Jern
Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
Jern (oldnordisk: iarn, germansk: isarn) er navnet på et tungmetal, et grundstof i det periodiske system med betegnelsen Fe (lat. Ferrum, Jern) og grundstof nummer 26. Det er et metal fra 4. periode i den 8. gruppe i det periodiske system.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Generelt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Navn, Symbol, Ordenstal | Jern, Fe, 26 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Overgangsmetaller | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Blok i det periodiske system |
Gruppe-8-Element, Periode-4-Element, Blok d |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Tæthed (vægtfylde), hårdhed | 7874 kg/m3, 4.0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Farve/udseende | metallisk skinnende med en grålig farvetone |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomare forhold | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomvægt | 55.845 Atomar Masseenheit (amu) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (beregnet) | 140 (156) pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalent radius | 125 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-radius | k.A. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronkonfiguration | 3d64s2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektron (e)- 's pro Energieniveau | 2, 8, 14, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxideringstilstande | 2,3,4,6 (amfoterisk) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Krystalstruktur | kubisk rumcentreret | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fysiske forhold | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregattilstand (Magnetisme) | fast (ferromagnetisk) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| smeltepunkt | 1808 K (1535°C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| kogepunkt | 3023 K (2750°C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molært volumen | 7.09 -3 Kubikmeter per Mol3/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| fordampningsvarme | 349.6 Kilojoule per Mol (kJ/mol) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| smeltevarme | 13.8 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| damptryk | 7.05 Pascal (Pa) ved 1808 K | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| lydhastighed | 4910 Meter per Sekund (m/s) ved 293.15 K | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Forskelligt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativitet | 1.83 (Pauling-skala) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Specifik varmekapacitet | 440 Joule per Kilogram og Kelvin (J/(kg*K)) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrisk ledeevne | 9.93 106/m | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Varmeledningsevne | 80.2 Watt per Meter og Kelvin (W/(m*K)) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. ionisieringsenergi | 762.5 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. ionisierungsenergi | 1561.9 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. ionisierungsenergi | 2957 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. ionisierungsenergi | 5290 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| De mest stabile isotoper | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| SI-enheder og standardbetingelser bliver brugt, hvis ikke andet er nævnt. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Indholdsfortegnelse |
[redigér] Vigtigste egenskaber
Det gennemsnitlige jernatom har en masse på omtrent 56 gange et brintatom. Jern er det 10. mest almindelige grundstof i universet.
Teknisk set udvinder man metallet af jernmalm, der ikke er rent jern, men som indeholder jernoxid. Jernmalm bliver reduceret til råjern gennem flere forskellige rensningsprocesser; derved bliver urenheder også fjernet i form af slagger.
Teknisk er jern betydningsfuldt for fremstillingen af stål. De forskellige ståltyper er legeringer, der foruden jern indeholder andre metaller og ikke-metaller (særligt kulstof).
Atomkernen i jernisotopen 56Fe har den højeste bindingsenergi per kernepartikel af alle atomkerner. Det vil sige at man hverken kan få fusionenergi (atomkernesammensmeltning) eller fissionsenergi (atomkernespaltning).
Fusionen af grundstoffer (primært brint og helium) i stjernerne slutter med jern. Tungere grundstoffer opstår i supernovaeksplosioner, som også er grunden til spredningen af det materiale, der er dannet ved fusion inde i stjernen.
Ved rumtemperatur er den mest almindelige variant af rent jern ferrit eller α-jern. Denne variant danner et kubisk rumcentreret krystalgitter, der eksisterer under 911°C. Under Curiepunktet ved 760°C er ferrit magnetisk. Varianten mellem 760°C og 911°C hedder β-jern. Ud over de magnetiske egenskaber adskiller den sig ikke fra ferritisk α-jern, og derfor bliver den sædvanligvis betegnet som α-jern. Indtil 1392°C findes jernet i den kubisk fladecentrerede γ-variant (austenit). Ved stadigt stigende temperatur omlejres jernet til δ-ferrit, der atter viser et kubisk rumcentreret gitter. Smeltepunktet er 1539°C.
[redigér] Jern som mineral
Det er meget sjældent, at jern optræder i helt ren form. Mineralet krystalliserer så i et terningeformet krystalsystem. Det har en hårdhed på 4,5 og en stålgrå til sort farve. Også stregfarven er grå. På grund af reaktion med vand og ilt er rent jern ikke stabilt. Det optræder derfor, legeret med nikkel, kun i jernmeteoritter eller i basaltiske bjergarter, hvor der ofte sker en reduktion af jernholdige mineraler.
[redigér] Anvendelser
Jern er med 95% af tonnagen det metal, der bruges mest i Verden. Grunden til det ligger i, at det er til rådighed de fleste steder, hvad der gør det billigt, men også i jernlegeringernes fasthed og sejhed, der gør dem nyttige på mange områder. Meget jern bliver anvendt ved fremstillingen af biler, skibe og i højhusbyggerier (Jernbeton).
Jern er det ene af de tre magnetiske metaller (kobolt og nikkel er de andre), og det muliggør dermed den storindustrielle brug af elektromagnetisme i generatorer, transformatorer og elektromotorer.
Rent jernpulver bruges kun i kemien. Derimod er de forskellige stålarter meget udbredt i industrien. Jern bruges i følgende former:
- Råjern indeholder 4-5% kulstof sammen med forskellige andele af svovl, fosfor og silicium. Det er et mellemprodukt i fremstillingen af støbejern og stål.
- støbejern 2-4,5% kulstof og flere andre legeringsstoffer som f.eks. silicium og mangan. Afhængigt af afkølingstempoet findes kulstoffet i støbejern enten som karbid eller i ren form som grafit. Med henvisning til brudfladernes udseende taler man i det første tilfælde om hvidt og i det andet tilfælde om gråt støbejern. Støbejern er meget hårdt og skørt. Det lader sig almindeligvis ikke omforme plastisk.
- stål indeholder 0-2,5% kulstof. I modsætning til støbejern er det plastisk formbart. Ved legering og ved en egnet kombination af varmebehandling og plastisk omformning kan man variere de mekaniske egenskaber hos stål i bred forstand.
- Hæmoglobin: Jern indgår i blodets røde farvestof og medvirker til oxygentransport
- plantenæringsstof: Jern er et uundværligt stof for alle organismer (f.eks. planter og dyr). Hos planter giver jernmangel sig til kende ved, at bladkødet bliver lysegrønt, mens bladribberne og det nærmeste bladkød bliver ved med at være normalt grønt. Bladene vil vise et billede af en mørkegrøn fjer på en lysegrøn bund. Jernmangel hos planter afhjælpes enten ved at øge jordens surhedsgrad (hvad der frigør mere jern i en form, der kan optages) eller ved at strø jernvitriol (jernsulfat) på jorden under planten. 10 g/m2 er passende.
[redigér] Teknologisk karakter
[redigér] Forekomster
Jern er sammen med nikkel formodentlig hovedbestanddelen af Jordens kerne. Omskiftelserne mellem fast jern i den indre og flydende jern i den ydre kerne skaber formentlig Jordens magnetfelt.
Med en andel på 5% er jern dog også et af de mest udbredte grundstoffer i jordskorpen. De første kilder, der blev udnyttet, var myremalm og frit tilgængelige malme. I dag udnytter man først og fremmest magnetjern med et indhold på 40%.
Det vigtigste mineral til jernudvinding er hæmatit, der mest består af Fe2O3. Jernet bliver udvundet gennem en kemisk reduktion med kulstof; derved opstår der temperaturer på ca. 2000°C. Først tilfører man højovnen koks, som reagerer med luftens ilt og danner kulmonooxid:
- 2 C + O2 → 2 CO
Kulstofmonoxidet reagerer med jernoxidet:
- 3 CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2
På grund af den høje reaktionstemperatur er det opståede jern flydende. Ganske vist indeholder det endnu forureninger i form af siliciumdioxid. Ved tilførsel af kalk bliver siliciumdioxidet udskilt som slagger. Et første reaktionsskridt forvandler kalken til kalciummonoxid:
- CaCO3 → CaO + CO2
Derpå reagerer kalciummonoxidet med siliciumdioxidet:
- CaCo + SiO2 → CaSiO3
De dannede slagger bliver brugt i vejbyggeri m.m. og tidligere også som gødning.
På verdensplan blev der i året 2000 udnyttet ca. 1000 megaton jernmalm til en værdi af ca. 25 mia. €. De mest betydningsfulde leverandører af jernmalm er Kina, Brasilien, Australien, Rusland og Indien. Tilsammen leverer de ca. 70% af Verdens behov. Af de 1000 megaton malm blev der udvundet ca. 572 megaton jern. Dertil kommer det nye jern, der udvindes af skrot.
[redigér] Brydning
Jernmalm bliver udvundet i åbne brud og i egentlige miner. De steder, hvor malmen er lødig nok, og hvor den træder frem på overfladen, kan man udnytte malmen i de mindre bekostelige, åbne brud. I dag bryder man hovedsageligt jernmalm på denne måde i Sydamerika, særligt Brasilien, i det vestlige Australien, i Kina, i Østeuropa (f.eks. Ukraine) og Canada.
I de seneste år har disse lande fortrængt de lande, der oprindeligt var de mest betydningsfulde leverandører af jernmalm som f.eks. Frankrig, Sverige eller Tyskland, hvis sidste jernmine i Oberpfalz blev lukket i 1987.
Ganske vist skaber den relativt lette brydning også et stort problem: Eksporten af råstoffer er nu som før hovedindstægtskilden for mange af de fattige stater. Som følge deraf kaster mange af de højtforgældede tropelande sig over disse ressourcer, men for det meste på bekostning af mennesker og miljø. Kæmpemæssige malmlejer som Ok Tedi-minen i Papua Ny Guinea ødelægger ikke bare regnskoven på deres egentlige område, men også hele landskabet i vid omkreds. For de yderst giftige mængder af spildevand og slam tipper mineejerne simpelt hen af i nærheden, og derfra fordeler giften sig via floderne - på en måde så det er blevet til en sundhedsrisiko for den lokale befolkning at spise fisk nedstrøms i forhold til Ok Tedi.
Jernmalmen når sjældent direkte fra bjergværket til højovnenes lagerpladser. For det meste skal man først klare lange transportveje over land og hav med flere omladninger undervejs.
Før den videre forarbejdning bliver malmen til sidst slået i stykker og knust. Så bliver malmkornene sorteret efter størrelse og sintret sammen. Det vil sige, at små korn bliver sammenklæbet, for kun på den måde kan de bruges i højovnene.
[redigér] Forbindelser
Jern danner 2- og 3-valente oxider. Da de ikke danner noget fast, beskyttende lag, oxideres (dvs. ruster) et stykke jern fuldstændigt, når det er i kontakt med atmosfæren.
Almindelige jernoxideringstrin og -forbindelser:
-
- Fe+2,
- Fe+3,
- Fe+4, forekommer i nogle enzymer (f.eks. Peroxidase).
- Fe+6, er sjælden (f.eks. K2FeO4)
- Fe3C
[redigér] Isotoper
Jern har fire naturligt forekommende, stabile isotoper med følgende, relative forekomst: 54Fe (5.8%), 56Fe (91.7%), 57Fe (2.2%) and 58Fe (0.3%). Isotopen 60Fe har en halveringstid på 1,5 millioner år. Eksistensen af 60Fe ved begyndelsen af planetsystemets opståen er blevet opdaget ved en sammenhæng mellem forekomsten af 60Ni, henfaldsproduktet fra 60Fe, og forekomsterne af de stabile Fe-isotoper i visse dele af flere meteoritter (f.eks. i meteoritterne Semarkona og Chervony Kut). Muligvis spillede den frigjorte energi fra det radioaktive henfald af 60Fe, sammen med henfaldsenergien fra det ligeledes indlejrede, radioaktive 26Al, en rolle ved opsmeltningen og differentieringen af asteroiderne umiddelbart efter deres dannelse for ca. 4,6 milliarder år siden. Fordelingen af nikkel- og jernisotoper i meteoritterne gør det muligt at måle isotop- og grundstofhyppigheden under dannelsen af solsystemet, og at regne sig frem til de ydre vilkår før og under solsystemets skabelse.
Kun jernisotopen 57Fe har kernespin, og kan derfor bruges i kemi og biokemi.
[redigér] Biologi
Jern er et nødvendigt mikronæringsstof for mange dyr, som har brug for det som centralatom i hæmoglobinet. Desuden er jern en bestanddel af jern-svovl-komplekset (iron-sulphur-cluster) i mange enzymer.
Angribende bakterier udnytter ofte jern, og derfor er det en afværgemekanisme i kroppen at 'skjule' jern.
[redigér] Forsigtighedsregler
Selv om jern er et vigtigt mikronæringsstof for mennesker, kan overskud af jern i kroppen være giftig. Ved alt for store mængder af Fe2+-ioner reagerer stoffet med peroxider, hvorved der opstår frie radikaler. Under normale forhold bliver disse holdt i skak af kroppens egne processer.
Ca. 1 gram jern fremkalder alvorlige forgiftningssymptomer hos toårige børn, og 3 gram kan være dødeligt. Langvarigt overskud af jern fører til hæmokromatose (jernudskilningssyge). Jernet ophobes i leveren, og der fører det til siderose (aflejring af jernsalte) og organskader. Derfor kan jernpræparater kun anbefales i forbindelse med jernmangel.
