Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số hiệu nguyên tử bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB chu kỳ 4.
Lịch sử
Những dấu hiệu đầu tiên về việc sử dụng sắt là ở những người Sumeria và người Ai Cập vào khoảng 4000 năm TCN, các đồ vật nỏ như mũi giáo và đồ trang trí, đã được làm từ sắt lấy từ các thiên thạch. Vì các thiên thạch rơi từ trên trời xuống nên một số nhà ngôn ngữ học phỏng đoán rằng từ tiếng Anh iron, là từ có cùng nguồn gốc với nhiều ngôn ngữ ở phía bắc và tây châu Âu, có xuất xứ từ tiếng Etruria aisar có nghĩa là "trời".
Vào khoảng những năm 3000 đến 2000 Trước Công Nguyên (TCN), đã xuất hiện hàng loạt các đồ vật làm từ sắt nóng chảy (phân biệt rõ với sắt từ thiên thạch do thiếu niken trong sản phẩm) ở Lưỡng Hà, Anatolia và Ai Cập. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng có lẽ là thuộc về hình thức trong tế lễ, và sắt đã là kim loại rất đắt, hơn cả vàng. Trong Illiad, các vũ khí chủ yếu làm từ đồng thau, nhưng các thỏi sắt đã được sử dụng trong buôn bán. Một số nguồn (xem phần tham khảo Cái gì tạo ra thời đại đồ sắt? dưới đây) cho rằng sắt được tạo ra khi đó như sản phẩm đi kèm của việc tinh chế đồng, như là những bọt sắt, và không được tái sản xuất bởi ngành luyện kim khi đó. Vào khoảng năm 1600 đến 1200 TCN, sắt đã được sử dụng nhiều hơn ở Trung Cận Đông, nhưng vẫn chưa thay thế được sự thống trị của đồng thau.
Trong thời kỳ từ thế kỷ 12 đến thế kỷ 10 TCN, đã có sự chuyển đổi nhanh chóng từ công cụ, vũ khí đồng thau sang sắt ở Trung Cận Đông. Yếu tố quyết định của chuyển đổi này không phải là sự xuất hiện của các công nghệ luyện sắt cao cấp hơn mà là sự cạn kiệt của các nguồn cung cấp thiếc. Thời kỳ chuyển đổi này diễn ra không đồng thời trên thế giới, là dấu hiệu cho thời kỳ văn minh mới được gọi là Thời đại đồ sắt.
Cùng với việc chuyển đổi từ đồng thau sang sắt là việc phát hiện ra quy trình cacbua hóa, là quy trình bổ sung thêm cacbon vào sắt. Sắt được thu lại như bọt sắt, là hỗn hợp của sắt với xỉ với một ít cacbon và/hoặc cacbua, sau đó nó được rèn và tán phẳng để giải phóng sắt khỏi xỉ cũng như ôxi hóa bớt cacbon, để tạo ra sắt non. Sắt non chứa rất ít cacbon và không dễ làm cứng bằng cách làm nguội nhanh. Người Trung Đông đã phát hiện ra là một số sản phẩm cứng hơn có thể được tạo ra bằng cách đốt nóng lâu sắt non với than củi trong lò, sau đó làm nguội nhanh bằng cách nhúng vào nước hay dầu. Sản phẩm tạo thành có bề mặt của thép, là cứng hơn và ít gãy hơn đồng thau, là thứ đang bị thay thế dần.
Thuộc tính
Một nguyên tử sắt điển hình có khối lượng gấp 56 lần khối lượng một nguyên tử hiđrô điển hình. Sắt là kim loại phổ biến nhất, và người ta cho rằng nó là nguyên tố phổ biến thứ 10 trong vũ trụ. Sắt cũng là nguyên tố phổ biến nhất (theo khối lượng, 34.6%) tạo raTrái Đất; sự tập trung của sắt trong các lớp khác nhau của Trái Đất dao động từ rất cao ở lõi bên trong tới khoảng 5% ở lớp vỏ bên ngoài; có thể phần lõi của Trái Đất chứa các tinh thể sắt mặc dù nhiều khả năng là hỗn hợp của sắt và niken; một khối lượng lớn của sắt trong Trái Đất được coi là tạo ra từ trường của nó. Ký hiệu của sắt Fe là từ viết tắt của ferrum, từ Latinh của sắt.Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất khó tìm thấy nó ở dạng tự do. Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng phương pháp khử hóa học. Sắt được sử dụng trong sản xuất gang và thép, đây là các hợp kim, là sự hòa tan của các kim loại khác (và một số á kim hay phi kim, đặc biệt là cacbon).
Hạt nhân của sắt có năng lượng liên kết cao nhất, vì thế nó là nguyên tố nặng nhất được sản xuất trong các phản ứng nhiệt hạch và là nhẹ nhất trong phản ứng phân rã hạt nhân.
Ứng dụng
- Gang thô chứa 4% – 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác như lưu huỳnh, silic, phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sang thép cũng như các loại gang đúc (gang trắng và gang xám).
- Gang đúc chứa 2% – 3.5% cacbon và một lượng nhỏ mangan. Các chất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, như lưu huỳnh và phốt pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được. Nó có điểm nóng chảy trong khoảng 1420–1470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó, làm cho nó là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau. Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ. Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng, nó có xu hướng phá vỡ hình dạng của vật.
- Sắt non chứa ít hơn 0,5% cacbon. Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy như gang thô. Nó có rất ít cacbon. Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất này rất nhanh.
- Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, như crôm, vanađi, môlipđen, niken,vonfram, v.v.
- Ôxít sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này.
Sản xuất
Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất, chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất. Phần lớn sắt được tìm thấy trong các dạng ôxít sắt khác nhau, chẳng hạn như khoáng chất hematit, magnetit, taconit. Khoảng 5% các thiên thạch chứa hỗn hợp sắt-niken. Mặc dù hiếm, chúng là các dạng chính của sắt kim loại tự nhiên trên bề mặt Trái Đất.Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng của nó, chủ yếu là từ hêmatit (Fe2O3) và magnêtit (Fe3O4) bằng cách khử với cacbon trong lò luyện kim sử dụng luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng 2000 °C. Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon trong dạng than cốc, và các chất tẩy tạp chất như đá vôi được xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từ phía dưới.
Than cốc phản ứng với ôxy trong luồng không khí tạo ra mônôxít cacbon:
- 2 C + O2 → 2 CO
- 3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2
- CaCO3 → CaO + CO2
- CaO + SiO2 → CaSiO3
Việc khai thác quặng sắt diễn ra trên 48 quốc gia, nhưng 5 nhà sản xuất lớn nhất là Trung Quốc, Brasil, Úc, Nga và Ấn Độ, chiếm tới 70% lượng quặng khai thác trên thế giới. 1,1 tỷ tấn quặng sắt này được sử dụng để sản xuất ra khoảng 572 triệu tấn sắt thô.
Vai trò sinh học
Sắt có vai trò rất cần thiết đối với mọi cơ thể sống, ngoại trừ một số vi khuẩn. Nó chủ yếu liên kết ổn định bên trong các prôtêin kim loại, vì trong dạng tự do nó sinh ra các gốc tự do nói chung là độc với các tế bào. Nói rằng sắt tự do không có nghĩa là nó tự do di chuyển trong các chất lỏng trong cơ thể. Sắt liên kết chặt chẽ với mọi phân tử sinh học vì thế nó sẽ gắn với các màng tế bào, axít nucleic, prôtêin v.v.Trong cơ thể động vật sắt liên kết trong các tổ hợp heme (là thành phần thiết yếu của cytochromes), là những prôtêin tham gia vào các phản ứng ôxi hóa-khử (bao gồm nhưng không giới hạn chỉ là quá trình hô hấp) và của các prôtêin chuyên chở ôxy như hêmôglôbin và myôglôbin.
Sắt vô cơ tham gia trong các phản ứng ôxi hóa-khử cũng được tìm thấy trong các cụm sắt-lưu huỳnh của nhiều enzym, chẳng hạn như các enzym nitrogenase (tham gia vào quá trình tổng hợp amôniắc từ nitơ và hiđrô) và hydrogenase. Tập hợp các prôtêin sắt phi-heme có trách nhiệm cho một dãy các chức năng trong một số loại hình cơ thể sống, chẳng hạn như các enzym mêtan mônôôxygenase (ôxi hóa mêtan thành mêtanol), ribonucleotide reductase (khử ribose thành deoxyribose; tổng hợp sinh học DNA),hemerythrins (vận chuyển ôxy và ngưng kết trong các động vật không xương sống ở biển) và axít phosphatase tía (thủy phân các este phốt phát). Khi cơ thể chống lại sự nhiễm khuẩn, nó để riêng sắt trong prôtêin vận chuyển transferrin vì thế vi khuẩn không thể sử dụng được sắt.
0 nhận xét:
Đăng nhận xét