معرفی فلز آهن + بررسی ویژگی اساسی فلز آهن
فلز آهن یکی از کاربردی‌ترین محصولات برای ساخت مقاطع فولادی از جمله تیرآهن به حساب می‌آید. این فلز ویژگی‌ها و کاربردهای متنوعی دارد که در ادامه به 10 تا از مهم‌ترین ویژگی‌ها می‌پردازیم. در ادامه نیز به نحوه میلگرد گذاری ستون بتنی خواهسم پرداخت. با آهن هایپر تا انتهای این مقاله همراه باشید.
مهم‌ترین ویژگی‌های فلز آهن
1 – به فراوانی یافت می شود
اعتقاد بر این است که آهن دهمین عنصر فراوان جهان است. یکی از ویژگی های آهن این است که فراوان ترین (از نظر جرمی، 34.6٪) عنصر تشکیل دهنده زمین محسوب می شود. غلظت آهن در لایه های مختلف زمین از مقدار زیاد در هسته داخلی تا حدود 5٪ در پوسته ی خارجی می باشد.جهت اطلاع از آخرین قیمت ورق سیاه و آهن آلات با ما تماس بگیرید.
2 – هزینه استخراج کم نسبت به سایر فلزات
در زمان استخراج بیشترین میزان آهنی که می‌توان دریافت کرد از اکسیدهای این ماده است. از جمله این اکسیدها می‌توان به هماتیت، مگنتیت و تاکونیت اشاره کرد. این آلیاژ (آهن) که به همراه نیکل یکی از مواد تشکیل دهنده زمین است، برای تمام ارگانیک‌های زنده ضروری به حساب می‌آید. این محصول به میزان 500 میلیون تن در سال است. 300 میلیون تن نیز آهن بازایافت شده سالانه تولید می‌شود.
3 – کاربرد وسیع در ساخت آلیاژها
استفاده از این فلز معروف و ویژگی های آهن وسیع است، به طوری که بیشتر از 95٪ کل تناوب فلزی تولید شده در سراسر جهان کاربرد دارد. به لطف ترکیب هزینه کم و مقاومت بالایی که دارد کاربردهای آن از ظروف غذا گرفته تا اتومبیل های خانوادگی، از خردکن ها گرفته تا ماشین های لباسشویی، از کشتی های باری گرفته تا منگنه های کاغذی است. فولاد شناخته شده ترین آلیاژ آهن می باشد که به صورت انواع چدن، فولاد کربن، آهن فرفورژه، فولادهای آلیاژی ( ، فولاد ck45، و … )، اکسیدهای آهن در صنعت موجود است.
4 – زنگ زدن سریع در حضور رطوبت
ویژگی های آهن بسیار بوده و یکی از آن ها این است که آهن در هوای مرطوب زنگ می زند اما در هوای خشک اینگونه نیست و به راحتی در اسیدهای رقیق حل می شود. آهن از نظر شیمیایی فعال است و دو سری اصلی از ترکیبات شیمیایی، ترکیبات آهن دو ظرفیتی (II) یا آهنی و ترکیبات سه ظرفیتی آهن (III) را تشکیل می دهد.
5 – محکم، سخت، پردوام و مقاوم است
ویژگی های آهن باعث شده که این فلز بیشتر به عنوان فلزی شناخته می شود که به ما سلاح و ابزار می دهد و توانایی آن با استفاده از آلیاژها و عملیات حرارتی متناسب با هر کاربرد، آن را به فلز اصلی در فناوری تبدیل می کند. آهن متداول ترین فلز در زندگی روزمره است که همیشه به شکل اشیای تولید شده رواج دارد و معمولاً با روکش محافظ پوشانده می شود. سازه های بتنی حاوی آهن است و ماشین های الکتریکی از جمله ترانسفورماتور به آهن بستگی دارند. اتومبیل ها عمدتاً آهنی هستند و بسیاری از وسایل آهنی با لایه ی محافظی از جنس قلع پوشیده شده اند. اتصال دهنده ها مانند میخ و پیچ هایی که استفاده می شوند، معمولاً از نوع آهنی هستند.
6 – قیمت مناسب نسبت به سایر فلزات
آهن یک ماده عالی و متنوع برای ساخت و ساز است که قوی و سخت بوده و به راحتی شکل گرفته و کار می کند و از همه مهم تر قیمت آهن ارزان است و در مقایسه با گزینه های دیگر در اولویت قرار دارد. آلومینیوم یک رقیب قدرتمند برای آهن است با این حال، قابلیت انعطاف پذیری آلیاژهای آهن، و کربن با هیچ ماده ی دیگری قابل تطبیق نیست.
7 – بر اثر حرارت شعله سریع زنگ می زند
سطح آهن معمولاً در اثر خوردگی تغییر رنگ می یابد، زیرا در حضور رطوبت به راحتی با اکسیژن هوا ترکیب می شود و از طرفی در هوای کاملاً خشک زنگ نمی زند. همواره یکی از مشکلات اساسی این صنعت می باشد. اکسیدی که از آهن تولید می شود، شکننده و نرم است و از فلز پایه هیچ محافظتی نمی کند و در نهایت زنگ می زند. آهن از سنگ معدن بدست می‌آید که همانطور که در قسمت قبل اشاره شد در حقیقت انواع اکسیدها هستند. این اکسیدها در بعضی موارد کربنات، گوگرد یا فسفر را نیز شامل می‌شود. نماد شیمیایی FeS2 نشان دهنده آهن به‌علاوه گوگرد است، این ماده یک ترکیب نامناسب از آهن حساب می‌شود چرا که استخراج گوگرد از داخل آهن هزینه‌های زیادی دربر خواهد داشت.
8 – بازیافت راحت و آسان فلز آهن
آهن در صنعت به راحتی بازیافت شده و یکی از دلایل پرطرفدار بودن این فلز نیز بازیافت راحت آن می باشد.
9 – قابلیت تبدیل شدن به آلیاژهای دیگر مانند فولاد و چدن
فولادهای با استفاده از ترکیب فلز آهن و دیگر فلزهای مختلف است که برای تقویت خواص آهن دست به تولید آن می‌زنند. برای مثال در این دسته از فولادها مقاومت در برابر خوردگی و تحمل گرما افزایش پیدا خواهد کرد.با توجه به ترکیبی که برای ساخت فولاد آلیاژی استفاده می‌شود، انواع متنوعی از فولاد را تولید خواهید کرد.
10- رسانای الکتریسیته است
یکی از خصوصیات بارز فلز آهن این است که به شدت میدان مغناطیسی دارد. هر قطعه ای که از جنس آهن باشد، اگر در معرض میدان مغناطیسی قوی قرار بگیرد، خودش هم دارای میدان مغناطیسی می شود. دانشمندان بر این باورند که حدود 90٪ هسته زمین از فلز آهن تشکیل شده است. نیروی مغناطیسی حاصل از این آهن همان چیزی است که قطب های مغناطیسی شمال و جنوب را ایجاد می کند.
آهن چگونه کشف شد؟
حال سوالی که ذهن را درگیر می‌کند نحو کشف این فلز است. همانطور که گفته شد فلز آهندر پوسته زمین به فراوانی یافت می‌شود. اطلاعات دقیقی از اولین فردی که با فلز آهن دست به ساخت و ساز زد در دست نیست هرچند با توجه به تحقیقات و احتمالاتی که در دست داریم، استفاده اولیه از این آلیاژ به دو هزار سال پیش از میلاد برمی‌گردد. البته در این میان باید به اینکه توجه کنید که در گذشته رشد تمدن‌ها با سرعتی متنوعی رخ می‌داد پس زمان کشف آهن می‌تواند برای هر تمدن متفاوت باشد.
به طور حدودی می‌توان گفت این فلز در مصر باستان، دو هزار سال قبل از میلاد کشف و استفاده شد. با توجه به بررسی هایی که انجام شده، چینی‌ها زودتر از مصریان به استفاده از آهن دست زدند. در کشور آمریکا که امروزه یکی از پیشرفته‌ترین تمدن‌ها را دارد، آهن تنها پس از ورود اروپاییان مورد استفاده قرار گرفت. پس همین‌طور که مشاهده می‌کنید، زمان استخراج و استفاده از آهن در تمامی قاره‌ها یکسان نیست.
حتما شما هم شنیده‌اید که در گذشته آهن از شهاب سنگ استخراج می شد. این موضوع تا حدی واقعیت دارد اما از آنجایی که هر روز شهاب سنگ در دست نیست و پروسه استخراج آهن از شهاب سنگ سخت است، این روش در واقعیت قابل پیاده سازی نیست. کشف معادن آهن، مرحله‌ای کاربردی برای حذف این مشکل بود. استخراج آهن از معدن کاری به مراتب ساده‌تر است. از طرف دیگر فلزی که به عنوان آهن از معدن استخراج می‌شود دارای درصد خلوص پایینی است به همین دلیل محققان رفته رفته کوره‌های مذاب را ساخته و از آن‌ها برای افزایش خلوص آهن استفاده کردند.
کاربردهای فلز آهن
آهن یکی از پرکاربردترین مواد اولیه برای ساخت وسایل خانگی، ظروف، ماشین و … است. البته امروزه شما شاهد جایگزینی آهن و فولاد بوده‌اید. یکی دیگر از آلیاژهایی که برای ساخت استفاده می‌شود، چدن است. چدن را می‌توان برای ساخت قطعات خودرو استفاده کرد. برای ساخت وسایل مربوط به دکوراسیون خانگی (نرده، پایه نگهدارنده شمع، میله پرده و …) از آهن فرفوژه استفاده می‌شود.
مشخصات شیمیایی فلز آهن
مشخصات شیمیایی فلز آهن در جدول زیر به طور کامل برای شما ارائه شده است.
| فلز آهن | |
| نماد اتمی آهن | Fe |
| عدد اتمی آهن | 26 |
| فاز آهن در دمای اتاق | جامد |
| جرم اتمی آهن | 55.85 |
| تراکم آهن | 7.874 گرم بر سانتی‌متر مکعب در دمای 20 درجه سانتیگراد |
| نقطه ذوب‌آهن | 2800 درجه فارنهایت (1536 درجه سانتیگراد) |
| نقطه‌جوش آهن | 5182 درجه فارنهایت (2862 درجه سانتیگراد) |
| شعاع یونی آهن | 0.076 نانومتر (+2)؛ 0.064 نانومتر (+3) |
| تعداد ایزوتوپ‌های آهن | 8 |
| انرژی یونیزاسیون اول آهن | 761 |
| انرژی یونیزاسیون دوم آهن | 1556.5 |
| انرژی یونیزاسیون سوم آهن | 2951 |
| گروه | VIII جدول تناوبی |
ترکیب شیمیایی سنگ آهن
آهن با درصد 1.6 به عنوان چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین شناخته می‌شود. این آلیاژ را به طور مستقیم از سنگ آهن استخراج می‌کنند. ترکیب‌های مختلفی برای تولید آلیاژهای مختلف آهن استفاده می‌شود.
کبالت و نیکل به ترتیب با سطح‌هایی به رنگ صورتی و زرد شناخته می‌شوند. هیچ‌کدام از این آلیاژها باعث زنگ زدگی آهن نمی‌شوند چرا که لایه‌های اکسید دارای محافظت و چسبندگی بالایی هستند. نیکل یکی از آلیاژهایی است که به عنوان پوشش زیر آبکاری کروم استفاده می‌شود. دلیل این موضوع خاصیت خوردگی است که کروم روی آهن نشان می‌دهد. عدد اتمی آهن برابر با 26 است.
وزن اتمی آهن نیز 55.58 تعریف می‌شود. ایزوتوپ‌های پایدار آهن برابر با 54 (5.9٪)، 56 (91.6٪)، 57 (2.2٪) و 58 (0.33٪) هستند. پیکربندی الکترون آن Ar3d64s2 می باشد و پتانسیل های یونیزاسیون اول و دوم آن 7.87 ولت و 16.18 ولت است که در همسایگی عناصری چون کبالت (Z = 27) و نیکل (Z = 28) به سر می‌برد.
از دیگر ویژگی های آهن می توان به این مورد اشاره کرد که آهن در دمای اتاق، به صورت فریت یا α-آهن، یک ساختار مکعبی دارد. چگالی α- آهن 7.86 گرم در سی سی بوده و در دمای 910 درجه سانتیگراد به آهن γ تبدیل می‌شود و تا حدودی نرم تر است، در دمای 1535 درجه سانتی گراد آهن ذوب می شود و در دمای 3000 درجه سانتی گراد می جوشد.
کبالت نیز در دمای 1480 درجه سانتیگراد و نیکل در دمای 1455 درجه سانتیگراد ذوب می شود. گرمای ویژه هر یک از این سه فلز در حدود 107/0 کالری بوده و رسانایی گرمایی Fe ، Co و Ni 3.37 ، 3.81 و 4.19 کالری بر ثانیه سانتی متر -K است. همچنین مقاومت الکتریکی آن ها 71/9 ، 24/6 و 84/6 میکرومتر سانتی متر می باشد. مقایسه اعداد نشان می دهد که این فلزات از نظر خصوصیات فیزیکی چقدر به هم شبیه هستند.
آهن به صورت کاتیونه ای Fe ++ و Fe +++ وجود دارد و نیکل و کبالت عمدتاً به صورت یون های ترکیبی در سایر حالت های اکسیداسیون معمولاً در ترکیبات ناپایدار موجود است. تعداد زیادی نمک با آنیون های مختلف تشکیل می شود، بنابراین یک عامل احیا کننده بوده و خود را به Fe +++ اکسید می کند. در محلول قلیایی، این یون با خوشحالی الکترون را می پذیرد، بنابراین یک ماده اکسید کننده است و خود را به حالت آهنی کاهش می دهد. در محلول اسیدی،Fe H + را به H2 کاهش داده زیرا پتانسیل الکترود آن 44/0-، یعنی بسیار بالاتر از هیدروژن است و در واقع آهن یک عنصر فعال به حساب می آید.
یون آهنی در محلول به رنگ سبز بوده، در حالی که یون آهن بنفش روشن است. رنگ های متمایز ترکیبات آهن به دلیل الکترون های d است که می تواند از طریق بسیاری از روش های جالب با نور ارتباط برقرار کند. اکسید آهن به عنوان یک ماده معدنی، هماتیت نامیده می شود و معمولاً تقریباً سیاه می باشد و بر روی ظروف چینی بدون لعاب یک رگه ی قرمز برجای می گذارد و در حالت تقسیم شده کاملاً ریز، یک قرمز خاکی روشن مشخص است.
سولفات آهن، FeSO4 هنگام تبخیر محلول، کریستال های سبز کم رنگ هپتاهیدرات را تشکیل می دهد، در حالی که این بلورها در هوا رطوبت و اکسیژن را جذب می کنند و به آهستگی تبدیل به آهن می شوند. این نمک را کوپرا یا ویترایول سبز می نامند. در محلول قلیایی، Fe (OH) 2 ژلاتینی رسوب می کند.