เหล็กคืออะไร มาจากไหน และขุดอย่างไร? โลหะที่มีประโยชน์นี้มีการใช้งานมากมาย องค์ประกอบทางเคมีมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมโลก และวัฏจักรเหล็กในธรรมชาติมีความสำคัญต่อชีวิตของโลก
เหล็กคืออะไร
เหล็กเป็นธาตุโลหะที่มีปฏิกิริยาทางเคมีสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีปฏิกิริยากับออกซิเจน เป็นองค์ประกอบที่พบได้บ่อยที่สุดในโลกและในอวกาศ อะตอมของเหล็กมีโปรตอน 26 ตัวในนิวเคลียส สัญลักษณ์ทางเคมี - Fe (ferum) มาจากชื่อภาษาละตินว่า ferum ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ มันเป็นโลหะที่อ่อนนุ่มและเปราะซึ่งเสริมความแข็งแกร่งด้วยสิ่งสกปรก เมื่อรวมกับคาร์บอน การผลิตเหล็กที่ใช้แร่เหล็กมากกว่า 98% ที่ขุดได้ในปัจจุบัน
อะตอมของเหล็กทั้งหมดในจักรวาลก่อตัวขึ้นในแกนของดาวฤกษ์ในช่วงสุดท้ายของการหลอมรวมแล้วปล่อยสู่อวกาศด้วยการระเบิดของดวงดาว มันใหญ่เป็นอันดับสี่ธาตุในเปลือกโลกรองจากซิลิกอน ออกซิเจน และอะลูมิเนียม เหล็กคืออะไร? เป็นองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุดที่ประกอบเป็นดาวเคราะห์ของเรา แม้ว่าโดยมวลโดยมวลจะอยู่ใต้พื้นผิวมาก - ในแกนกลางของโลก มันมีอยู่ในหินเกือบทั้งหมดของเปลือกโลกและเสื้อคลุมเป็นองค์ประกอบทางเคมีของแร่ธาตุต่าง ๆ หลายร้อยชนิด
แร่เหล็ก
โลหะนี้หายากในรูปแบบบริสุทธิ์ อุกกาบาตบางชนิดมีธาตุเหล็ก ธาตุนี้ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับออกซิเจนและน้ำเพื่อผลิตแร่ธาตุที่มีธาตุเหล็ก หินใด ๆ ที่มีโลหะนี้เพียงพอที่จะขุดเพื่อวัตถุประสงค์ทางเศรษฐกิจเรียกว่าแร่เหล็ก แร่ธาตุที่พบมากที่สุดคือ:
- เหล็กออกไซด์ (สูตร Fe2O3) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อสัมผัสกับออกซิเจน
- ไฮเดรตไอรอนออกไซด์ซึ่งเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาในน้ำ
แร่เหล็กที่สำคัญที่สุดคือแร่เหล็กออกไซด์ที่เรียกว่าเฮมาไทต์และแมกนีไทต์ Fe ที่มีความเข้มข้นสูงทำให้เป็นที่ต้องการมากที่สุดในอุตสาหกรรม เหล็กถูกขุดที่แหล่งแร่ที่ใหญ่ที่สุด ส่วนใหญ่มักเป็นการก่อตัวที่เป็นหินตะกอนโบราณ ประกอบด้วยชั้นของแร่ธาตุเหล็กออกไซด์ (สูตร Fe2O3) หนาหลายเซนติเมตร
เหล็กหาได้ที่ไหน
ที่อุณหภูมิห้องคือแข็ง. เป็นโลหะสีเทามันวาวที่ขึ้นสนิมเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อสัมผัสกับอากาศชื้น รวมกับโลหะอื่น ๆ มากมายเพื่อสร้างโลหะผสม ขอบเขตของเหล็กค่อนข้างกว้างขวาง เมื่อรวมกับคาร์บอนก็จะกลายเป็นเหล็ก นอกจากนี้ยังสามารถใช้ร่วมกับโลหะอื่นๆ เช่น นิกเกิล โครเมียม และทังสเตน โลหะผสมเหล่านี้มีความแข็งแรงมากและสามารถใช้ทำสะพานและอาคารได้
เหล็กเป็นธาตุที่เก่าแก่มากซึ่งถูกใช้บนโลกมาอย่างยาวนาน วัตถุจากมันถูกพบในอียิปต์โบราณ มีแม้กระทั่งช่วงเวลาทั้งหมด (1200-500 ปีก่อนคริสตกาล) ที่ตั้งชื่อตามเขา - ยุคเหล็ก เมื่อมันถูกใช้เพื่อสร้างเครื่องมือและอาวุธ ในการหาโลหะที่มีประโยชน์นี้ คุณต้องค้นหามันลึกลงไปใต้ดิน พบทั้งในเปลือกโลกและในแกนโลก โลกมีธาตุเหล็กมากกว่าโลหะอื่นๆ องค์ประกอบนี้ยังสามารถพบได้บนดาวเคราะห์ดวงอื่น รวมทั้งแกนกลางของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ตลอดจนพื้นผิวฝุ่นสีแดงของดาวอังคาร (ซึ่งเป็นเหตุให้มันถูกเรียกว่าดาวเคราะห์สีแดง)
วัฏจักรเหล็กบนบกในธรรมชาติ
เหล็ก (Fe) เป็นไปตามวัฏจักรธรณีเคมี เช่นเดียวกับสารอาหารอื่นๆ โดยปกติแล้วจะปล่อยลงสู่ดินหรือมหาสมุทรผ่านการผุกร่อนของหินหรือภูเขาไฟระเบิด ในระบบนิเวศบนบก พืชแรกดูดซับธาตุเหล็กผ่านรากของพวกมันจากดิน เป็นสารอาหารที่สำคัญอย่างยิ่งที่เคลื่อนย้ายระหว่างสิ่งมีชีวิตกับธรณีสัณฐาน
เหล็กเป็นสารอาหารที่สำคัญจำกัดสำหรับพืชซึ่งใช้ในการผลิตคลอโรฟิลล์ การสังเคราะห์ด้วยแสงขึ้นอยู่กับปริมาณโลหะนี้ที่เพียงพอ พืชดูดกลืนจากดินสู่ราก สัตว์กินพืชและใช้เพื่อผลิตเฮโมโกลบิน เมื่อพวกมันตาย มันจะสลายตัวและแบคทีเรียจะคืนโลหะให้ดิน
วัฏจักรของเหล็ก
วัฏจักรทะเลของเหล็กในธรรมชาติมีความคล้ายคลึงกับวัฏจักรโลกมาก กระบวนการนี้เกิดขึ้นเนื่องจากกิจกรรมที่สำคัญของจุลินทรีย์บางชนิดที่ออกซิไดซ์โลหะเป็นไฮดรอกไซด์และรับคาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์ แบคทีเรียที่เป็นเหล็กในแม่น้ำ ทะเล หรือแหล่งน้ำอื่นๆ สกัดพลังงานสำหรับวงจรชีวิตของพวกมัน และหลังจากเสร็จสิ้น พวกมันก็จะตกตะกอนในดินในรูปของแร่หนองบึง
บทบาทของธาตุเหล็กในระบบนิเวศของมหาสมุทรก็มีความสำคัญเช่นกัน ผู้ผลิตหลักที่ดูดซับโลหะนี้มักเป็นแพลงก์ตอนพืชหรือไซยาโนแบคทีเรีย ผู้บริโภคจะดูดซึมธาตุเหล็กเมื่อพวกเขากินแบคทีเรียเหล่านี้ วัฏจักรของธาตุเหล็กในธรรมชาติเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง ขึ้นอยู่กับปัจจัยร่วมหลายประการ ได้แก่ ปฏิกิริยาเคมี ประเภทของแหล่งที่อยู่อาศัย และกลุ่มจุลินทรีย์ ทั้งหมดนี้เชื่อมโยงกับวัฏจักรชีวธรณีเคมีที่สำคัญเท่าเทียมกันของโลก
ลักษณะทั่วไป
เหล็กในรูปของแร่ต่างๆ ที่รวมกันเป็นธาตุที่พบได้บ่อยที่สุดชนิดหนึ่งซึ่งประกอบขึ้นเป็นประมาณ 5% ของเปลือกโลก แร่ธาตุที่มีธาตุเหล็กที่สำคัญที่สุดคือออกไซด์และซัลไฟด์ (เฮมาไทต์, แมกนีไทต์, เกอไทต์, ไพไรต์, มาคาไซต์) โลหะนี้ยังมีอยู่ในอุกกาบาตบนดาวเคราะห์ดวงอื่นและในดวงอาทิตย์ ธาตุเหล็กพบได้ทั้งในทะเลและน้ำจืด
ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ
นี่คือข้อเท็จจริงที่น่าสนใจบางประการเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีที่ดูเหมือนง่ายนี้:
- เหล็กเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับธาตุอาหารพืชและช่วยลำเลียงออกซิเจนในเลือด ซึ่งช่วยหล่อเลี้ยงชีวิตบนโลก
- เป็นของแข็งเปราะ จัดเป็นโลหะกลุ่มที่ 8 ในตารางธาตุ ในรูปแบบที่บริสุทธิ์จะสึกกร่อนอย่างรวดเร็วจากการสัมผัสกับอากาศชื้นและอุณหภูมิสูง
- เป็นธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดเป็นอันดับสี่ในเปลือกโลกโดยน้ำหนัก และแกนโลกส่วนใหญ่เชื่อว่าเป็นเหล็ก
- ส่วนใหญ่ใช้ทำเหล็ก โลหะผสมของเหล็กและคาร์บอน ซึ่งในทางกลับกันใช้ในการผลิตและการก่อสร้าง เช่น คอนกรีตเสริมเหล็ก
- สแตนเลสที่มีโครเมียมอย่างน้อย 10.5% มีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง ใช้ในเครื่องครัวและเครื่องใช้ต่างๆ เช่น หม้อสแตนเลส
- การเพิ่มองค์ประกอบอื่นๆ ช่วยให้เหล็กมีคุณสมบัติใหม่ที่เป็นประโยชน์ ตัวอย่างเช่น นิกเกิลช่วยเพิ่มความทนทานของโลหะผสมและทำให้ทนต่อความร้อนและกรดได้มากขึ้น
ข้อมูลโดยย่อเกี่ยวกับองค์ประกอบ Fe
- หมายเลขโปรตอนในนิวเคลียส: 26.
- สัญลักษณ์ปรมาณู: Fe.
- มวลเฉลี่ยของอะตอม: 55.845 ก./โมล
- ความหนาแน่น: 7.874 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร
- เฟสที่อุณหภูมิห้อง: แข็ง
- จุดหลอมเหลว: 1538 0C.
- จุดเดือด: 2861 0C.
- จำนวนไอโซโทป: 33.
- ไอโซโทปเสถียร: 4.
แอปพลิเคชันหลัก
เหล็กถูกใช้ในหลายภาคส่วน เช่น อิเล็กทรอนิกส์ การผลิต ยานยนต์ และการก่อสร้าง ต่อไปนี้คือการใช้งานของเหล็ก:
- เป็นองค์ประกอบหลักของโลหะเหล็ก โลหะผสม และเหล็กกล้า
- โลหะผสมที่ใช้คาร์บอน นิกเกิล โครเมียม และองค์ประกอบอื่นๆ ในการผลิตเหล็กหรือเหล็กกล้า
- ในแม่เหล็ก
- ในผลิตภัณฑ์โลหะสำเร็จรูป
- ในอุปกรณ์อุตสาหกรรม
- ในอุปกรณ์ขนย้าย
- ในเครื่องมือ
- ในของเล่นและสินค้ากีฬา
เหล็กเป็นส่วนประกอบ 5% ของเปลือกโลกและเป็นหนึ่งในโลหะที่พบมากที่สุดและใช้กันมากที่สุด ธาตุนี้ยังพบในเนื้อสัตว์ มันฝรั่ง และผัก และจำเป็นสำหรับสัตว์และมนุษย์ เป็นส่วนสำคัญของเฮโมโกลบิน โลหะมีลักษณะเป็นสีเทาและมีความเหนียวสูงและอ่อนตัวได้ ละลายได้ง่ายในกรดเจือจางและมีปฏิกิริยา พื้นที่ทำเหมืองเหล็กหลักคือ จีน ออสเตรเลีย บราซิล รัสเซีย และยูเครน