Mistä rauta tulee tai miten se valmistetaan?

Sisältö

• Lyhyt historia raudasta
• Kemialliset faktat raudasta
• Raudan käyttö
• Kuinka rautaa tehdään?
• Mistä rauta tuli?
• Kuinka alkuaineet muodostuvat luonnossa?
• Rauta ihmiskehossa

Kun mietit raudan alkuperää, mielesi todennäköisesti harhailee visioita terästehtaista, keskiaikaisista takoista tai muusta valmistusprosessista, jolle on ominaista kova, käytännöllinen työ ja erittäin korkeat lämpötilat. Mutta sen lisäksi, että rauta on tyyppi metallia, jota käytetään eri tavoin ihmisten teollisuudessa, rauta on myös alkuaine, ei yhdiste tai seos, mikä tarkoittaa, että on mahdollista eristää yksi rauta-atomi. Tämä ei pidä paikkaansa tunnetuimmista materiaaleista; esimerkiksi pienin vesimäärä, jota edelleen voidaan kutsua vedeksi, sisältää kolme atomia, joista toinen on happea ja kaksi muuta vetyä.

Mielenkiintoista, että vaikka ihmiset yhdistävät rautaa epätavallisen korkeisiin lämpötiloihin valmistusasetuksissa täällä maan päällä, rauta elementtinä johtuu sen olemassaolosta tapahtumilla, jotka ovat niin kuumia ja niin kaukana, että mukana olevilla lukuilla on tuskin järkeä.Siksi raudan valmistusta koskevan tutkimuksen tekeminen vaatii kahta rinnakkaista prosessia: Tutkitaan kuinka rauta tuli ja miten se saavutti maan ja kuinka ihmiset maan päällä tekevät ja käyttävät rautaa päivittäiseen ja erikoistuneeseen toimintaan. Nämä aiheet vuorostaan ​​herättävät keskustelua raudan käytöstä elävissä järjestelmissä ja elävissä järjestelmissä sekä yleisen tarkastelun siitä, kuinka eri elementit sekä syntyvät että leviävät koko kosmokseen.

Lyhyt historia raudasta

Raudan on tiedetty ihmiskunnalle noin 3500 B.C., tai yli 5500 vuotta sitten. Sen nimi on johdettu anglosaksi-versioon, joka oli "iren". Jaksollisen raudan symboli Fe tulee latinan kielen raudasta, joka on ferrum. Jos tutustut apteekkiin ja satut näkemään rautavalmisteita, huomaat, että suurin osa heidän nimistään on "rautaa" jotain tai muuta (kuten sulfaattia tai glukonaattia). Aina kun näet sanan "rauta" tai "rauta" kemiassa, sinun tulisi heti ymmärtää, että raudasta keskustellaan; "ironisella", vaikka loistava ja hyödyllinen sana, sillä ei ole roolia fysiikan maailmassa.

Kemialliset faktat raudasta

Rauta (lyhennetty Fe) luokitellaan metalliksi paitsi päivittäisiin tarkoituksiin, mutta myös elementtien jaksotaulukossa (katso interaktiivisen esimerkin resurssit). Tämä luultavasti tulee pienenä yllätyksenä, mutta itse asiassa metallit ylittävät luonnossa ei-metallien määrän suurella marginaalilla; 113: sta elementistä, jotka ihmiset ovat löytäneet tai luoneet laboratorioympäristössä, 88 luokitellaan metalleiksi.

Kuten jo tiedät jo, atomit koostuvat ytimestä, joka sisältää seosta protoneja ja neutroneja, joiden massa on suunnilleen yhtä suuri, ja jota ympäröi melkein massattomien elektronien "pilvi". Protoneilla ja elektronilla on samansuuruinen varaus, mutta protonien varaus on positiivinen, kun taas elektronien varaus on negatiivinen. Raudan atominumero on 26, mikä tarkoittaa, että raudalla on 26 protonia ja 26 elektronia sähköisesti neutraalissa tilassa. Sen atomimassa, joka pyöristettynä on yksinkertaisesti summa tai protoneja ja neutroneja, on vain ujo 56 grammaa moolia kohti, mikä tarkoittaa, että sen kemiallisesti vakaimmassa muodossa on (56 - 26) = 30 neutronia.

Raudalla on joitain valtavia fysikaalisia ominaisuuksia. Sen tiheys on 7,87 g / cm³, joten se on lähes kahdeksan kertaa niin tiheä kuin vesi. (Tiheys on massa tilavuusyksikköä kohti; vedet määritellään 1,0 g / cm3)³ rauta on kiinteä aine 20 ° C: n lämpötilassa (68 F), ja sitä pidetään kemiallisissa tarkoituksissa yleensä "huoneenlämpötila". Sen sulamispiste on erittäin korkea 1538 C (2800 F), kun taas sen kiehumispiste - ts. Lämpötila, jossa nestemäinen rauta alkaa haihtua ja muuttua kaasuksi - on polttava 2861 C (5182 F). Ei siis ihme, että metallintyöstössä käytettävien uunien on oltava todellakin erittäin tehokkaita.

Raudan osuus massasta on neljänneksi yleisin elementti maankuoressa. Raudan kokonaisosuus maapallosta voi kuitenkin olla huomattavasti suurempi, kun otetaan huomioon, että planeettojen sulan ytimen uskotaan koostuvan pääasiassa nesteytetystä raudasta, nikkelistä ja rikistä. Kun kaivostoiminnassa louhitaan rautaa maasta, se on malmin muodossa, joka on alkuainerauta sekoitettuna yhteen tai useampaan kivimuotoon. Yleisin rautamalmityyppi on hematiitti, mutta magnetiitti ja takoniitti ovat myös tämän metallin merkittäviä lähteitä.

Raudan ruosteet tai syövyttävät, erittäin helposti muihin metalleihin verrattuna. Tämä aiheuttaa ongelmia insinööreille, koska tällä hetkellä yhdeksän kymmenesosa jalostetusta metallista sisältää rautaa.

Raudan käyttö

Suurin osa ihmisille louhitusta raudasta kääntyy teräksen muodossa. "Teräs" on seos, joka tarkoittaa metallien seosta. Tämän tuotteen suosittua muotoa kutsutaan nykyään hiiliteräkseksi, joka on hiukan harhaanjohtava, koska hiili muodostaa vain pienen osan tämän teräksen massasta kaikissa muodoissaan. Hiiliteräksen hiilimuotoisimmassa muodossa hiilen osuus on noin 2 prosenttia metallin massasta; tämä luku voi olla välillä 1/10 kymmenesosasta menettämättä metallia otsikkoa "hiiliteräs".

Hiiliteräs voidaan vuorostaan ​​strategisesti väärentää muiden metallien kanssa, jotta saadaan seoksia, joilla on tietyt toivotut ominaisuudet. Esimerkiksi ruostumaton teräs on hiiliteräksen muoto, jossa on merkittävä määrä kromia - yli 10 massaprosenttia. Tämä materiaali on tunnettu kestävyydestään ja taipumuksestaan ​​säilyttää kiiltävä, kiiltävä ulkonäkö pitkään, johtuen sen korkeasta korroosionkestävyydestä. Ruostumattomasta teräksestä löytyy näkyvästi arkkitehtuuria, kuulalaakereita, kirurgisia instrumentteja ja ruokailuvälineitä. Mahdollisuudet ovat hyvät, että jos näet heijastuksesi selvästi puhtaasti metallipinnalla, katsot jonkinlaista ruostumatonta terästä.

Kun teräkseen integroidaan kohtuulliset määrät metalleja, kuten nikkeli, vanadiini, volframi ja mangaani, se tekee jo kovasta aineesta vielä vaikeamman; nämä seosteräkset ovat siksi sopivia sisällytettäväksi siltoihin, leikkausinstrumenteihin ja sähköverkkokomponenteihin.

Ei-teräs rautatyyppi, nimeltään valurauta, sisältää suuren määrän hiiltä (vähintään rautametallityöstandardien mukaan): 3 - 5 prosenttia. Valurauta ei ole yhtä kova kuin teräs, mutta se on huomattavasti halvempaa, joten siirryttäessä teräksestä valurautaksi teet saman yleisen vaihtokaupan, jota teet, kun siirryt alkupäästä 70-prosenttiseen vähärasvaiseen hampurilaan.

Kuinka rautaa tehdään?

Rauta maan päällä on valmistettu tai uutettu asianmukaisemmin rautamalmista. Rautamalmin "kallio-osa" sisältää happea, hiekkaa ja saveja vaihtelevina määrinä malmin tyypistä riippuen. Rautatehtaan tehtävänä, kuten varhaisimpia sellaisia ​​tehtaita kutsuttiin, on poistaa niin suuri osa kivistä ja muusta hiekasta kuin mahdollista jättäen rautaa taaksepäin - periaatteessa vähän erilaista maapähkinän kuorinnasta tai appelsiinin kuorimisesta hyvää päästä varten paitsi, että rautamalmin tapauksessa rautaa ei ympäröi vain kertakäyttöinen materiaali; se sekoittuu siihen.

Rautateosten pelottavista lämpötiloista ja yleisistä fyysisistä haasteista huolimatta ihmiset käyttivät niitä jo esikristillisinä aikoina. Rautatyöstö pääsi Britannian saarille ensin Manner-Euroopassa ja Länsi-Aasiassa 5. vuosisadalla. Silloin rauta erotettiin fyysisesti mahdollisimman paljon ei-toivotusta materiaalista käyttämällä vain puuhiiltä, ​​savea ja itse malmia, joka oli lämmitetty lämpötilaan, joka oli vaatimattoman verrattuna seuraavaan. Sulatus oli joka tapauksessa meneillään 1500 B.C., mutta melkein 30 vuosisataa myöhemmin, 1400-luvulla, keksittiin masuuni, joka muutti "teollisuutta" (sellaisena kuin se oli) radikaalisti ja ikuisesti.

Nykyään rautaa valmistetaan kuumentamalla hematiittia tai magnetiittia masuunissa yhdessä hiilen muodon kanssa, jota kutsutaan "koksiksi", sekä kalsiumkarbonaattia (CaCO).₃), tunnetaan paremmin kalkkikivina. Tämä tuottaa yhdisteen, joka sisältää noin 3 prosenttia hiiltä ja muita ainesosia - ei ole ihanteellisia laadussa, mutta riittävän hyviä teräksen valmistukseen. Raakaterästä tuotetaan ympäri maailmaa vuosittain noin 1,3 miljardia tonnia (noin 1,43 miljardia Yhdysvaltain tonnia tai lähes 3 biljoonaa puntaa).

Mistä rauta tuli?

Mistä ruostumattomasta teräksestä valmistetun astianpesukoneesi tai puuhella "tulee" rautaa, on kenties vähemmän mielenkiintoinen kysymys kuin kuinka rauta tuli olemassa kaikkialla maailmankaikkeudessa. Rautaa pidetään raskaana alkuaineena, ja tämän tyyppisiä elementtejä voidaan luoda vain katastrofaalisissa "tähtikuoleman" tapahtumissa, joita kutsutaan supernovoiksi. Vaikka suurin osa tähdistä hiipuu, kun ne palavat vetypolttoaineensa kautta, jotkut tähdet kirjaimellisesti sammuvat räjähdyksellä.

Nämä ovat tilastollisesti harvinaisia ​​tapahtumia, joita esiintyy vain muutaman kerran sadan vuoden aikana koko Linnunradan galaksin alueella, massiivisesti hitaasti pyörivää tähtiä ja muuta ainetta kutsuttaessa ihmisiksi. Mutta ne ovat myös elintärkeitä. Ilman niitä ei olisi voimia, jotka aiheutuvat suurten pienten elementtien sulautumisesta yhteen iskuihin ja luomaan vielä suurempia elementtejä, kuten rauta, kupari, elohopea, kulta, jodi ja lyijy. Ja koko ajan, tietty osa näistä elementeistä kulkee pitkiä matkoja avaruuden läpi ja asettuu maan päälle, joskus meteoriittiiskujen muodossa.

Kuinka alkuaineet muodostuvat luonnossa?

Raudan uskotaan edustavan likimääräistä raja-arvoa elementteinä, jotka voidaan tuottaa tavanomaisilla tähdenpolttoprosesseilla (ikään kuin nämä prosessit ovat todella "tavallisia" millään tavalla) ja sellaisissa, joita vain supernovat voivat luoda.

Suurin osa alkioista - happi, atominumero 8, läpi, mutta luultavasti ilman rautaa, atominumero 26 - valmistetaan heti, kun tähti alkaa tyhjentää vedynsaantiaan. Tähti "palaa" sillä, että sille tapahtuu jatkuvasti lukemattomia fuusioreaktioita vedyn kanssa, kevyin elementti (atominumero 1) törmää muihin vetyatomeihin muodostaen heliumin (atominumero 2). Lopulta tähden sisimmässä osassa heliumiatomit törmäävät ryhmiin hiilen muodostamiseksi (atominumero 6).

Rauta ihmiskehossa

Tunnustat todennäköisesti raudan välttämättömyydeksi ihmisten ruokavaliossa yksinomaan elintarvikevalmistajien mainostamien väitteiden perusteella ("Tämä vilja sisältää 100 prosenttia Yhdysvaltojen suosittelemasta raudan päiväannosta!"). Et ehkä tiedä miksi näin on.

Kuten käy ilmi, tyypillinen ihmiskeho sisältää noin 4 grammaa rautaa. Se ei ehkä kuulosta paljolta, mutta miksi kehosi tarvitsisi siinä metallia? Itse asiassa rauta on olennainen osa hemoglobiinia, happea sitovaa proteiinia, jota löytyy punasoluista (RBC). RBC: t kuljettavat happea keuhkoista kudoksiin, missä sitä käytetään soluhengitykseen.

Kun ihmisistä puuttuu raudan puute riittämättömän ravinnonsaannin (rautaa löytyy lihasta, erityisesti elinlihasta, samoin kuin tietyistä jyvistä) tai systeemisten sairaustilojen takia, RBC: t eivät voi tehdä työnsä kunnolla. Tässä tilassa, jota kutsutaan anemiaksi, ihmisiltä tulee hengästyneitä vaatimattoman rasituksen jälkeen, ja he kärsivät usein väsymyksestä, päänsärkystä ja yleisestä heikkoudesta. Vakavissa tapauksissa verensiirtoa voidaan tarvita anemian korjaamiseksi, vaikka tyypillisesti korjaus tehdään täydentämällä rautaa sisältäviä pillereitä ja nesteitä.