Sắt

Lịch sử

Những dấu hiệu đầu tiên về việc sử dụng sắt là ở những người Sumeria và người Ai Cập vào khoảng 4000 năm TCN, các đồ vật nỏ như mũi giáo và đồ trang trí, đã được làm từ sắt lấy từ các thiên thạch. Vì các thiên thạch rơi từ trên trời xuống nên một số nhà ngôn ngữ học phỏng đoán rằng từ tiếng Anh iron, là từ có cùng nguồn gốc với nhiều ngôn ngữ ở phía bắc và tây châu Âu, có xuất xứ từ tiếng Etruria aisar có nghĩa là "trời".

Vào khoảng những năm 3000 đến 2000 Trước Công Nguyên (TCN), đã xuất hiện hàng loạt các đồ vật làm từ sắt nóng chảy (phân biệt rõ với sắt từ thiên thạch do thiếu niken trong sản phẩm) ở Lưỡng Hà, Anatolia và Ai Cập. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng có lẽ là thuộc về hình thức trong tế lễ, và sắt đã là kim loại rất đắt, hơn cả vàng. Trong Illiad, các vũ khí chủ yếu làm từ đồng thau, nhưng các thỏi sắt đã được sử dụng trong buôn bán. Một số nguồn (xem phần tham khảo Cái gì tạo ra thời đại đồ sắt? dưới đây) cho rằng sắt được tạo ra khi đó như sản phẩm đi kèm của việc tinh chế đồng, như là những bọt sắt, và không được tái sản xuất bởi ngành luyện kim khi đó. Vào khoảng năm 1600 đến 1200 TCN, sắt đã được sử dụng nhiều hơn ở Trung Cận Đông, nhưng vẫn chưa thay thế được sự thống trị của đồng thau.

Trong thời kỳ từ thế kỷ 12 đến thế kỷ 10 TCN, đã có sự chuyển đổi nhanh chóng từ công cụ, vũ khí đồng thau sang sắt ở Trung Cận Đông. Yếu tố quyết định của chuyển đổi này không phải là sự xuất hiện của các công nghệ luyện sắt cao cấp hơn mà là sự cạn kiệt của các nguồn cung cấp thiếc. Thời kỳ chuyển đổi này diễn ra không đồng thời trên thế giới, là dấu hiệu cho thời kỳ văn minh mới được gọi là Thời đại đồ sắt.

Cùng với việc chuyển đổi từ đồng thau sang sắt là việc phát hiện ra quy trình cacbua hóa, là quy trình bổ sung thêm cacbon vào sắt. Sắt được thu lại như bọt sắt, là hỗn hợp của sắt với xỉ với một ít cacbon và/hoặc cacbua, sau đó nó được rèn và tán phẳng để giải phóng sắt khỏi xỉ cũng như ôxi hóa bớt cacbon, để tạo ra sắt non. Sắt non chứa rất ít cacbon và không dễ làm cứng bằng cách làm nguội nhanh. Người Trung Đông đã phát hiện ra là một số sản phẩm cứng hơn có thể được tạo ra bằng cách đốt nóng lâu sắt non với than củi trong lò, sau đó làm nguội nhanh bằng cách nhúng vào nước hay dầu. Sản phẩm tạo thành có bề mặt của thép, là cứng hơn và ít gãy hơn đồng thau, là thứ đang bị thay thế dần.

Ở Trung Quốc, những đồ vật bằng sắt đầu tiên được sử dụng cũng là sắt lấy từ thiên thạch, các chứng cứ khảo cổ học về các đồ vật làm từ sắt non xuất hiện ở miền tây bắc, gần Xinjiang trong thế kỷ 8 TCN. Các đồ vật làm từ sắt non có cùng quy trình như sắt được làm ở Trung Đông và châu Âu, và vì thế người ta cho rằng chúg được nhập khẩu bởi những người không phải là người Trung Quốc.

Trong những năm muộn hơn của nhà Chu (khoảng năm 550 TCN), khả năng sản xuất sắt mới đã bắt đầu vì phát triển cao của công nghệ lò nung. Sản xuất theo phương pháp lò nung không khí nóng có thể tạo ra nhiệt độ trên 1300 K, người Trung Quốc bắt đầu sản xuất gang thô và gang đúc.

Nếu quặng sắt được nung với cacbon tới 1420–1470 K, một chất lỏng nóng chảy được tạo ra, là hợp kim của khoảng 96,5% sắt và 3,5% cacbon. Sản phẩm này cứng, có thể đúc thành các đồ phức tạp, nhưng dễ gãy, trừ khi nó được phi-cacbua hóa để loại bớt cacbon. Phần chủ yếu của sản xuất sắt từ thời nhà Chu trở đi là gang đúc. Sắt, tuy vậy vẫn là sản phẩm thông thường, được sử dụng bởi những người nông dân trong hàng trăm năm, và không có ảnh hưởng đáng kể đến diện mạo của Trung Quốc cho đến tận thời kỳ nhà Tần (khoảng năm 221 TCN).

Việc sản xuất gang đúc ở châu Âu bị chậm trễ do các lò nung chỉ có thể tạo ra nhiệt độ khoảng 1000 K. Trong thời Trung cổ, ở Tây Âu sắt bắt đầu được làm từ bọt sắt để trở thành sắt non. Gang đúc sớm nhất ở châu Âu tìm thấy ở Thụy Điển, trong hai khu vực là Lapphyttan và Vinarhyttan, khoảng từ năm 1150 đến 1350. Có giả thuyết cho rằng việc sản xuất gang đúc là do người Mông Cổ thông qua nước Nga truyền đến các khu vực này, nhưng không có chứng cứ vững chắc cho giả thuyết này. Trong bất kỳ trường hợp nào, vào cuối thế kỷ14 thì thị trường cho gang đúc bắt đầu được hình thành do nhu cầu cao về gang đúc cho các súng thần công.

Việc nung chảy sắt thời kỳ đầu tiên bằng than củi như là nguồn nhiệt và chất khử. Trong thế kỷ 18, ở Anh việc cung cấp gỗ bị giảm xuống và than cốc, một nhiên liệu hóa thạch, đã được sử dụng để thay thế. Cải tiến của Abraham Darby đã cung cấp năng lượng cho cuộc cách mạng công nghiệp

Hợp chất

Các trạng thái ôxi hóa chung của sắt bao gồm:

• Trạng thái sắt(II), Fe²⁺, ferrous rất phổ biến.
• Trạng thái sắt(III), Fe³⁺, ferric, cũng rất phổ biến, ví dụ trong gỉ sắt.
• Trạng thái sắt(IV), Fe⁴⁺, ferryl, ổn định trong các enzym (ví dụ perôxidas).
• Sắt(VI) cũng được biết tới, nó hiếm hơn, có trong ferrat kali.
• cacbua sắt Fe₃C được biết đến như là cementit.

Xem thêm: Ôxít sắt

Đồng vị

Sắt có bốn đồng vị tự nhiên ổn định là Fe⁵⁴, Fe⁵⁶, Fe⁵⁷ và Fe⁵⁸. Sự phổ biến tương đối của các đồng vị sắt trong tự nhiên là: Fe⁵⁴ (5,8%), Fe⁵⁶ (91,7%), Fe⁵⁷ (2,2%) và Fe⁵⁸ (0,3%).

Fe⁶⁰ là đồng vị phóng xạ đã biến mất, nó có chu kỳ bán rã dài (1,5 triệu năm). Phần lớn các công việc trong quá khứ để đo thành phần đồng vị của sắt tập trung vào việc xác định các biến thể của Fe⁶⁰ vì các quá trình kèm theo sự tổng hợp hạt nhân (ví dụ nghiên cứu thiên thạch) và sự hình thành khoáng sản. Đồng vị Fe⁵⁶ cũng gây ra sự đặc biệt chú ý của các nhà khoa học vì nó có thể là hạt nhân ổn định nhất. Không thể thực hiện các phản ứng phân hạch hay nhiệt hạch trên Fe⁵⁶ mà có thể giải phóng năng lượng. Điều này thì lại không đúng với các nguyên tố khác.

Trong số các đồng vị ổn định, chỉ có Fe⁵⁷ có spin −1/2. Vì lý do này, Fe⁵⁷ có ứng dụng như là đồng vị spin trong hóa học và hóa sinh học.

Trong các pha của các thiên thạch Semarkona và Chervony Kut mối tương quan giữa mật độ của Ni⁶⁰ (sản phẩm sinh ra của Fe⁶⁰) và sự phổ biến của các đồng vị ổn định của sắt có thể được tìm thấy, nó chứng tỏ sự tồn tại của Fe⁶⁰ trong thời gian hình thành của hệ Mặt Trời. Có khả năng là năng lượng giải phóng bởi sự phân rã của Fe⁶⁰ góp phần cùng với năng lượng giải phóng bởi sự phân rã của hạt nhân phóng xạ Al²⁶, để nung chảy lại và làm phân biệt các tiểu hành tinh sau sự hình thành của chúng trước đây 4,6 tỷ năm. Sự phổ biến của Ni⁶⁰ hiện diện trong các vật chất ngoài Trái Đất có thể cung cấp thông tin để nhìn sâu hơn nữa vào nguồn gốc của hệ Mặt Trời cũng như lịch sử sơ kỳ của nó.

Cảnh báo

Việc hấp thụ quá nhiều sắt gây ngộ độc, vì các sắt II dư thừa sẽ phản ứng với các perôxít trong cơ thể để sản xuất ra các gốc tự do. Khi sắt trong số lượng bình thường thì cơ thể có một cơ chế chống ôxi hóa để có thể kiểm soát quá trình này. Khi dư thừa sắt thì những lượng dư thừa không thể kiểm soát của các gốc tự do được sinh ra.

Một lượng gây chết người của sắt đối với trẻ 2 tuổi là ba gam sắt. Một gam có thể sinh ra sự ngộ độc nguy hiểm. Danh mục của DRI về mức chấp nhận cao nhất về sắt đối với người lớn là 45 mg/ngày. Đối với trẻ em dưới 14 tuổi mức cao nhất là 40 mg/ngày.

Nếu sắt quá nhiều trong cơ thể (chưa đến mức gây chết người) thì một loạt các hội chứng rối loạn quá tải sắt có thể phát sinh, chẳng hạn như hemochromatosis. Vì lý do này, mọi người không nên sử dụng các loại hình sắt bổ sung trừ trường hợp thiếu sắt và phải có chỉ định của bác sĩ chuyên khoa.

Việc hiến máu là đặc biệt nguy hiểm do có thể sinh ra chứng thiếu sắt và thông thường được chỉ định bổ sung thêm các biệt dược chứa sắt.