Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số hiệu nguyên tử bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB chu kỳ 4. Sắt là nguyên tố có nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ ngoài và trong của lõi Trái Đất. Sắt, Côban [Co] và Niken [Ni] được biết là 2 nguyên tố cuối cùng có thể tạo thành qua tổng hợp ở nhân sao [hình thành qua phản ứng hạt nhân ở tâm các vì sao] mà không cần phải qua một vụ nổ siêu tân tinh hay các biến động lớn khác. Do đó sắt và Niken khá dồi dào trong các thiên thạch kim loại và các hành tinh lõi đá [như Trái Đất, Sao Hỏa].
Thuộc tính
M,6%] tạo ra Trái Đất; sự tập trung của sắt trong các lột nguyên tử sắt điển hình có khối lượng gấp 56 lần khối lượng một nguyên tử hiđrô điển hình. Sắt là kim loại phổ biến nhất, và người ta cho rằng nó là nguyên tố phổ biến thứ 10 trong vũ trụ. Sắt cũng là nguyên tố phổ biến nhất [theo khối lượng, 34 lớp khác nhau của Trái Đất dao động từ rất cao ở lõi bên trong tới khoảng 5% ở lớp vỏ bên ngoài; có thể phần lõi của Trái Đất chứa các tinh thể sắt mặc dù nhiều khả năng là hỗn hợp của sắt và niken; một khối lượng lớn của sắt trong Trái Đất được coi là tạo ra từ trường của nó. Ký hiệu của sắt Fe là từ viết tắt của ferrum, từ Latinh để chỉ sắt.
Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất khó tìm thấy nó ở dạng tự do. Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng phương pháp khử hóa học. Sắt được sử dụng trong sản xuất gang và thép, đây là các hợp kim, là sự hòa tan của các kim loại khác [và một số á kim hay phi kim, đặc biệt là cacbon].
Hạt nhân của sắt có năng lượng liên kết cao nhất, vì thế nó là nguyên tố nặng nhất được sản xuất trong các phản ứng nhiệt hạch và là nhẹ nhất trong phản ứng phân rã hạt nhân. Các ngôi sao có khối lượng lớn khi gần cháy hết nhiên liệu hiđrô, sẽ bắt đầu các chuỗi phản ứng hạt nhân tạo ra các chất có khối lượng nguyên tử tăng dần, bao gồm cả sắt, trước khi bùng nổ thành các siêu tân tinh.
Các mô hình vũ trụ trong vũ trụ mở dự đoán rằng có một giai đoạn ở đó do kết quả của các phản ứng nhiệt hạch và phân hạch chậm lại, mọi thứ sẽ trở thành sắt.
Đặc điểm cơ học
Các đặc điểm cơ học của sắt và các hợp kim của nó có thể được xác định bằng nhiều thí nghiệm khác nhau, như thử nghiệm Brinell, thử nghiệm Rockwell và thử nghiệm độ cứng Vickers. Các dữ liệu đối với sắt rất phù hợp trong việc sử dụng nó để so hiệu chỉnh các đo đạc hoặc so sánh các thử nghiệm.[1][2] Tuy nhiên, các đặc điểm cơ học của sắt cũng bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ tinh khiết của mẫu: các tinh thể sắt riêng lẻ nguyên chất dùng cho mục đích nghiên cứu thực sự là mềm hơn nhôm,[3] và sắt sản xuất trong công nghiệp tinh khiết nhất [99,99%] có độ cứng 20–30 Brinell.[4] Việc tăng hàm lượng cacbon trong sắt sẽ làm tăng đáng kể độ cứng và độ bền kéo của sắt. Độ cứng lớn nhất của 65 Rc đạt được khi hàm lượng cacbon là 0,6%, mặc dù loại này làm cho kim loại có độ bền kéo thấp.[5]
Sắt là một đại diện ví dụ cho tính chất thù hình của kim loại. Có ít nhất 4 dạng thù hình của sắt gồm α, γ, δ, và ε; ở áp suất rất cao, một vài bằng chứng thực nghiệm còn tranh cãi cho thấy sự tồn tại của pha ổn định β ở áp suất và nhiệt độ rất cao.[6]
Sơ đồ pha áp suất thấp của sắt tinh khiết
Khi sắt nóng chảy nguội đi, nó kết tinh ở 1538 °C ở dạng thù hình δ, dạng này có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối [bcc]. Khi nó nguội nhiều hơn cấu trúc tinh thể của nó chuyển sang dạng lập phương tâm mặt [fcc] ở 1394 °C, khi đó nó có ở dạng sắt γ, hay austenit. Ở 912 °C cấu trúc tinh thể lại chuyển sang dạng bcc là sắt α, hay ferrit, và ở 770 °C [điểm Curie, Tc] sắt trở thành sắt từ. Khi sắt đi qua điểm Curie sẽ không có sự thay đổi cấu trúc tinh thể, nhưng có sự thay đổi về “cấu trúc domain”, ở đây mỗi domain chứa các nguyên tử sắt với các spin electron cụ thể. Ở sắt chưa bị từ hòa, tất cả các spin electron của các nguyên tử bên trong một domain có cùng hướng; các domain kề bên chỉ các hướng khác nhau và do đó triệt tiêu nhau. Đối với sắt bị từ hóa, các spin electron của tất cả các domain đều được xếp cùng hướng, vì vậy các hiệu ứng từ của các domain lân cận tăng cường lẫn nhau. Mặc dù mỗi domain chứa hàng tỉ nguyên tử, chúng rất nhỏ với bề rộng chỉ khoảng 10 micromet.[7] Ở áp suất trên 10 GPa và nhiệt độ hàng trăm K hoặc thấp hơn, sắt α chuyển thành cấu trúc sáu phương kết chặt [hcp], hay còn gọi là sắt ε; pha γ có nhiệt độ cao hơn cũng biến đổi thành sắt ε, nhưng ở áp suất cao hơn. Pha β, nếu tồn tại, có thể ở áp suất ít nhất 50 GPa và nhiệt độ ít nhất 1500 K; nó được cho là có cấu trúc trực thoi hoặc hcp kép.[6]
Lịch sử
Các vật dụng bằng sắt có niên đại lớn hiếm hơn các vật dụng làm bằng vàng hay bạc do tính dễ ăn mòn của sắt.[8] Những hạt là từ sắt thiên thạch năm 3500 TCN hoặc sớm hơn được G. A. Wainwright tìm thấy ở Gerzah, Ai Cập.[9] Các hạt chứa 7,5% niken, là một dấu hiệu về nguồn gốc thiên thạch vì sắt được phát hiện trong vỏ Trái Đất có rất ít hoặc không có thành phần niken. Sắt thiên thạch có chất lượng cao do nguồn gốc của nó từ vũ trụ và thường được dùng làm vũ khí và các dụng cụ hoặc các mẫu vật được đặt trong các nhà thờ.[9] Các vật dùng có thể làm từ sắt bởi những người Ai Cập có tuổi khoảng 3000 đến 2500 TCN.[8] Sắt có lợi thế hơn đồng trong việc làm dụng cụ chiến tranh. Nó cứng hơn và bền hơn đồng, mặc dù dễ bị rỉ sét. Trevor Bryce cho rằng trước khi công nghệ rèn sắt tiến bộ được phát triển ở Ấn Độ, các vũ khí làm từ sắt thiên thạch đã được sử dụng bởi quân đội Mesopotamia trước đó đã chiếm ưu thế trong chiến đấu do dùng hàm lượng cacbon cao.[10]
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 nhỏ 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 từng 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, 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 Tân Cương 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.
Ứng dụng
Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế được, đặc biệt trong các ứng dụng như sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng. Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại khác của sắt như:
Gang thô [gang lợn] chứa 4% – 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác như lưu huỳnh, silic, phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sang thép cũng như các loại gang đúc [gang trắng và gang xám]. Gang đúc chứa 2% – 3.5% cacbon và một lượng nhỏ mangan. Các chất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, như lưu huỳnh và phốt pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được. Nó có điểm nóng chảy trong khoảng 1420–1470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó, làm cho nó là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau. Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ. Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng, nó có xu hướng phá vỡ hình dạng của vật. Thép carbon chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, phốt pho và silic. Sắt non chứa ít hơn 0,5% cacbon. Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy như gang thô. Nó có rất ít cacbon. Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất này rất nhanh. Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, như crôm, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v. Ôxít sắt [III] được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này. Trong sản xuất xi măng người ta trộn thêm Sunfat Sắt vào để hạn chế tác hại của Crom hóa trị 6-nguyên nhân chính gây nen bệnh dị ứng xi măngvới những người thường xuyên tiếp xúc với nó Sản xuất
Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất, chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất. Phần lớn sắt được tìm thấy trong các dạng ôxít sắt khác nhau, chẳng hạn như khoáng chất hematit, magnetit, taconit. Khoảng 5% các thiên thạch chứa hỗn hợp sắt-niken. Mặc dù hiếm, chúng là các dạng chính của sắt kim loại tự nhiên trên bề mặt Trái Đất.