Jern

admin 0 Comments Articles

Jern

Forekomst, anvendelse og egenskaber

Jern udgør 5 procent af Jordens skorpe og er næsthyppigst forekommende efter aluminium blandt metallerne og fjerde mest forekommende efter ilt, silicium og aluminium blandt grundstofferne. Jern, som er den vigtigste bestanddel af Jordens kerne, er det mest rigelige grundstof i Jorden som helhed (ca. 35 procent) og er relativt rigeligt i Solen og andre stjerner. I jordskorpen er det frie metal sjældent og forekommer som jordisk jern (legeret med 2-3 procent nikkel) i basaltiske bjergarter i Grønland og kulstofholdige sedimenter i USA (Missouri) og som et meteorisk jern med lavt nikkelindhold (5-7 procent nikkel), kamakit. Nikkel-jern, en indfødt legering, forekommer i terrestriske aflejringer (21-64 procent jern, 77-34 procent nikkel) og i meteoritter som taenit (62-75 procent jern, 37-24 procent nikkel). (For mineralogiske egenskaber af indfødt jern og nikkel-jern, se indfødte elementer .) Meteoritter klassificeres som jern-, jern-sten- eller stenede efter den relative andel af deres indhold af jern- og silikatmineraler. Jern findes også kombineret med andre grundstoffer i hundredvis af mineraler; af størst betydning som jernmalm er hæmatit (jernoxid, Fe2O3), magnetit (trijerntetroxid, Fe3O4), limonit (hydreret jernoxidhydroxid, FeO(OH)∙nH2O) og siderit (jernkarbonat, FeCO3). Igneøse bjergarter har et gennemsnitligt jernindhold på omkring 5 procent. Metallet udvindes ved smeltning med kulstof (koks) og kalksten. (For specifikke oplysninger om udvinding og produktion af jern, se jernforarbejdning.)

Den gennemsnitlige mængde jern i det menneskelige legeme er ca. 4,5 gram (ca. 0.004 procent), hvoraf ca. 65 procent er i form af hæmoglobin, som transporterer molekylær ilt fra lungerne gennem hele kroppen; 1 procent i de forskellige enzymer, der styrer intracellulær oxidation; og det meste af resten lagres i kroppen (lever, milt, knoglemarv) med henblik på fremtidig omdannelse til hæmoglobin. Rødt kød, æggeblomme, gulerødder, frugt, fuldkorn og grønne grøntsager bidrager med størstedelen af de 10-20 milligram jern, som en gennemsnitlig voksen person har brug for hver dag. Til behandling af hypokrom anæmi (forårsaget af jernmangel) anvendes en af en lang række organiske eller uorganiske jernforbindelser (normalt jernholdige).

Jern, som det er almindeligt tilgængeligt, indeholder næsten altid små mængder kulstof, som optages fra koks under smeltningen. Disse ændrer dets egenskaber, fra hårdt og sprødt støbejern, der indeholder op til 4 procent kulstof, til mere formbart kulstoffattigt stål med lavt kulstofindhold, der indeholder mindre end 0,1 procent kulstof.

Tre sande allotroper af jern i sin rene form forekommer. Deltajern, der er karakteriseret ved en kropscentreret kubisk krystalstruktur, er stabilt over en temperatur på 1 390 °C (2 534 °F). Under denne temperatur sker der en overgang til gammajern, som har en fladcentreret kubisk (eller kubisk tætpakket) struktur og er paramagnetisk (kun i stand til at blive svagt magnetiseret og kun så længe det magnetiserende felt er til stede); dets evne til at danne faste opløsninger med kulstof er vigtig i stålfremstilling. Ved 910 °C (1.670 °F) sker der en overgang til paramagnetisk alfajern, som også har en kubisk kropscentreret struktur. Under 773 °C (1.423 °F) bliver alfajern ferromagnetisk (dvs. i stand til at blive permanent magnetiseret), hvilket indikerer en ændring i den elektroniske struktur, men ingen ændring i krystalstrukturen. Over 773 °C (dets Curiepunkt) mister det helt sin ferromagnetisme. Alfajern er et blødt, duktilt, glansfuldt, gråhvidt metal med høj trækstyrke.

Rent jern er ret reaktivt. I meget fint opdelt tilstand er metallisk jern pyrophorisk (dvs. det antændes spontant). Det kombinerer sig kraftigt med klor ved mild opvarmning og også med en række andre ikke-metaller, herunder alle halogener, svovl, fosfor, bor, kulstof og silicium (karbid- og silicidfaserne spiller en stor rolle i den tekniske metallurgi af jern). Metallisk jern opløses let i fortyndede mineralske syrer. Med ikke-oxiderende syrer og i fravær af luft fås jern i oxidationstrin +2. Ved tilstedeværelse af luft eller ved anvendelse af varm fortyndet salpetersyre går en del af jernet i opløsning som Fe3+-ionen. Meget stærkt oxiderende medier – f.eks. koncentreret salpetersyre eller syrer, der indeholder dichromat – passiverer imidlertid jern (dvs. får det til at miste sin normale kemiske aktivitet), ligesom de gør med krom. Luftfrit vand og fortyndede luftfrie hydroxider har kun ringe virkning på metallet, men det angribes af varm koncentreret natriumhydroxid.

Naturligt jern er en blanding af fire stabile isotoper: jern-56 (91,66 procent), jern-54 (5,82 procent), jern-57 (2.19 procent) og jern-58 (0,33 procent).

Jernforbindelser kan studeres ved at udnytte et fænomen, der er kendt som Mössbauer-effekten (fænomenet, hvor en gammastråle absorberes og genudsendes af en kerne uden rekyl). Selv om Mössbauer-effekten er blevet observeret for ca. en tredjedel af grundstofferne, er det især for jern (og i mindre grad tin), at den har været et vigtigt forskningsredskab for kemikere. I jerns tilfælde afhænger effekten af, at jern-57-kernen kan exciteres til en højenergitilstand ved absorption af gammastråling med en meget skarpt defineret frekvens, som påvirkes af jernatomets oxidationstrin, elektronkonfiguration og kemiske miljø, og som således kan bruges som en sonde for dets kemiske adfærd. Den markante Mössbauer-effekt af jern-57 er blevet brugt til at studere magnetisme og hæmoglobinderivater og til at lave et meget præcist atomur.