پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
آهن عنصر شیمیایی فلزی ای با نماد Fe، عدد اتمی 26 و چگالی 7.87g/cm3 است، آهن در گروه 8 و دوره 4 عناصر است، بنابراین به عنوان فلز واسطه دسته‌بندی شده است. آهن و آلیاژهای آن از رایج‌ترین فلزات و رایج‌ترین مواد فرومغناطیسی در کاربردهای روزمره هستند. آهن دارای سطوح صاف و نقره ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید که به آنها اکسید درای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم تر از آلمینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می تواند 1000 بار سخت تر از آهن خالص باشد. Fe56 سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرآیند 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 هسته فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.
ویژگی‌ها
آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده می شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O3 توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهن را می توان با تولید آلیاژ هایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هسته اتم‌های آهن دارای تقریبا بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni62 دارای انرژی بیشتر از آن می باشد. هرچند فراوانترین نوکلیدهای پایدار همان Fe56 می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته ای در ستاره‌های شکل گرفته است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل 62 نیز استخراج می گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرآیند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالا در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همینطور است. آهن (آهن Fe+2، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریبا تمام موجودات زنده از آن استفاده می کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می کنند و به گونه ای تکامل یافته اند که عناصر گوناگونی را در فرآیندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه و 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 می کنند.
خواص مکانیکی
خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل، راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می رود. اندازه گیری‌ها نشان می دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتا بستگی به خلوص دارد به گونه ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده اند از آلمینیوم نرم ترند، افزودن تنها 10 قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا 0/2% و اشباع شده تقریبا در 0/6% به سرعت افزایش می یابد. خالص‌ترین آهن تولید شده صنعتی (تقریبا 99/99% خلوص) دارای سختی 20-30 برنیل است.
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 می شود همانطور که آهن ذوب شده سرد می‌شود در دمای 1538 درجه 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 1394 درجه سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته می‌شود، در دمای 912 درجه سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریت می‌شود و در 770 درجه سانتی گراد (نقطه 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 می دهد ( هر حوزه شامل اتم‌های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص می باشد). در آهن غیر مغناطیسی شده همه اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزه مجاور آنها جهات متفاون و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همه حوزه‌ها همجهت شده اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می کنند اگر چه هر حوزه شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود 10 میکرون می باشند. 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 می باشند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولاد هایی با کیفیت خوب می باشد. آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتا نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین ( نه بیش از 0/021% از جرم در 910 درجه سانتی گراد) می باشد. در دماهای بالای 912 درجه سانتی گراد و تا 1400 درجه 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 می کند. این آهن نیز نرم است اما می تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان 2/4% جرمی در دمای 1146 درجه سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می رود استفاده می شود.
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 5% از پوسته زمین را تشکیل می دهد، اعتقاد بر این است که هسته زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده است که 35% جرم کل زمین را تشکیل می دهد، بنابر این آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوسته زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی می باشد. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می شود. حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (35-80% آهن) و کاماسیت (90-95% آهن) تشکیل شده اند. اگر چه نادر، شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین می باشند. تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.
ایزوتوپ‌ها
آهن به طور طبیعی متشکل از 4 ایزوتوپ: 5/848% رادیواکتیو Fe54 (نیمه عمر بزرگتر از 3/1 × 22 10سال) ، 91/754% Fe56 پایدار ، 2/119% از Fe57پایدار و 0/282% از Fe58 پایدار می باشد. Fe60 یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (1/5 میلیون سال)می باشد. بیشتر کارهای قبلی در اندازه گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe60 تولید شده از فرایندهای همراه با نکلئو سنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده است. هرچند در دهه اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف سنجی جرمی اجازه تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت‌های ایزوتوپ‌های پایدار آهن را داده است.
ویژهٔ دانشمندان هسته ای می باشد. تصور غلط رایج این است که این ایزوتوپ پایدارترین هسته ممکن است و لذا انجام شکافت یا همجوشی در Fe56 و آزاد سازی انرژی از آن غیر ممکن است این مطلب درست نیست، چرا که هم Ni62 و هم Fe58 پایدار ترند و پایدارترین هسته می باشند. هرچند چون نیکل Ni56 در واکنش‌های هسته ای سوپر نوا در فرایند α از هسته‌های سبکتر به گونه ای بسیار آسانتر تولید می‌شود، نیکل 56 (ذرات آلفای 14)آخرین نقطهٔ زنجیرهٔ همجوشی در ستاره‌های بسیار عظیم می‌باشد، و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی-60 را تولید می‌کند که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد. این نیکل 56، که دارای نیمه عمر حدود 6 سال است به مقدار زیاد در این ستاره‌ها ساخته می‌شود اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تاخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی مانده از سوپر نوا به اولین رادیو اکتیو کبالت 56، و سپس آهن 56 پایدار متلاشی می شود. این هستهٔ اخیر بنابر این در همه جای دنیا در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریبا مشابه دارای فراوانی بیشتریست. در فازهای شهاب سنگ‌های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na60، محصول دختر Fe60، و فراوانی ایزوتوپ‌های آهن پایدار قابل مشاهده بود که نشان از وجود Fe60 در زمان تشکیل منظومهٔ شمسی دارد. احتمالا انرژی رها شده از فروپاشی آهن 60 همراه با انرژی رها شده از فروپاشی رادیونیکلاید Al26 در ذوب دوباره و افتراق سیارات بعد از تشکیل آنها در 4/6 بیلیون سال پیش مشارکت داشته است. فراوانی Na60 موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است اطلاعات بیشتری نسبت به منشا منظومهٔ شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ‌های پایدار، تنها Fe57 یک اسپین هسته ای (-1/2) دارد.
شیمی و ترکیبات [ویرایش]آهن ترکیباتی را ایجاد می‌کند که عمدتا در حالت‌های اکسیداسیون +2 و +3 هستند به طور سنتی، ترکیبات آهن II فروس نامیده می شوند و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده می شود. ترکیبات زیادی در هر یک از حالات اکسیداسیون وجود دارد که مثال هایی از آن شامل سولفات آهن (II) (FeSo4) و کلرید آهن (III) (FeCl3) می باشد. 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 24] شامل یک مرکز آهن، (Vi)بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شدهٔ آن می‌باشد و مثلا در فریت پتاسیم (کا دو اف ای اُ 4) وجود دارد. ترکیبات اورگانومتالیک بی شماری (مثل پنتا کربنیل آهن) وجود دارند که دارای آهن زیرو ولنت (یا کمتر) هستند.
تاریخچه [ویرایش]اولین آهن شکل گرفته که توسط نوع 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 1200-1800 پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود 1500 پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده است). چدن برای اولین بار در حدود 550 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 ریخته گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرآیندها از ذغال 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 فرآیند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون ذغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند . در اواخر دههٔ 1850، هنری بسمر فرآیند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرآیند و دیگر فرآیندهای ابداع شده در قرن 19 و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.
کانی‌ها [ویرایش]آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد. در میان کانه‌های مهم آن می‌توان از هماتیت، مگنتیت، پیریت و کالکوپیریت را نام برد.