Lịch sử nghiên cứu khoáng sản sắt

LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU KHOÁNG SẢN SẮT

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).

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 nguời 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.

  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 vàVinarhyttan, 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.

  Tóm lại sắt là một dạng nguyên liệu quan trọng bậc nhất giữ vai trò cách mạng trong lịch sử ( F. Anghen). Sắt là một trong những sản phẩm chính của công nghiệp hiện đại  và là một trong những cơ sở của nển văn minh ( V.Lenin).

Đọc thêm:

Sắt,  26Fe
Quang phổ vạch của sắt
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Sắt, Fe
Phiên âm	Mỹ /aɪ.ərn/; Anh /ˈaɪən/
Hình dạng	Ánh kim xám nhẹ
Sắt trong bảng tuần hoàn
↑ Fe ↓ Ru Mangan ← Sắt → Côban
Số nguyên tử (Z)	26
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (Ar)	55,845(2)
Phân loại	kim loại chuyển tiếp
Nhóm, phân lớp	8, d
Chu kỳ	Chu kỳ 4
Cấu hình electron	[Ar] 3d6 4s2
mỗi lớp	2, 8, 14, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc	Ánh kim xám nhẹ
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	1811 K ​(1538 °C, ​2800 °F)
Nhiệt độ sôi	3134 K ​(2862 °C, ​5182 °F)
Mật độ	7,874 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 6,98 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	13,81 kJ·mol−1
Nhiệt lượng bay hơi	340 kJ·mol−1
Nhiệt dung	25,10 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Tính chất nguyên tử
Độ âm điện	1.83 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 762.5 kJ·mol−1 Thứ hai: 1561.9 kJ·mol−1 Thứ ba: 2957 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 126 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	132±3 (low spin), 152±6 (high spin) pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lập phương tâm khối
Vận tốc âm thanh	thin rod: (điện) 5120 m·s−1 (ở r.t.)
Độ giãn nở nhiệt	11,8 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	80,4 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 20 °C: 96,1 n Ω·m
Tính chất từ	Sắt từ
Mô đun Young	211 GPa
Mô đun cắt	82 GPa
Mô đun nén	170 GPa
Hệ số Poisson	0,29
Độ cứng theo thang Mohs	4
Độ cứng theo thang Vickers	608 MPa
Độ cứng theo thang Brinell	490 MPa
Số đăng ký CAS	7439-89-6
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Sắt
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 54Fe 5.8% >3,1×1022năm 2ε capture  ? 54Cr 55Fe Tổng hợp 2,73 năm ε capture 0.231 55Mn 56Fe 91.72% 56Fe ổn định với 30 nơtron 57Fe 2.2% 57Fe ổn định với 31 nơtron 58Fe 0.28% 58Fe ổn định với 32 nơtron 59Fe Tổng hợp 44,503 ngày β− 1.565 59Co 60Fe Tổng hợp 2,6×106 năm β− 3.978 60Co