آهن، عنصر رایج

پیدایش

آهن یکی از رایج ترین عناصر زمین بوده که تقریباً 5% پوسته زمین را تشکیل می دهد.
آهن از سنگ معدن هماتیت که عمدتاً Fe₂O₃ می باشد استخراج می گردد. این فلز را به وسیله روش کاهش با کربن که عنصری واکنش پذیرتر است جدا می کنند. این عمل در کوره بلند در دمای تقریباً 2000 درجه سانتیگراد انجام می پذیرد.

ابتدا کک ( عمدتا" کربن) را وارد کوره می کنند تا با اکسیژن ترکیب شده تولید دی اکسید کربن نماید:

C + O₂→ CO₂

مرحله بعد، دی اکسید کربن با کربن بیشتری واکنش نموده تولید مونوکسید کربن می کند:

CO₂ + C → 2CO

مونوکسید کربن عملاً با سنگ هماتیت ترکیب می شود:

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂

آهن به شکل مایع به دست می آید ولی هنوز ناخالص است که بیشتر ناخالصی آن شن ( دی اکسید سیلیکن) می باشد. این ماده را برای تولید سرباره با سنگ آهک ( CaCO₃) ترکیب می کنند.
ابتدا سنگ آهک به مونوکسید کلسیم و دی اکسید کربن تجزیه می شود:

CaCO₃ → CaO + CO₂

سپس مونوکسید کلسیم با دی اکسید سیلیکن ترکیب شده تولید سرباره می کند که در راه سازی یا در کودها مورد استفاده قرار می گیرد:

Cao + Sio ₂ → Casio ₃

در سال 2000 تقریباً 1100 میلیون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاری تقریباً 25 میلیارد دلار آمریکا استخراج شد. درحالی که استخراج سنگ معدن آهن در 48 کشور صورت می گیرد، چین، برزیل، استرالیا، روسیه و هند با تولید 70% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ تولید کنندگان آن به حساب می آیند. برای تولید تقریبا" 572 میلیون تن آهن خام 1100 میلیون تن سنگ آهن مورد نیاز است.

ترکیبات

معمول ترین حالات اکسیداسیون آهن عبارتند از:

* حالت فروس Fe+2

* حالت فریک Fe+3

* حالت فریل +4 Fe که با تعدادی آنزیم ( مثلاً پیروکسیدازها) پایدار شده است.

* آهن ( VI) هم معروف است (اگرچه کمیاب). در صورتی که به شکل فرات پتاسیم باشد (K2FeO) یک اکسید کننده انتخابی برای الکل های نوع اول می باشد. این ماده جامد فقط در شرایط خلاء و ارغوانی تیره پایدار است هم به صورت محلول سوز آور و هم به صورت یک ماده جامد.

* کاربید آهن Fe3C به نام سمنتیت معروف است.

* همچنین به iron oxide مراجعه شود.

بیولوژی

آهن، اتم اصلی مولکول هم ( بخشی از گلبول قرمز) و بنابراین جزء ضروری تمامی هموپروتئین ها محسوب می شود به همین علت وجود این عنصر در حیوانات حیاتی می باشد. همچنین آهن غیر آلی در زنجیره های آهن گوگرد بسیاری از آنزیم ها یافت می شود.

باکتری ها اغلب از آهن استفاده می کنند. وقتی بدن در حال مبارزه با یک عفونت باکتریایی است برای عدم دستیابی باکتری به آهن، این عنصر را پنهان می کند.

ایزوتوپ ها

آهن به طور طبیعی دارای چهار ایزوتوپ پایدار Fe-54,Fe56,Fe-57,Fe-58 می باشد. فراوانی نسبی ایزوتوپ های آهن در طبیعت تقریباً Fe-54 8/5% ، Fe-56 7/91%،Fe-57 2/2% و Fe-58 3/0% است. Fe-60 که نوکلید پرتوزای غیر فعال است دارای نیمه عمر 5/1 (Myr) می باشد. بیشتر تلاش گذشته برای اندازه گیری ترکیبات ایزوتوپی آهن به علت فرآیندهایی که توام با نوکلئوسنتز ( مانند مطالعات شهاب سنگ ها) و شکل گیری کانی ها هستند، حول محور تعیین انواع مختلف Fe-60 صورت گرفته است.

در اهله های مختلف شهاب سنگ های Semarkona و Chervony Kut می توان بین تمرکزNi-nickel|60 ( محصول دختچه Fe-60) و فراوانی ایزوتوپهای پایدار آهن ارتباطی یافت که دلیلی برای وجود آهن 60 در زمان شکل گیری منظومه شمسی می باشد. احتمالاً انرژی آزاد شده توسط فروپاشی آهن 60 به همراه انرژی رها شده بر اثر فروپاشی نوکلئید پرتوزای Al-26، در ذوب مجدد و تفکیک اخترچه های بعد از شکل گیری آن ها 6/4 میلیارد سال پیش تأثیر داشته است.

فراوانی Ni-60 موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است آگاهی بیشتری در مورد منشأ منظومه شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه نماید. در بین ایزوتوپ های پایدار فقط آهن 57 دارای اسپین اتمی است (-1/2) به همین خاطر آهن 57 در شیمی و بیوشیمی به عنوان یک ایزوتوپ اسپینی دارای کاربرد است.

هشدارها

مصرف بیش از حد آهن خوراکی ایجاد مسمومیت می کند چون مقدار زیاد آهن فروس با پروکسیدهای بدن واکنش کرده تولید بنیان های آزاد می کند. وقتی مقدار آهن در بدن طبیعی است مکانیسم های ضد اکسیداسیون خود بدن قادر به کنترل این فرآیند می باشد. اگر مقدار آهن بیش از نرمال باشد مقادیر غیرقابل کنترل بنیان های آزاد به وجود می آید.

مقدار کشنده آهن برای یک کودک 2 ساله تقریباً 3 گرم بوده و یک گرم آن مسمومیت جدی در پی خواهد داشت. گزارش هایی مبنی بر مسمومیت کودکان در اثر مصرف 10 تا 50 عدد قرص سولفات آهن در کوتاه مدت وجود دارد. مصرف بیش از حد آهن بر اثر خوردن غیر عمدی داروها عامل جدی مرگ و میر در کودکان است.

افزایش غیرقابل کنترل آهن در بدن موجب بروز بیماری به نام hemochromatosis می گردد. آهن اضافی در کبد جمع شده و موجب بیماری آهن زدگی (siderosis) و آسیب های عضوی می شود. به همین دلیل افرادی که کمبود آهن ندارند نباید مکمل های آهن مصرف کنند.