Sisu
- Raua lühiajalugu
- Keemia faktid raua kohta
- Raua kasutusalad
- Kuidas rauda tehakse?
- Kust tuli raud?
- Kuidas looduses elemente moodustatakse?
- Raud inimese kehas
Raua päritolu üle mõtiskledes sulandub teie meel tõenäoliselt visioonidesse terasetehastest, keskaegsest sepisest või muust tootmisprotsessist, mida iseloomustavad raske, praktiline töö ja väga kõrge temperatuur. Kuid lisaks sellele, et raud on teatud tüüpi metall, mida inimtööstuses kasutatakse mitmel viisil, on raua kui ka element, mitte ühend ega sulam, mis tähendab, et on võimalik eraldada üks raua aatom. See ei kehti enamiku tuttavate materjalide kohta; näiteks väikseim veekogus, mida veel võib nimetada veeks, sisaldab kolme aatomit, millest üks on hapnik ja teised kaks vesinikku.
Huvitav on see, et kuigi inimesed seostavad rauda siin Maa peal tootmisseadetes ebatavaliselt kõrgete temperatuuridega, võlgneb raua kui elemendi olemasolu eksisteerivatele sündmustele nii kuumalt ja nii kaugel, et asjasse puutuvatel numbritel on vaevalt mõtet.Seetõttu nõuab raua valmistamise uuringu läbiviimine kahte paralleelset protsessi: uurida, kuidas raua tekkis ja kuidas see Maale jõudis ning kuidas maakera inimesed rauda valmistavad ja kasutavad rauaga nii igapäevaseks kui ka spetsialiseeritud tegevuseks. Need teemad kutsuvad omakorda arutlema raua kasutamise üle elavates süsteemides ja nende üldise vaatluse alla, kuidas erinevad elemendid nii kosmoses pärinevad kui ka levivad.
Raua lühiajalugu
Raud on inimkonnale teada olnud umbes 3500 eKr ehk üle 5500 aasta tagasi. Selle nimi on tuletatud anglosaksi versioonist, mis oli "iren". Perioodilise tabeli raua sümbol Fe tuleb ladinakeelsest sõnast raud, mis on ferrum. Kui uurite apteeki ja näete rauapreparaate, siis märkate, et enamik nende nimetusi on "raud" midagi muud või muud (näiteks sulfaat või glükonaat). Kui näete keemiatööstuses sõna "raud" või "raud", peaksite kohe aru saama, et arutatakse raua üle; "irooniline", ehkki suurepärane ja kasulik sõna, ei oma füüsikateaduse maailmas mingit rolli.
Keemia faktid raua kohta
Raud (lühendatult Fe) klassifitseeritakse metalliks mitte ainult igapäevaseks otstarbeks, vaid ka elementide perioodilisustabelisse (interaktiivse näite leiate allikast). Tõenäoliselt on see nii väike üllatus, kuid tegelikult ületavad metallid looduses mittemetalle suure hulga; 113 elemendist, mille inimesed on laboratooriumis avastanud või loonud, klassifitseeritakse 88 metallideks.
Aatomid, nagu juba teate, koosnevad tuumast, mis sisaldab enam-vähem võrdse massiga prootonite ja neutronite segu, mida ümbritseb peaaegu massitu elektronide "pilv". Prootonid ja elektronid kannavad võrdse suurusega laengu, prootonite laeng on aga positiivne, elektronide negatiivne. Raudroomade aatomnumber on 26, mis tähendab, et raual on elektriliselt neutraalses olekus 26 prootonit ja 26 elektroni. Selle aatommass, mis ümardatuna on lihtsalt prootonite ja neutronite summa, on häbelik - 56 grammi mooli kohta, mis tähendab, et selle keemiliselt kõige stabiilsem vorm sisaldab (56 - 26) = 30 neutronit.
Raud omab mõningaid fantastilisi füüsikalisi omadusi. Selle tihedus on 7,87 g / cm3, muutes selle peaaegu kaheksa korda tihedamaks kui vesi. (Tihedus on mass ruumalaühiku kohta; vett on määratletud kui 1,0 g / cm3 kokkuleppel.) Raud on tahke aine temperatuuril 20 ° C (68 F), keemias peetakse seda tavaliselt toatemperatuuriks. Selle sulamistemperatuur on eriti kõrge 1538 C (2800 F), samas kui selle keemistemperatuur - see tähendab temperatuur, mille juures vedel raud hakkab aurustuma ja muutuma gaasiks - on kõrvetav 2861 C (5182 F). Pole siis ime, et metallitöötlemisel peavad kasutatavad ahjud olema erakordselt võimsad.
Raud on massi järgi neljas kõige rikkalikum element maakoores. Raudrohu osakaal Maal võib olla märkimisväärselt suurem, kui arvestada, et planeetide sula tuum koosneb peamiselt veeldatud rauast, niklist ja väävlist. Kui kaevandamisel rauda kaevandatakse maapinnast, on see maagi kujul, mis on elementaarsed raudsegud, mis on segatud ühe või mitme kivimitüübiga. Kõige levinum rauamaagi tüüp on hematiit, kuid magnetiit ja takoniit on ka selle metalli olulised allikad.
Raudrooste või söövitab teiste metallidega väga lihtsalt. See tekitab inseneridele probleeme, kuna praegu sisaldab üheksa kümnendikku rafineeritud metallist rauda.
Raua kasutusalad
Suurem osa inimkasutuseks kaevandatavast rauast kerkib terase kujul. "Teras" on sulam, mis tähendab metallide segu. Selle toote populaarseks vormiks nimetatakse tänapäeval süsinikterast, mis on mõnevõrra eksitav, kuna süsinik moodustab selle terase massist kõigis selle vormides vaid väikese osa. Süsinikusisaldusega kõige süsinikusisaldusega vormis moodustab süsinik umbes 2 protsenti metalli massist; see arv võib ulatuda 1 protsendini 1 protsendist, ilma et metall kaotaks süsinikterase nimetust.
Süsinikterast saab omakorda strateegiliselt võltsida teiste metallidega, et saada sulameid, millel on teatud soovitavad omadused. Näiteks roostevaba teras on süsinikterase vorm, milles on märkimisväärne kogus kroomi - üle 10 massiprotsendi. See materjal on tuntud oma vastupidavuse ja kalduvuse tõttu säilitada oma korrosioonikindluse tõttu pikka aega säravat, läikivat välimust. Roostevabast terasest on silmapaistev arhitektuur, kuullaagrid, kirurgilised instrumendid ja lauanõud. Võimalus on hea, et kui näete oma peegeldust puhtalt metallpinnal, siis on teil omamoodi roostevaba teras.
Kui terasesse integreeritakse mõistlikes kogustes metalle nagu nikkel, vanaadium, volfram ja mangaan, muudab see niigi kõva aine veelgi raskemaks; need legeerterased sobivad seetõttu hästi sildadesse, lõikeinstrumentidesse ja elektrivõrkude komponentidesse lisamiseks.
Mitteraudteraseliik, mida nimetatakse malmiks, sisaldab palju süsinikku (vähemalt rauametallitöötlemise standardite järgi): 3–5 protsenti. Malm ei ole nii karm kui teras, kuid see on märkimisväärselt odavam, nii et terasest malmile üleminekul teete sama üldise kompromissi, mida teete peamise ribi juurest 70-protsendilise lahja hamburgeri juurde minnes.
Kuidas rauda tehakse?
Raud Maal on rauamaagist valmistatud või kaevandatud õigesti. Rauamaagi "kivim" sisaldab hapnikku, liiva ja savi erinevates kogustes, sõltuvalt maagi tüübist. Rauavabriku töö, nagu varasemateks sellisteks tehasteks kutsuti, on eemaldada võimalikult palju kivimit ja muud killustikku, jättes raua maha - põhimõtteliselt erineb see maapähkli koorimisest või apelsini koorimisest, et heale saada osa, välja arvatud see, et rauamaagi puhul ei ole raua ümbritsetud ühekordselt kasutatava materjaliga; sellega segamini.
Vaatamata raudsete tööde hirmutavale temperatuurile ja üldistele füüsilistele väljakutsetele kasutasid inimesed neid juba kristluse-eelsel ajal. Raudtöö jõudis esmakordselt Briti saartele mandri-Euroopa ja Lääne-Aasia kaudu 5. sajandil B.C. Toona eraldati raud soovimatust materjalist võimalikult suurel määral, kasutades ainult sütt, savi ja maagi, mida kuumutati järgneva temperatuuriga võrreldes mõõduka temperatuurini. Igal juhul oli sulatamine käimas 1500 B. C. ajast, kuid ligi 30 sajandit hiljem, 1400. aastatel leiutati kõrgahju, muutes "tööstust" (nagu see oli) radikaalselt ja igaveseks.
Tänapäeval toodetakse rauda kuumutades kõrgahjus hematiiti või magnetiiti koos süsinikuvormiga, mida nimetatakse "koksiks", ja ka kaltsiumkarbonaadiga (CaCO).3), paremini tuntud kui lubjakivi. Nii saadakse ühend, mis sisaldab umbes 3 protsenti süsinikku ja muid abiaineid - pole küll ideaalse kvaliteediga, kuid piisavalt hea terase tootmiseks. Igal aastal toodetakse kogu maailmas umbes 1,3 miljardit tonni (umbes 1,43 miljardit USA tonni ehk ligi 3 triljonit naela) toorterast.
Kust tuli raud?
Kust teie roostevabast terasest nõudepesumasinas või puupliidis olev "raud" pärineb, on võib-olla palju vähem huvitav küsimus kui see, kuidas rauda üldse universumis eksisteeris. Raud peetakse raskeks elemendiks ja seda tüüpi elemente saab luua ainult katastroofilistes "tähesurma" sündmustes, mida nimetatakse supernoovadeks. Kui enamik tähti kihiseb vesiniku kütusevarude põlemisel, siis mõned tähed lähevad sõna otseses mõttes pauguga välja.
Need on statistiliselt haruldased sündmused, mis esinevad kogu Linnutee galaktika ulatuses vaid paar korda saja aasta jooksul, massi aeglaselt pöörlevad tähed ja muud ained, mida inimesed kutsuvad koju. Kuid need on ka eluliselt tähtsad. Ilma nendeta ei eksisteeriks jõud, mis on vajalikud suurte väiksemate elementide kokkupõrkeks kokkupõrkel ja veelgi suuremate elementide, näiteks raua, vase, elavhõbeda, kulla, joodi ja plii loomiseks. Ja kogu aeg läbib teatud osa neist elementidest kosmosest pikki vahemaid ja astub Maa peale, mõnikord meteoriidilöökide kujul.
Kuidas looduses elemente moodustatakse?
Arvatakse, et raud esindab ligikaudset piirpunkti elementide osas, mida võivad tekitada tavalised tähtpõlemisprotsessid (justkui oleks need protsessid iseenesest mingil moel tõeliselt "tavalised"), ja nende osade osas, mida saavad luua ainult supernoovad.
Enamik elemente - hapnik, aatominumber 8, läbi aatominumbri 26, kuid arvatavasti ilma rauata - toodetakse kohe, kui täht hakkab vesinikuvarusid ammendama. Täht "põleb" on see, et sellel toimuvad pidevalt lugematud liitumisreaktsioonid vesinikuga, kõige kergem element (aatomnumber 1) põrkub kokku teiste vesinikuaatomitega, moodustades heeliumi (aatominumber 2). Lõpuks põrkuvad tähe sisimas osas heeliumi aatomid rühmadesse, moodustades süsiniku (aatomnumber 6).
Raud inimese kehas
Tõenäoliselt tunnistate rauda inimeste toidulaual hädavajalikuks, tuginedes üksnes toidutootjate reklaaminõuetele ("See teravili sisaldab 100 protsenti USA raua päevanormist!"). Võib-olla ei tea te siiski, miks see nii on.
Nagu selgub, sisaldab tüüpiline inimkeha umbes 4 grammi elementaarset rauda. See ei pruugi kõlada kuigi palju, kuid milleks oleks teie kehal üldse vaja metalli? Tegelikult on raud hemoglobiini, punastes verelibledes (RBC) leiduva hapniku siduva valgu oluline osa. RBC-d transpordivad hapnikku kopsudest kudedesse, kus seda me rakuhingamisel kasutasime.
Kui inimestel ilmneb rauavaegus ebapiisava toidutarbimise tõttu (rauda leidub lihas, eriti elundilihas, aga ka teatavates terades) või süsteemsete haigusseisundite korral, ei saa nende RBC-d oma tööd korralikult teha. Selles haigusseisundis, mida nimetatakse aneemiaks, on inimestel pärast mõõdukat pingutust hingeldus ja sageli on neil väsimus, peavalud ja üldine nõrkus. Rasketel juhtudel võib aneemia korrigeerimiseks olla vajalik vereülekanne, kuigi tavaliselt tehakse korrektsioon raua sisaldavate pillide ja vedelike lisamisega.