آهن (Fe): فلزی که جهان را می‌سازد
آهن چیست و از کجا می‌آید؟
آهن یک عنصر شیمیایی و فلزی است با عدد اتمی 26. این به آن معناست که هر اتم آهن در هسته خود 26 پروتون دارد. آهن چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین و هسته سیاره ما تقریباً به طور کامل از آهن و نیکل تشکیل شده است! اما ما آهن خالص را به صورت طبیعی روی سطح زمین پیدا نمی‌کنیم. آنچه ما استخراج می‌کنیم سنگ معدن آهن است، مانند هماتیت (Fe2O3) و مگنتیت (Fe3O4) که آهن با اکسیژن و دیگر عناصر ترکیب شده است.
برای مثال، فکر کنید به یک کوه خوراکی بسیار سفت و سخت نگاه می‌کنید که داخل آن شکلات پنهان شده است. سنگ معدن مانند همان کوه است و آهن خالص مانند شکلات داخل آن. ما باید سنگ را در کوره‌های بسیار داغ ذوب کنیم تا آهن خالص را از آن جدا کنیم. این فرآیند ذوب نام دارد.
ویژگی‌های فیزیکی آهن؛ قوی، سنگین و مغناطیسی
آهن خالص فلزی نقرهای-خاکستری رنگ است. وقتی در معرض هوا و رطوبت قرار می‌گیرد، زنگ می‌زند. این یعنی با اکسیژن واکنش داده و اکسید آهن یا زنگار تشکیل می‌دهد که پوسته‌ای قهوه‌ای-قرمز رنگ است. مهم‌ترین ویژگی‌های فیزیکی آن را در جدول زیر ببینید:
| ویژگی | مقدار یا توضیح |
|---|---|
| چگالی | 7.87 g/cm³ (تقریباً ۸ برابر سنگین‌تر از آب) |
| نقطه ذوب | 1538 °C (برای ذوب آن به کوره‌های بسیار داغ نیاز است) |
| مغناطیس | فرومغناطیسی است (به آهنربا جذب می‌شود و می‌تواند آهنربا شود) |
| استحکام | سخت و محکم است، اما وقتی با کربن ترکیب شود (فولاد) بسیار قوی‌تر می‌شود |
یک آزمایش ساده: یک آهنربا بردارید و به سمت اشیاء فلزی مختلف ببرید. تنها فلزاتی که جذب می‌شوند، مانند میخ یا پیچ، معمولاً از جنس آهن هستند یا در خود آهن دارند. این به خاطر خاصیت فرومغناطیس آهن است.
ویژگی‌های شیمیایی؛ واکنش‌پذیری و زنگ زدن
آهن از نظر شیمیایی نسبتاً فعال است. مهم‌ترین واکنش شیمیایی آن، واکنش با اکسیژن هوا و آب است که منجر به زنگ زدگی می‌شود. معادله شیمیایی ساده شده این واکنش به این صورت است:
$ 4Fe + 3O2 + 6H2O -> 4Fe(OH)3 $
هیدروکسید آهن (III) (زنگار) → آهن + اکسیژن + آب
برای جلوگیری از این واکنش، آهن را رنگ می‌زنند، گالوانیزه می‌کنند (روی آن را با یک لایه روی می‌پوشانند) یا از آن در محیط‌های خشک استفاده می‌کنند. آهن همچنین با اسیدها واکنش داده و گاز هیدروژن تولید می‌کند. اگر یک میخ آهنی را داخل یک بطری حاوی سرکه (یک اسید ضعیف) بیندازید، بعد از مدتی حباب‌های ریز گاز هیدروژن روی آن مشاهده خواهید کرد.
آلیاژهای آهن؛ وقتی آهن قوی‌تر می‌شود
آهن خالص نرم است و کاربردهای محدودی دارد. اما وقتی با مقدار کمی از عناصر دیگر، به خصوص کربن، ترکیب می‌شود، به موادی بسیار سخت‌تر و مفیدتر تبدیل می‌شود که به آنها آلیاژ می‌گوییم. دو آلیاژ بسیار مهم آهن عبارتند از:
- فولاد (Steel): آلیاژی از آهن و بین 0.2% تا 2.1% کربن. هرچه درصد کربن بیشتر باشد، فولاد سخت‌تر اما شکننده‌تر می‌شود.
- چدن (Cast Iron): آلیاژی از آهن با 2% تا 4% کربن. چدن شکننده است اما به راحتی در قالب‌ها ذوب و ریخته‌گری می‌شود.
با افزودن عناصر دیگری مانند کروم و نیکل، فولاد ضدزنگ ساخته می‌شود که در مقابل زنگ زدگی بسیار مقاوم است و برای ساخت کارد و چنگال، سینک ظرفشویی و بدنه برخی خودروها استفاده می‌شود.
کاربردهای آهن در زندگی روزمره و صنعت
آهن و آلیاژهای آن آنقدر در اطراف ما هستند که تصور جهان بدون آن غیرممکن است. از زمانی که از خواب بیدار می‌شوید تا زمانی که به رختخواب می‌روید، با صدها شیء ساخته شده از آهن سر و کار دارید.
| حوزه کاربرد | نمونه‌های عینی |
|---|---|
| ساخت‌وساز و ساختمان‌سازی | تیرآهن، میلگرد، اسکلت پل‌ها و آسمان‌خراش‌ها |
| حمل‌ونقل | بدنه خودرو، ریل قطار، بدنه کشتی‌ها و هواپیماها |
| وسایل خانه | یخچال، اجاق گاز، ماشین لباس‌شویی، میز و صندلی |
| پزشکی و زیست‌شناسی | هموگلوبین خون1، ابزارهای جراحی، دستگاه‌های MRI |
آهن در بدن انسان؛ یک عنصر حیاتی
آهن فقط برای ساختن چیزها نیست؛ برای زنده ماندن ما نیز ضروری است! آهن بخش اصلی مولکول هموگلوبین در گلبول‌های قرمز خون است. کار هموگلوبین این است که اکسیژن را از ریه‌ها بگیرد و به تمام سلول‌های بدن برساند. اگر آهن کافی در رژیم غذایی خود دریافت نکنیم، بدن نمی‌تواند هموگلوبین کافی تولید کند و به بیماریی به نام کم‌خونی فقر آهن دچار می‌شویم که باعث خستگی و ضعف می‌شود. به همین خاطر است که خوردن غذاهای سرشار از آهن مانند گوشت قرمز، اسفناج و حبوبات بسیار مهم است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. آهنربا فقط به آهنِ «غیر مغناطیسی نشده» جذب می‌شود. اگر یک میخ آهنی را به آهنربا تبدیل کنید (مغناطیسی شود)، قطب‌های همنام آن با آهنربا دیگر یکدیگر را دفع می‌کنند.
خیر. این یک اشتباه رایج است. آهن یک عنصر خالص است، در حالی که فولاد یک آلیاژ (مخلوط) از آهن و کربن و اغلب دیگر فلزات است. فولاد به دلیل وجود کربن، به مراتب محکم‌تر و مفیدتر از آهن خالص است.
سرعت زنگ زدگی به محیط بستگی دارد. در محیط‌های مرطوب و شور (مانند cities near the ocean) سرعت زنگ زدگی بسیار بیشتر از محیط‌های خشک است، زیرا آب و نمک نقش کاتالیزور را در واکنش شیمیایی ایفا می‌کنند.
پاورقی
1هموگلوبین (Hemoglobin): پروتئینی در گلبول‌های قرمز خون که مسئول انتقال اکسیژن از ریه‌ها به بافت‌های بدن و برگرداندن دی‌اکسید کربن از بافت‌ها به ریه‌ها است. آهن بخش مرکزی این مولکول را تشکیل می‌دهد.