آهن

آهن عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدد اتمی 26 وجود دارد. آهن فلزی است که در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی قرار دارد.

ویژگی های قابل توجه

جرم یک اتم معمولی آهن 56 برابر جرم یک اتم معمولی هیدروژن می باشد. عقیده بر این است که آهن دهمین عنصر فراوان در جهان است. Fe مخفف واژه لاتین ferrum برای آهن می باشد.

این فلز از سنگ معدن آهن استخراج می شود و به ندرت به حالت آزاد (عنصری) یافت می گردد. برای تهیه آهن عنصری، باید ناخالصی های آن با روش کاهش شیمیایی از بین برود. آهن برای تولید فولاد به کار می رود که عنصر نیست بلکه یک آلیاژ و مخلوطی است از فلزات متفاوت (و تعدادی غیر فلز به خصوص کربن).

هسته اتم های آهن دارای بیشترین نیروی هم گیر در هر نوکلئون هستند بنابراین آهن با روش همجوشی، سنگین ترین و با روش شکافت اتمی، سبک ترین عنصری است که به صورت گرمازایی تولید می شود. وقتی یک ستاره که دارای جرم کافی می باشد چنین کاری انجام دهد، دیگر قادر به تولید انرژی در هسته اش نبوده و یک ابر اختر پدید می آید.

آهن رایج ترین فلز در جهان به حساب می آید. الگوهای جهان شناختی با یک جهان باز پیش بینی زمانی را می کند که در نتیجه واکنش های همجوشی و شکافت آهسته، همه چیز به آهن تبدیل خواهد شد.

کاربردها

کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتراست و 95 درصد آلیاژ کل فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می دهد. قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آن را به خصوص در اتومبیل ها، بدنه کشتی های بزرگ و ساختمان ها اجتناب ناپذیر می کند. فولاد معروف ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه های آهن به شرح زیر می باشد:

* آهن خام که دارای 5%-4% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد، سیلیکن و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.

* چدن شامل 5/3%-2% کربن و مقدار کمی منگنز می باشد. ناخالصی های موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آن را تحت تاثیر منفی قرار می دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می یابند. نقطه ذوب چدن بین k 1470-1420 می باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آن را به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می کند. چدن بسیار محکم، سخت و شکننده می باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می شود.

* فولاد کربن شامل 0/5%-1/5% کربن و مقادیر کم منگنز، گوگرد، فسفر و سیلیکن است.

* آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از 0/5% کربن می باشد و محصولی محکم و چکش خوار است اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد). اگر یک لبه آن تیز شود به سرعت تیزی خود را از دست می دهد.

* فولادهای آلیاژ که حاوی مقادیر متفاوتی کربن به علاوه فلزات دیگر مانند کروم، وانادیم، مولیبدونم، نیکل، تنگستن و ... می باشد.

* اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود رابصورت محلول هم حفظ می کنند.

تاریخچه

اولین نشانه های استفاده از آهن به زمان سومریان و مصریان بر می گردد که تقریباً 4000 سال قبل از میلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگ ها اقلام کوچکی مثل سر نیزه و زیور آلات می ساختند.

از 2000 تا 3000 سال قبل از میلاد تعداد فزاینده ای از اشیاء ساخته شده با آهن مذاب (فقدان نیکل، این محصولات را از آهن شهاب سنگی متمایز می کند) در بین النهرین، آسیای صغیر و مصر به چشم می خورد. اما ظاهراً تنها در تشریفات از آهن استفاده می شد و آهن فلزی گرانبها حتی با ارزش تر از طلا به حساب می آمد. بر اساس تعدادی از منابع آهن (به مرجع چه عاملی عصر آهن را به وجود آورد؟ مراجعه کنید.) به عنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می شده - مثل آهن اسفنجی و به وسیله متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است. از 1600 تا 1200 قبل از میلاد در خاورمیانه به طور روز افزون از آین فلز استفاده می شده اما جایگزین کابرد برنز در آن زمان نشد.

تبر آهنی متعلق به عصر آهن سوئد در گاتلند سوئد یافت شده است.
از قرن 10 تا 12 در خاور میانه یک جابجایی سریع درتبدیل ابزار و سلاح های برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جا به جائی، آغاز ناگهانی تکنولوژی های پیشرفته کار با آهن نبود بلکه عامل اصلی، مختل شدن تأمین قلع بود. این دوره جا به جایی که در زمان های مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد دوره ای از تمدن به نام عصر آهن را به وجود آورد.

همزمان با جایگزینی آهن به جای برنز فرآیند کربوریزاسیون کشف شد که به وسیله آن به آهن موجود در آن زمان، کربن اضافه می کردند. آهن را بصورت اسفنجی که مخلوطی از آهن و سرباره به همراه مقداری کربن یا کاربید است بازیافت کردند سپس سرباره آنرا با چکش کاری جدا نموده و محتوی کربن را اکسیده می کردند تا بدین طریق آهن نرم تولید کنند. مردم خاور میانه دریافتند که با حرارت دادن طولانی مدت آهن نرم در لایه ای از ذغال و آب دادن آن در آب یا روغن می توان محصولی بسیار محکمتر به دست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است از برنزی که قبلاً کاربرد داشت محکمتر و مقاوم تر بود.

در چین نیز اولین بار از آهن شهاب سنگی استفاده شد و اولین شواهد باستان شناسی برای اقلام ساخته شده با آهن نرم در شمال شرقی نزدیک Xinjiang مربوط به قرن 8 قبل از میلاد به دست آمده است. این وسایل از آهن نرم و با همان روش خاور میانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان می رفت که برای مردم غیر چینی هم ارسال می کردند.

در سال های آخر پادشاهی سلسله ژو (حدود 550 قبل از میلاد) به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره، قابلیت تولید آهن جدیدی به وجود آمد. ساخت کوره های بلندی که توانایی حرارت های بالای k 1300 را داشت موجب تولید آهن خام یا چدن توسط چینِی ها شد. اگر سنگ معدن آهن را با کربن k 1470-1420 حرارت دهیم مایع مذابی به دست می آید که آلیاژی با 5/96% آهن و 5/53% کربن است.

این محصول محکم را می توان به شکل های ریز و ظریفی در آورد اما برای استفاده، بسیار شکننده می باشند مگر آنکه بیشتر کربن آن را از بین ببرند. از زمان سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات آهن در چین به شکل چدن است. با این همه آهن به عنوان یک محصول عادی که برای صدها سال مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته باقی ماند و تا زمان سلسله شین (حدود 221 قبل از میلاد) عظمت چین را واقعاً تحت تاثیر قرار نداد.

توسعه چدن در اروپا عقب افتاد چون کوره های ذوب در اروپا فقط توانایی k 1000 را داشت. در بخش زیادی از قرون وسطی در اروپای غربی آهن را همچنان با روش تبدیل آهن اسفنجی به آهن نرم به دست می آوردند. تعدادی ازقالب گیری های آهن در اروپا بین سال های 1150 و 1350 بعد از میلاد در دو منطقه در سوئد به نام های Lapphyttan و Vinarhyttan انجام شد.

دانشمندان می پندارند شاید این روش بعد از این دو مکان تا مغولستان آن سوی روسیه ادامه یافته باشد اما دلیل محکمی برای اثبات این فرضیه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رویدادی یک بازار برای کالاهای چدنی بوجود آمد مانند درخواست برای گلوله های توپ چدنی.

در آغاز برای ذوب آهن از ذغال چوب هم بعنوان منبع حرارتی و هم عامل کاهنده استفاده می شد. در قرن 18 در انگلستان تامین کنندگان چوب کم شدند واز ذغال سنگ که یک سوخت فسیلی است بعنوان منبع جانشین استفاده شد. این نو آوری به وسیله Abraham Darby انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.

ادامه دارد...