Jern

Jern
Metallisk, gråt
Periodiske system
Generelt
Atomtegn	Fe
Atomnummer	26
Elektronkonfiguration	2, 8, 14, 2
Gruppe	8 (Overgangsmetal)
Periode	4
Blok	d
Atomare egenskaber
Atommasse	55,845(2)
Atomradius	140pm
Kovalent radius	125pm
Elektronkonfiguration	[Ar] 4s² 3d6
Elektroner i hver skal	2, 8, 14, 2
Kemiske egenskaber
Oxidationstrin	2,3,4, 6
Elektronegativitet	1,83 (Paulings skala)
Fysiske egenskaber
Tilstandsform	Fast stof
Krystalstruktur	kubisk rumcentreret
Massefylde(fast stof)	7,86 g/cm3
Smeltepunkt	1538 °C
Kogepunkt	2861 °C
Smeltevarme	13,81kJ/mol
Fordampningsvarme	340 kJ/mol
Varmefylde	25,10 J·mol–1K–1
Varmeledningsevne	80,4 W·m–1K–1
Varmeudvidelseskoeff.	11,8 µm/(m·K)
Elektrisk resistivitet	96,1⋅10-9Ω·m (20 °C)
Mekaniske egenskaber
Youngs modul	211 GPa
Forskydningsmodul	82 GPa
Kompressibilitetsmodul	170 GPa
Poissons forhold	0,29
Hårdhed(Mohs' skala)	4
Hårdhed(Vickers)	608 MPa
Hårdhed(Brinell)	490 MPa

Jern(oldnordisk:iarn,germansk:isarn) er navnet på ettungmetal,etgrundstofi detperiodiske systemmed kemisk symbol Fe (latinFerrum,Jern) og atomnummer 26. Det er etmetalog står i 4. periode og i 8. undergruppe, da der idet periodiske systembåde er hovedgrupper og undergrupper, og jern(Fe) står i undergruppen.

Vigtigste egenskaber

Jern er det tiende mest almindelige grundstof iuniversetog udgør 6,2 % af jordens overflade. Det er dermed det fjerde mest udbredte grundstof på Jorden (efteroxygen,siliciumogaluminium). Jern menes at være hovedbestanddelen afJordens kerne.

Jern udvindes afjernmalm,der ikke er rent jern, men som indeholderjernoxider,såsomhæmatitogmagnetit.Jernmalmen reduceres til råjern med koks i en højovn(en såkaldtRedoxreaktion), bagefter gennemblæses råjernet med ren ilt for at fjerne (for meget) kulstof og andre urenheder. En del af urenhederne er silikater, som fjernes i form afslagger.

Jern er betydningsfuldt for fremstillingen afstål.De forskellige ståltyper kaldeslegeringer,der foruden jern indeholder andre metaller og ikke-metaller (særligtkulstof).

Atomkerneni jernisotopen⁵⁶Fe har den næsthøjeste bindingsenergi pr.kernepartikelaf alle atomkerner. Den isotop, der ligger højest er en nikkel isotop. Når stjerner banker andre grundstoffer sammen til jern, befinder stjernen sig i sin sidste fase, når det meste er omdannet til jern vil energi produktionen stoppe meget brat og stjernen falder sammen under sin egen vægt. Det vil sige, at isotopen ikke er anvendelig til dannelse af fusionenergi (atomkernesammensmeltning) eller fissionsenergi (atomkernespaltning). Dette er sandsynligvis også grunden til at mange meteoritter er jern/nikkel legeringer.

Fusionenaf atomer (primærtbrintoghelium) istjernerneslutter med jern. Tungere grundstoffer opstår isupernovaeksplosioner,som også er grunden til spredningen af det materiale, der er dannet ved fusion inde i stjernen.

Ved stuetemperatur er den mest almindeligeallotropeform af rent jern ferrit eller α-jern. Denne allotrop danner et kubisk rumcentreretkrystalgitter,der eksisterer under 911 °C. UnderCuriepunktetved 760 °C er ferritmagnetisk.Allotropen mellem 760 °C og 911 °C hedder β-jern. Ud over de magnetiske egenskaber adskiller den sig ikke fra ferritisk α-jern. Den bliver derfor sædvanligvis betegnet som α-jern. Indtil 1.392 °C findes jern 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 1.538 °C.

Jern som mineral

Jern optræder meget sjældent i helt ren form i naturen. Mineraletkrystallisereri et terningeformet krystalsystem og har enhårdhedpå 4,5 påMohs' hårdhedsskalaog en stålgrå til sort farve. Grundet jerns molyculære opbygning oxyderer den let hvisvandogilt/oxygen er til stede, og ændrer derved farve til brun. Når jern er i sin oxyderede form, befinder det sig på det laveste energistadie, og er i denne form stabilt. Jern kan kun eksistere i sin helt rene form hvis det er isoleret, det kan som i cordens tilfælde være af et ydre lag jernoxid der forhindrer den indre kerne i af ændre molekylestruktur.

Anvendelser

Jern er med 95 % af tonnagen det metal, der bruges mest i Verden. Grunden er, at det er til rådighed de fleste steder, hvilket gør det billigt, samt at jernlegeringernes fasthed og sejhed gør dem nyttige på mange områder. Meget jern bliver anvendt ved fremstillingen afbiler,skibeog i højhusbyggerier (jernbeton).

Jern er det ene af de fire magnetiske metaller (kobolt,nikkeloggadolinium), og det muliggør dermed den storindustrielle brug afelektromagnetismeielektriske generatorer,transformatorerogelektromotorer.

Rent jernpulver bruges kun ikemien.Derimod er de forskellige stålarter meget udbredt i industrien. Jern bruges i følgende former:

• Råjernindeholder 4-5 %kulstofsammen med forskellige andele afsvovl,fosforogsilicium.Det er et mellemprodukt i fremstillingen af støbejern og stål.

• Støbejern2-4,5 % kulstof og flere andre legeringsstoffer som fx silicium ogmangan.Afhængigt af afkølingstempoet findes kulstoffet i støbejern enten somkarbideller i ren form somgrafit.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.

• Stålindeholder 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.

• Smedejernhar et kulstofindhold på under 0,3 % og er sejere og blødere end stål.

• Hæmoglobin:Jern(II)-ioner indgår i blodets røde farvestof og medvirker tiloxygentransport

• Plantenæringsstof:Jern er et uundværligt stof for alleorganismer(bådeplanterogdyr). 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 øgejordenssurhedsgrad (hvad der frigør mere jern i en form, der kan optages) eller ved at strø jernvitriol (jernsulfat) på jorden under planten. Normalt vil 10 g/m² være passende.

Teknologisk karakter

Forekomster

Jern er sammen mednikkelformodentlig hovedbestanddelen afJordenskerne. Omskiftelserne mellem fast jern i den indre og flydende jern i den ydre kerne skaber formentlig Jordensmagnetfelt.

Med en andel på 5 % er jern dog også et af de mest udbredtegrundstofferijordskorpen.De første kilder, der blev udnyttet, varmyremalmog frit tilgængelige malme. I dag udnytter man først og fremmest magnetjern med et indhold på 40 %.

Det vigtigstemineraltil jernudvinding erhæmatit,der mest består af Fe₂O₃.Jernet bliver udvundet gennem en kemiskreduktionmedkulstofved entemperaturpå omkring 2.000 °C. Først tilfører man højovnenkoks,som reagerer medluftensiltog dannerkulmonooxid:

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 afsiliciumdioxid.Ved tilførsel afkalkbliver siliciumdioxidet udskilt somslagger.Et første reaktionstrin omdannerkalkentil kalciummonoxid:

CaCO₃→ CaO + CO₂

Derpå reagerer kalciummonoxidet med siliciumdioxidet:

CaO + SiO₂→ CaSiO₃

Det dannede slagger bliver brugt i vejbyggeri og tidligere også somgødning.

På verdensplan blev der i år2000udvundet omkring 1.000 megatonjernmalm til en værdi af cirka 25 milliarder euro. De mest betydningsfulde leverandører af jernmalm erKina,Brasilien,Australien,RuslandogIndien.De fem lande leverer tilsammen cirka 70 % af verdens behov. Af de 1.000 megaton malm blev der udvundet cirka 572 megaton jern. Dertil kommer det jern, der udvindes af skrot.

Brydning

Jernmalm bliver udvundet i åbne brud og i egentligeminer.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 iSydamerika,særligt Brasilien, i det vestlige Australien, i Kina, iØsteuropa(fxUkraine) ogCanada.

I de seneste år har disse lande fortrængt de lande, der oprindeligt var de mest betydningsfulde leverandører af jernmalm som fxFrankrig,SverigeellerTyskland,hvis sidste jernmine iOberpfalzblev lukket i1987.

Jernskrot – et vigtigt tilskud i fremstillingen afstål.

Ganske vist skaber den relativt lette brydning også et stort problem:Eksportenaf 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 somOk Tedi-minen iPapua Ny Guineaødelægger ikke aleneregnskovenpå deres egentlige område, men også hele landskabet i vid omkreds.Spildevandogslamindeholdergiftigsttoffer.Ofte tager mineejerne ikke hånd om det, og giften spredes viafloderneog optages i fisk og andre organismer. På den måde er minedrift blevet til en sundhedsrisiko for den lokale befolkning, som lever nedstrømsOk Tedi.

Jernmalmen når sjældent direkte fra bjergværket til højovnenes lagerpladser. Ofte skal det transporteres lang vej over land og hav med flere omladninger undervejs.

Før den videre forarbejdning bliver malmen til sidst slået i stykker og knust. Derpå 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. I højovnen er der skiftevis et lag af jernmalm, og et lag af koks. Koks er en slags kul, som er 90 % kulstof, og det bruges både som brændsel i højovnen, og til filtrering af metallet. I bunden blæses luft ind til at give en bedre forbrænding, men oxygenet indgår også i reaktionen.

Kemiske 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,ferro-
  • Fe⁺³,ferri-
  • Fe⁺⁴,forekommer i nogle enzymer (f.eks.Peroxidase).
  • Fe⁺⁶,er sjælden (f.eks. K₂FeO₄)
  • Fe₃C

Isotoper

Jern har fire naturligt forekommende, stabileisotopermed følgende, relative forekomst:⁵⁴Fe (5,8 %),⁵⁶Fe (91,7 %), ⁵⁷Fe (2,2 %) og⁵⁸Fe (0,3 %).

De mest stabile isotoper Isotop Naturlig hyppighed Halverings- tid(t1/2) Nedbrydnings- modus Nedbrydnings- energi ZP 54Fe 5,8 % Stabil isotopmed 28neutroner 55Fe Syntetisk radioisotop 2.73 år ε Einfang 0.231MeV 55Mn 56Fe 91,72 % Stabil isotopmed 30neutroner 57Fe 2,2 % Stabil isotopmed 31neutroner 58Fe 0,28 % Stabil isotopmed 32neutroner 59Fe Syntetisk radioisotop 44.503 år β 1.565 MeV 59Co 60Fe Syntetisk radioisotop 1.5E6år β- 3.978 MeV 60Co SI-enheder og standardbetingelser bliver brugt, hvis ikke andet er nævnt

Fordelingen afnikkel- og jernisotoperimeteorittergør det muligt at måle isotop- og grundstofhyppigheden under dannelsen afsolsystemet,og at regne sig frem til de ydre vilkår før og undersolsystemetsskabelse.

Isotopen⁶⁰Fe har enhalveringstidpå 1,5 millioner år. Eksistensen af⁶⁰Fe ved begyndelsen af planetsystemets opståen er blevet opdaget ved en sammenhæng mellem forekomsten af⁶⁰Ni,henfaldsproduktet fra⁶⁰Fe, og forekomsterne af de stabile Fe-isotoper i visse dele af fleremeteoritter(fx i meteoritterneSemarkonaogChervony Kut). Muligvis spillede den frigjorte energi fra det radioaktive henfald af⁶⁰Fe, sammen med henfaldsenergien fra det ligeledes indlejrede, radioaktive²⁶Al,en rolle ved opsmeltningen og differentieringen afasteroiderneumiddelbart efter deres dannelse for cirka 4,6 milliarder år siden.

Kun jernisotopen⁵⁷Fe harkernespin,og kan derfor bruges i kemi og biokemi.

Biologi

Jernforbindelser er nødvendige mikronæringsstoffer for mange dyr, som har brug for det som centralatom ihæmoglobinet.Desuden er jern en bestanddel af jern-svovl-komplekset (iron-sulphur-cluster) i mangeenzymer.

Angribendebakterierudnytter ofte jern, og derfor er det en afværgemekanisme i kroppen at 'skjule' jern.

Forsigtighedsregler

Selv om jern er et vigtigt mikronæringsstof for mennesker, kan overskud af jern i kroppen væregiftigt.Ved høje koncentrationer, reagerer Fe²⁺-ioner med peroxider, hvorved der opstår frieradikaler.Under normale forhold bliver disse holdt i skak af kroppens egne processer.

Cirka 1 gram jern fremkalder alvorlige forgiftningssymptomer hos toårige børn, og 3 gram kan være dødeligt. Langvarigt overskud af jern fører tilhæmokromatose(jernudskilningssyge). Jernet ophobes ileveren,og der fører det tilsiderose(aflejring af jernsalte) og organskader. Derfor kan jernpræparater kun anbefales i forbindelse medjernmangel.

Se også

• Barringerkrateret
• Jernets historie
• Myremalm
• Okker
• Pyrit
• Rust
• 16 Psyche

Eksterne henvisninger

Wikimedia Commonshar medier relateret til: Jern