Sắt

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 nhỏ 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 Etruriaaisarcó nghĩa là "trời".

Vào khoảng những năm 3000 đến 2000 TrướcCông Nguyên(TCN), đã xuất hiện hàng loạt các đồ vật làm từ sắt nóng chảy ởLưỡng Hà,Anatoliavà Ai Cập. Vào khoảng năm 1600 đến 1200 TCN, sắt đã được sử dụng nhiều hơn ởTrung Cận Đông, nhưng vẫn chưa thay thế được sự thống trị của đồng thau.

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/hoặccacbua, 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 vớithan củitrong lò, sau đó làm nguội nhanh bằng cách nhúng vào nước hay dầu. Sản phẩm tạo thành có bề mặt của thép, cứng hơn và ít gãy hơn đồng thau, là thứ đang bị thay thế dần.

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 ra Trái 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 Felà 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.

Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế được, đặc biệt trong các ứng dụng như sản xuấtô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng. Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại khác của sắt như:

*Gang thô( gang lợn ) chứa 4% – 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác nhưlưu huỳnh,silic,phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sangthépcũng như các loại gang đúc (gang trắngvàgang xám).

*Gang đúcchứa 2% – 3.5% cacbon và một lượng nhỏmangan. 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.

*Thép carbonchứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, phốt pho và silic.

*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 loạithép hợp kimchứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, nhưcrôm,vanađi,môlipđen,niken,vonfram, v.v.

* Ôxít sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trongmáy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này.

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 chấthematit,magnetit,taconit. Khoảng 5% cácthiên thạchchứa 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 (Fe ₂O ₃) và magnêtit (Fe ₃O ₄) 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 dạngthan cốc, và các chất tẩy tạp chất nhưđá vôiđược xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từ phía dưới.

Than cốc phản ứng vớiôxytrong luồng không khí tạo ra mônôxít cacbon:

2 C + O ₂→ 2 CO

Cacbon mônôxít khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây là hêmatit) thành sắt nóng chảy, và nó trở thành điôxít cacbon:

3 CO + Fe ₂O ₃→ 2 Fe + 3 CO ₂

Chất khử tạp chất được thêm vào để khử các tạp chất có trong quặng (chủ yếu là điôxít siliccátvà các silicat khác). Các chất khử tạp chất chính là đá vôi (cacbonat canxi) và đôlômit (cacbonat magiê). Các chất khử tạp chất khác có thể cho vào tùy theo các tạp chất có trong quặng. Trong sức nóng của lò luyện đá vôi bị chuyển thànhvôi sống(CaO):

CaCO ₃→ CaO + CO ₂

Sau đó ôxít canxi kết hợp với điôxít silic tạo raxỉ.

CaO + SiO ₂→ CaSiO ₃

Xỉ nóng chảy trong lò luyện (điôxít silic thì không). Ở phần dưới của lò luyện, xỉ nóng chảy do nhẹ hơn nên nổi lên phía trên sắt nóng chảy. Các cửa lò có thể được mở để tháo xỉ hay sắt nóng chảy. Sắt khi nguội đi, tạo ragang thô, còn xỉ có thể được sử dụng để làm đường hay để cải thiện các loại đấtnông nghiệpnghèo khoáng chất.

Khoảng 1,1 tỷ tấn quặng sắt được sản xuất trên thế giới vào năm 2000, với tổng trị giá trên thị trường vào khoảng 25 tỷđôla Mỹ. Việc khai thác quặng sắt diễn ra trên 48 quốc gia, nhưng 5 nhà sản xuất lớn nhất làTrung Quốc,Brasil,Úc,NgavàẤn 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.

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.