقدار زیاد در این ستاره‌ها ساخته می‌شود اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تأخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی‌مانده از سوپر نوا به اولین رادیو اکتیو کبالت 56، و سپس آهن 56 پایدار متلاشی می‌شود. این هستهٔ اخیر بنابر این در همه جای دنیا در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریباً مشابه دارای فراوانی بیشتریست. در فازهای شهاب سنگ‌های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na60، محصول دختر Fe60، و فراوانی ایزوتوپ‌های آهن پایدار قابل مشاهده بود که نشان از وجود Fe60 در زمان تشکیل منظومهٔ شمسی دارد.

احتمالاً انرژی رها شده از فروپاشی آهن 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 داشته‌است. فراوانی Na60 موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است اطلاعات بیشتری نسبت به منشأ منظومهٔ شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ‌های پایدار، تنها Fe57 یک اسپین هسته‌ای (-1/2) دارد.

شیمی و ترکیبات آهن

ترکیبات معدنی آهن

آهن ترکیباتی را ایجاد می‌کند که عمدتاً در حالت‌های اکسیداسیون +2 و +3 هستند. به طور سنتی، ترکیبات آهن II فروس نامیده می‌شوند و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده می‌شود. ترکیبات زیادی در هر یک از حالات اکسیداسیون وجود دارد که مثال‌هایی از آن شامل سولفات آهن (II) (FeSo4) و کلرید آهن (III) (FeCl3) می‌باشد. همچنین مثال‌های بیشماری از ترکیباتی که شامل اتم‌های آهن در هر دوی این حالات اکسیداسیون وجود دارد مانند مگنتیک و آبی پروسی. آنیون منفی فریت [Fe 24] شامل یک مرکز آهن، (Vi)بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شدهٔ آن می‌باشد 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.

تاریخچه آهن

اولین آهن شکل گرفته که توسط بشر در دورهٔ پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ‌ها آمده بود. ذوب آهن در کوره‌ها در هزارهٔ 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 پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می‌رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده‌است).

چدن برای اولین بار در حدود 550 پیش از میلاد در چین تولید شد اما در اروپا تا سال‌های قرون وسطا تولید نشد، در طول دوران قرون وسطا ابزاری در اروپا کشف شد که از آهن شکل یافته از چدن (pig Iron) با استفاده از ریخته‌گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرایندها از زغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد.

فولاد (که با کربن کمتر از pig Iron است اما آهن شکل یافته بیشتری دارد) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش‌های تازهٔ تولید آن به وسیلهٔ میله‌های کربنیزه کردن آهن در فرایند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون زغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند.

در اواخر دههٔ 1850، هنری بسمر فرایند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرایند و دیگر فرایندهای ابداع شده در قرن 19 و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.

کانی‌های آهن

آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد. در میان کانه‌های مهم آن می‌توان از هماتیت، مگنتیت، لیمونیت و گوتیت را نام برد.

آلوتروپ‌های آهن

• آهن آلفا (آهن بتا را نیز ببینید)
• آهن گاما
• آهن دلتا
• آهن اپسیلون