آهن

ویژگی‌ها

آهن دارای سطح صاف و نقره‌ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه‌ای در می‌آید که به آن‌ها اکسید دارای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می‌شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم‌تر از آلومینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می‌شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می‌تواند ۱۰۰۰ بار سخت‌تر از آهن خالص باشد.
Fe۵۶ سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرایند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است که با عناصر سنگین‌تر از آهن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان‌ترین عنصر در غول‌های قرمز است، و فراوان‌ترین فلز در شهاب‌سنگ‌ها و در هستهٔ فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.
آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت به آسانی اکسیده می‌شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به‌طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O۳ توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهن را می‌توان با تولید آلیاژهایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هستهٔ اتم‌های آهن تقریباً دارای بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni۶۲ دارای انرژی بیشتر از آن است.
هرچند فراوان‌ترین نوکلید پایدار همان Fe۵۶ است، این آهن از طریق همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های شکل گرفته‌است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل ۶۲ نیز استخراج می‌گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرایند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالاً در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همین‌طور است.
آهن (آهن Fe+۲، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریباً تمام موجودات زنده از آن استفاده می‌کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده‌ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می‌کنند و به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که عناصر گوناگونی را در فرایندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه یا هموسیانین به جای هموگلوبین. آنزیم‌های حاوی آهن معمولاً دارای گروه‌های هموپروستاتیک هستند که در تجزیهٔ واکنش‌های اکسیداسیون در زیست‌شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می‌کنند.

آهن در بدن

آهن یکی از عناصر ضروری و مورد نیاز بدن است و وظایف مهمی را بر عهده دارند که عبارت‌اند از:

جذب آهن

گوشت مرغ و ماهی و گوشت قرمز خصوصاً ویتامین ث، به جذب آهن کمک فوق‌العاده‌ای می‌کنند.
همچنین چای و قهوه نیز مانع از جذب آهن می‌شوند.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل و راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه‌ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می‌رود.
اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتاً بستگی به خلوص دارد به گونه‌ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده‌اند از آلومینیوم نرم ترند، افزودن تنها ۱۰ قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می‌کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا ۰/۲٪ و اشباع شده تقریباً در ۰/۶٪ به سرعت افزایش می‌یابد. خالص‌ترین آهن تولید شدهٔ صنعتی (تقریباً ۹۹/۹۹٪ خلوص) دارای سختی ۲۰–۳۰ برنیل است.

آهن در گیاهان

عنصر آهن یکی از ریز مغذی‌های ضروری برای ادامه حیات گیاهان است، به طوری که اگر آهن به مقدار کافی در اختیار گیاه قرار نگیرد، گیاه دچار بیماری فقر آهن یا همان زردبرگی می‌شود که در این حالت چرخه فتوسنتز دچار اختلال شده و با کاهش جدی رشد و باردهی محصول مواجه خواهد شد. ماده غذایی آهن، یکی از عناصر غذایی کم مصرف است که وجود آن به اندازه کافی برای رشد گیاهان زراعی و باغی لازم است و در تشکیل سبزینه گیاهان نقش ارزنده ای دارد. آهن گرچه درساختار کلروفیل وجود ندارد ولی در سنتز آن نقش مهمی دارد. این عنصر به شکل مختلف کانی در خاک وجود دارد.

شکل مختلف

آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگروارگی در یک فلز باشد، سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α، ϒ و δ شناخته می‌شود.
همان‌طور که آهن ذوب شده سرد می‌شود در دمای ۱۵۳۸ درجهٔ سانتی گراد به آلوتروپ δ کریستالیزه می‌شود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست، همان‌طور که بیشتر سرد می‌شود ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای ۱۳۹۴ درجهٔ سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می‌یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته می‌شود، در دمای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریت می‌شود و در ۷۷۰ درجهٔ سانتی گراد (نقطهٔ کوری، TC) آهن مغناطیسی می‌شود، هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می‌کند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می‌دهد (هر حوزه شامل اتم‌های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص است). در آهن غیر مغناطیسی شده همهٔ اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزهٔ مجاور آن‌ها جهات متفاوت هستند و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می‌کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همهٔ حوزه‌ها هم جهت شده‌اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می‌کنند اگر چه هر حوزه، شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آن‌ها خیلی کوچک و در حدود ۱۰ میکرون هستند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط می‌شود تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود، انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که درای خواص متفاوتی هستند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولادهایی با کیفیت خوب است.
آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتاً نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین (نه بیش از ۰/۰۲۱٪ از جرم در ۹۱۰ درجهٔ سانتی گراد) است.
در دماهای بالای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد و تا ۱۴۰۰ درجهٔ سانتی گراد آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بدن مرکزی به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهن ϒ را که استانیت نیز نامیده می‌شود تجربه می‌کند. این آهن نیز نرم است اما می‌تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان ۲/۴٪ جرمی در دمای ۱۱۴۶ درجهٔ سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضدزنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می‌رود استفاده می‌شود.

پیدایش

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره‌های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می‌شود در حالی که آهن حدود ۵٪ از پوستهٔ زمین را تشکیل می‌دهد، اعتقاد بر این است که هستهٔ زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده‌است که ۳۵٪ جرم کل زمین را تشکیل می‌دهد، بنابراین آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوستهٔ زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی است. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می‌شود.
حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (۳۵–۸۰٪ آهن) و کاماسیت (۹۰–۹۵٪ آهن) تشکیل شده‌اند. اگر چه تعداد اندکی از شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین هستند.
تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

ایزوتوپ‌ها

آهن به‌طور طبیعی متشکل از ۴ ایزوتوپ: ۵/۸۴۸٪ رادیواکتیو Fe۵۴ (نیمه عمر بزرگتر از ۳/۱ × ۲۲ ۱۰سال)، ۹۱/۷۵۴٪ Fe۵۶ پایدار، ۲/۱۱۹٪ از Fe۵۷پایدار و ۰/۲۸۲٪ از Fe۵۸ پایدار است. Fe۶۰ یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (۱/۵ میلیون سال) است.
بیشتر کارهای قبلی در اندازه‌گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe۶۰ تولید شده از فرایندهای همراه با نکلئو سنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده‌است. هرچند در دههٔ اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف‌سنجی جرمی اجازهٔ تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت‌های ایزوتوپ‌های پایدار آهن را داده‌است. بیشتر این کار به وسیلهٔ انجمن‌های علوم زمین و سیاره‌ای انجام شده‌است، هرچند کاربردهای آن در سیستم‌های بیولوژیک و صنعتی در حال آغاز شدن است.
فراوان‌ترین ایزوتوپ آهن Fe۵۶ مورد توجه ویژهٔ دانشمندان هسته‌ای است. تصور غلط رایج این است که این ایزوتوپ پایدارترین هسته ممکن است و لذا انجام شکافت یا همجوشی در Fe۵۶ و آزادسازی انرژی از آن غیرممکن است این مطلب درست نیست، چرا که هم Ni۶۲ و هم Fe۵۸ پایدار ترند و پایدارترین هسته هستند. هرچند چون نیکل Ni۵۶ در واکنش‌های هسته‌ای سوپر نوا در فرایند α از هسته‌های سبک‌تر به گونه‌ای بسیار آسانتر تولید می‌شود، نیکل ۵۶ (ذرات آلفای ۱۴)آخرین نقطهٔ زنجیرهٔ همجوشی در ستاره‌های بسیار عظیم است، و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی-۶۰ را تولید می‌کند که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد. این نیکل ۵۶، که دارای نیمه عمر حدود ۶ سال است به مقدار زیاد در این ستاره‌ها ساخته می‌شود اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تأخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی‌مانده از سوپر نوا به اولین رادیو اکتیو کبالت ۵۶، و سپس آهن ۵۶ پایدار متلاشی می‌شود. این هستهٔ اخیر بنابراین در همه جای دنیا در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریباً مشابه دارای فراوانی بیشتریست.
در فازهای شهاب سنگ‌های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na۶۰، محصول دختر Fe۶۰، و فراوانی ایزوتوپ‌های آهن پایدار قابل مشاهده بود که نشان از وجود Fe۶۰ در زمان تشکیل منظومهٔ شمسی دارد. احتمالاً انرژی رها شده از فروپاشی آهن ۶۰ همراه با انرژی رها شده از فروپاشی رادیونیکلاید Al۲۶ در ذوب دوباره و افتراق سیارات بعد از تشکیل آن‌ها در ۴/۶ بیلیون سال پیش مشارکت داشته‌است. فراوانی Na۶۰ موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است اطلاعات بیشتری نسبت به منشأ منظومهٔ شمسی و تاریخ
ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ‌های پایدار، تنها Fe۵۷ یک اسپین هسته‌ای (-۱/۲) دارد.

ترکیبات معدنی

آهن ترکیباتی را ایجاد می‌کند که عمدتاً در حالت‌های اکسیداسیون +۲ و +۳ هستند. به‌طور سنتی، ترکیبات آهن II فروس نامیده می‌شوند و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده می‌شود. ترکیبات زیادی در هر یک از حالات اکسیداسیون وجود دارد که مثال‌هایی از آن شامل سولفات آهن (II) (FeSo4) و کلرید آهن (III) (FeCl3) است.
همچنین مثال‌های بیشماری از ترکیباتی که شامل اتم‌های آهن در هر دوی این حالات اکسیداسیون وجود دارد مانند مگنتیک و آبی پروسی. آنیون منفی فریت [Fe ۲۴] شامل یک مرکز آهن، (Vi)بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شدهٔ آن است و مثلاً در فریت پتاسیم (کا دو اف ای اُ ۴) وجود دارد. ترکیبات آلی بی‌شماری (مثل پنتا کربنیل آهن) وجود دارند که دارای آهن زیرو ولنت (یا کمتر) هستند.

تاریخچه

اولین آهن شکل گرفته که توسط بشر در دورهٔ پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ‌ها آمده بود. ذوب آهن در کوره‌ها در هزارهٔ دوم پیش از میلاد شروع شد، آثار مکشوفه از آهن ذوب شده از ۱۲۰۰–۱۸۰۰ پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود ۱۵۰۰سال پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می‌رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده‌است).
چدن برای اولین بار در حدود ۵۵۰ سال پیش از میلاد در چین تولید شد اما در اروپا تا سال‌های قرون وسطا تولید نشد، در طول دوران قرون وسطا ابزاری در اروپا کشف شد که از آهن شکل یافته از چدن (pig Iron) با استفاده از ریخته‌گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرایندها از زغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد.
فولاد (که با کربن کمتر از pig Iron است اما آهن شکل یافته بیشتری دارد) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش‌های تازهٔ تولید آن به وسیلهٔ میله‌های کربنیزه کردن آهن در فرایند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون زغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند. در اواخر دههٔ ۱۸۵۰، هنری بسمر فرایند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرایند و دیگر فرایندهای ابداع شده در قرن ۱۹ و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.

کانی‌ها

آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد. در میان کانه‌های مهم آن می‌توان از هماتیت، مگنتیت، لیمونیت و گوتیت را نام برد.