فلزی واسطه در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی با عدد اتمی 26 است. این فلز اصلی‌ترین عنصر سازندهٔ هستهٔ بیرونی و درونی زمین، چهارمین عنصر متداول در پوسته (حدود 5%) و ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است و دارای ۴ ایزوتوپ طبیعی می باشد. اکثر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت میشود.
آهن چیست؟
این عنصر مانند عناصر هم گروه خود، دارای طیف گسترده‌ای از حالت‌های اکسیداسیون ازل ۲- تا ۶ است که حالت اکسایش ۲ و ۳ متداول‌تر است. ترکیبات آهن II فروس و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده میشود. آهن تازه دارای سطحی صاف و نقره‌ای درخشان مایل به خاکستری است.
اما نسبت به اکسیژن و آب در هوای عادی واکنش داده و به شکل اکسید آهن هیدراته یا زنگ آهن قرمز یا قهوه‌ای رنگ تبدیل می گردد. لایه اکسید شده سطح، مانع زنگ زدگی درون قطعه فلز نشده و با ادامهٔ نفوذ حجم بیشتری از فلز خوردگی ادامه می یابد.
خواص آهن چیست
آهن و آلیاژهای آن پرکاربردترین نوع فلزات می باشند .هستهٔ اتم‌های آهن تقریباً دارای بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است. بنابراین آهن با روش همجوشی , سنگین ترین و با روش شکافت اتمی , سبکترین عنصری است که بصورت گرمازایی تولید می گردد. خواص مکانیکی آهن و آلیاژهای آن عمدتاً به درجه خلوص آن وابسته است. این خواص با استفاده از آزمون‌هایی از قبیل برنیل و راکول یا آزمایش مقاومت کششی ارزیابی میشود.
آهن با درجه خلوص بالا دارای سختی 20–30 برنیل است. چگالی آهن 7874 کیلوگرم بر مترمکعب، وزن اتمی آن 55.847گرم بر مول و دمای جوش آن به ترتیب برابر 2750 درجه سانتیگراد است. کریستال‌های آهن خالص که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده‌اند از آلومینیوم نرم ترند. اما افزودن مقادیر اندکی ناخالصی از قبیل کربن مقاومتش را دو برابر می‌کند و سختی نیز افزایش می‌یابد.
پیکاتک | تامین کننده روتامتر در بازار ایران | جهت مشاوره و خرید تلفنی با شماره : 87700142-021 ( 30 خط ویژه ) تماس بگیرید
به گونه ای که مقادیر مناسب (تا چند درصد) کربن و دیگر فلزات تولید فولاد می‌کند که می‌تواند 1000بار سخت‌تر از آهن خالص باشد. خواص آهن را میتوان با تولید آلیاژهایی از آن با استفاده از عناصر مختلف (به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد.
آهن خالص به صورت آزاد به ندرت روی سطح زمین یافت میشود زیرا به آسانی رطوبت و اکسیژن محیط را جذب و اکسید میشود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از طریق واکنش کاهش شیمیایی از سنگ معدن طبیعی حذف شود.
بدلیل استفاده آهن در نمای ساختمان ها که احتمال زنگ آهن وجود دارد در صنعت نقاشی ساختمان از ضد زنگ و رنگ اپوکسی برای مقاوم کردن آهن استفاده میشود.
خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آهن چیست
- عدد اتمی :26
- وزن اتمی یا عدد جرمی :55.847g.mol -1
- شعاع اتمی:126 pm
- تعداد پروتون ها /الکترون ها: 26
- تعداد نوترون ها : 30
- نقطه ذوب :1535 °C
- نقطه جوش : 2750 °C
- شعاع وان دروالس :0.126 nm
- شعاع کوالانسی :117 pm
- شعاع یونی :0.05 nm
- ایزوتوپ :8
- ایزوتوپ مصنوعی : 16
منابع آهن چیست
منبع عنصر آهن در شهاب‌سنگ‌ها و هستهٔ فلزی متراکم سیاراتی مانند زمین و سایر محیط‌های کم اکسیژن است. فراوانی آهن در سیاره‌های زمین‌سان و دیگر کره‌های سنگی مانند ماه، به خاطر پدیدهٔ همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها است. زیرا در پروسهٔ همجوشی، آهن آخرین عنصری‌است که با آزادسازی انرژی، پیش از فروپاشی انفجاری آن ستاره به صورت یک نو اختر یا ابرنواختر، و پراکندن آهن در فضا، ایجاد میشود. این فرضیه وجود دارد که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از اکسید آهن است.
هسته زمین به طور عمده از آهن و نیکل تکیل شده است که بیش از 35 درصد از جرم زمین را به خود اختصاص می دهد. این فلز از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازندهٔ کرهٔ زمین است.
آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد.برخی کانی های آهن شامل هماتیت، مگنتیت، لیمونیت و گوتیت می باشد.دو کانی رایج و باارزش در ترکیب سنگ آهن هماتیت و مگنتیت می باشد. هماتیت با فرمول شیمیایی Fe2O3 حاوی حدود 70درصد (Fe) و 30 درصد اکسیژن است. از این کانی در رنگ سازی و تولید ضد زنگ‌ها استفاده می‌کنند.
استخراج آهن
آهن از سنگ معدن هماتیت که عمدتا دارای نماد Fe2o3 است، تولید می گردد. این فلز را در کوره های بزرگ با دمای تقربی 2000 درجه سانتی گراد از طریق روش های کاهش شیمیایی با کربن که عنصری واکنش پذیرتر است جدا کرده و استخراج می کنند. 70% تولید سنگ معدن آهن در کشورهای چین , برزیل , استرالیا , روسیه و هند انجام می گیرد.
مراحل آرایش سنگ های معدنی عبارت است از خرد نمودن سنگ های معدنی، دانه بندی سنگ های معدنی، پر عیارسازی (کنسانتره) سنگ های معدنی، آبگیری، تکلیس، اگومراسیون و مخلوط کردن مواد معدنی.
آلوترپ های آهن
انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که دارای خواص متفاوتی هستند. شناسایی خواص آلوتروپ‌های آهن در ساخت انواع فولاد حائز اهمیت می باشد.ساختمان فلز آهن دارای دگروارگی می باشد .
سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α، ϒ و δ شناخته میشود.
- آهن آلفا
- آهن گاما
- آهن دلتا
- آهن اپسیلون
آهن ذوب شده در حالی که سرد میشود در دمای 1538 درجهٔ سلسیوس به آلوتروپ δ کریستالیزه میشود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست.با گذشت زمان و سردشدگی بیشتر، ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای 1394 درجهٔ سلسیوس به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می‌یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته میشود.
این آهن نرم می‌تواند مقدار بسیار بیشتری کربن داشته باشد. این شکل آهن در فولاد ضدزنگ برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می‌رود.
در دمای 912 درجهٔ سلسیوس ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره ایجاد شده و دارای بدنه مکعبی مرکزی یا آهن α یا فریت میشود. آهن نسبتا نرم α که از لحاظ بلورشناسی شباهت زیادی به آهن دلتا دارد پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق بوده و دارای مقدار کمی کربن است.در 770 درجهٔ سلسیوس نقطهٔ کوری رخ می دهد و آهن مغناطیسی میشود. هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می‌کند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می‌دهد.
کاربردهای آهن چیست؟
به دلیل قیمت ارزان و مقاومت بالای آهن نسبت به دیگر فلزات، کاربرد آن از تمامی فلزات بیشتر است. برخی از کاربردهای آهن عبارت است از:
- اسکلت ساختمان ها (مهم ترین کاربرد)
- بدنه اتومبیل ها
- ریل آهن
- چارچوب تجهیزات
- کشتی های بزرگ
- اکسیدهای آهن مورد استفاده برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر
فرآورده های تولید شده از آهن
فرآورده های تولید شده از آهن (سنگ آهن) را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد:
آهن خام
مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد،آهن خام میباشد;آهن خام شامل5-4%کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد,سیلیکون و فسفر است .
چدن
به منظور به دست آوردن چدن، آهن را ذوب و در قالب های ماسه ای یا فلزی میریزند. بنابراین اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن که محصولی بسیار محکم , سخت و شکننده است به دست می آید. این آلیاژ شامل 2-3 درصد کربن و مقدار کمی منگنز می باشد. همچنین ناخالصی های موجود در آهن خام مانند گوگرد و فسفر که تاثیر منفی بر خواص آن دارد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می یابد.
چدن چکش خوار
این نوع چدن با افزودن موادی از قبیل منیزیم و سیلیکات آهن به چدن معمولی و سپس بلوری شدن کربن به دست می آید. چدن چکشخوار از خاصیت چکش خواری و کششی بیشتری نسبت به چدن معمولی برخوردار است و در صنعت پرکاربردتر است.
چدن سفید
با سردشدن آهن مذاب این نوع چدن بدست میآید.درصدد شکنندگی آن را میتوان تنها با نرم کردن آن کاهش داد.
آهن کارشده
برای بدست آورد این نمونه آهن آلات باید برخی از ناخالصی های موجود در آن همچون سیلیسیم،منگنز و کربن را تصفیه نمود و آهن ذوب شده را به شکل اسفنجی تبدیل نمود.
فولاد
معروف ترین آلیاژ آهن می باشد که از ترکیب آلیاژهای آهن به همراه کربن به دست می آید و مقاومت آن بسیار بیشتر از حالت اولیه است. میزان کربن موجود در فولاد های کربنی ساده تأثیر زیادی بر خواص فولاد و انتخاب عملیات حرارتی مناسب آن دارد.
به دلیل اهمیت میزان کربن در فولادها، تقسیم بندی این فولادها براساس مقدار کربن شامل فولاد کم کربن یا نرم، فولاد متوسط کربن و فولاد ابزار می باشد. این فولاد شامل مقادیر خاصی از منگنز، و سلیکون و مقادیر بسیار کمی از فسفر و سولفور می باشد. بیشترین حد کربن در فولاد که به ندرت اتفاق می افتد، تقریباً ۲ درصد می باشد و زمانی که مقدار کربن آن بیش از این باشد، آن را آلیاژ چدن می نامند. مقدار کربن در چدن ها، معمولاً بین 3/2 الی 4 درصد می باشد.
فولاد کربن
شامل 0.5-1.5% کربن و مقادیر کم منگنز ، گوگرد ، فسفر و سیلیکون است.
آهن ورزیده (نرم)
دارای کمتر از0.5 % کربن است. محصولی محکم و چکشخوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. اگر یک لبه آن تیز شود، به‌سرعت تیزی خود را از دست می‌دهد.
فولاد آلیاژ
حاوی مقادیر متفاوتی کربن همراه با فلزات دیگر می باشد. بیشترین عناصر شامل کروم ، وانادیم ، مولیبدن ، نیکل ، تنگستن میباشد.
آهن قراضه
ضایعاتی های حاصل از تولید فولاد می باشد.عملیات حرارتی باید با دمای مناسب انجام گیرد. این عملیات موجب تنش گیری عملیات آماده سازی، بهینه سازی ساختار دانه، افزایش قابلیت شکل پذیری، افزایش مقاومت سایشی و چقرمگی فولاد، بهبود قابلیت ماشین کاری و خواص برش، بهینه سازی خواص مغناطیسی و الکتریکی فولاد می گردد.
تکنولوژی بازیافت و استفاده مجدد از آهن، مواد مذاب را به صورت شمش های کوچک و بزرگ تبدیل کرده تا دوباره به چرخه تولید وارد شوند.
لینک های مرتبط :
