ธาตุเหล็ก

 เหล็กเป็นโลหะแทรนซิชันที่มีมากที่สุดในธรรมชาติและเป็นโลหะที่มีมากในพื้นโลกเป็นอันดับ 2  รองจากอะลูมิเนียม เหล็กบริสุทธิ์มีสีเทาเป็นมันวาว สามารถถูกดูดโดยแม่เหล็ก แต่ความเป็นแม่เหล็กจะหายไปอย่างรวดเร็ว เหล็กเป็นโลหะที่สึกกร่อนหรือเป็นสนิมได้ง่ายในธรรมชาติพบเหล็กอยู่ในรูปแร่ฮีมาไทต์ (Fe2O3) แมกนีไทต์ (Fe3O4) และไพไรต์(FeS2)

การเตรียมและประโยชนเหล็กเตรียมได้โดยการถลุงจากแร่ฮีมาไทต์ ในกระบวนถลุงเหล็กจะใช้แร่ฮีมาไทต์ในปริมาณมากผสมกับถ่านโค้กและหินปูน ใส่ในเตาถลุงโดยใส่ทางส่วนบนของเตา จากนั้นก็พ่นอากาศหรือออกซิเจนร้อนเข้าทางส่วนล่าง ถ่านโค้กก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนบริเวณก้นเตาเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซต์ (CO2) ดังสมการ

C(s) + O2 (g) -------> CO2 (g) ………..(1)

ปฏิกิริยานี้คายความร้อนออกมาทำให้อุณหภูมิบริเวณก้นเตาสูงประมาณ 1900 C แล้วก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับถ่านโค้กต่อไปเกิดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ดังสมการ

CO2 (g) + C(s) ------> 2CO(g) (ปฎิกิริยาดูดความร้อน) .....(2)

ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เกิดขึ้นจะลอยขึ้นไปทำปฏิกิริยากับแร่ฮีมาไทต์ได้ไอร์ออน (II/III) ออกไซด์(Fe3O4) ดังสมการ

3Fe2O3(s) + CO(g) ----> 2Fe3O4(s) + CO2 (g) …..(3)

Fe3O4 จะทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ไอร์ออน (II) ออกไซด์ดังสมการ

Fe3O4(s) + CO(g) -----> 3FeO(s) + CO2 (g) …….(4)

จากนั้น FeO ก็จะถูกรีดิวซ์โดยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (ทำปฏิกิริยากับ CO) กลายเป็นเหล็กบริเวณก้นเตาซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 1300 C ถึง 1800 C ทำให้เหล็กที่ได้หลอมเหลว

FeO(s) + CO(g) -----> Fe(l) + CO2 (g) …..(5)

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นบริเวณก้นเตาในสมการ (5) จะปฏิกิริยากับถ่านโค้กให้ก๊าซ

คาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งใช้ประโยชน์ต่อไปได้อีก (ดูสมการ (2))

เนื่องจากในสินแร่มักมีสิ่งเจือปนอยู่ด้วย เช่น ออกไซด์ของซิลิคอน (SiO2) ออกไซด์ของอะลูมิเนียม(Al2O3) สิ่งเหล่านี้จะไปทำปฏิกิริยากับหินปูนที่เติมลงไปกลายเป็นกากตะกอน (Slag) ลอยอยู่เหนือเหล็ก

 

 

                เหลวที่ก้นเตาถลุง ซึ่งสามารถไขออกได้ เหล็กที่ถลุงได้เรียกว่าเหล็กหล่อ (Pig iron) ซึ่งแข็งแต่เปราะแตกง่ายเมื่อทุบหรือตี ซึ่งเหล็กที่ได้นี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์บางอย่างได้เท่านั้นเพราะยังไม่มีสมบัติดีพอที่จะนำไปใช้งานทั่ว ๆ ไป จึงต้องนำมาปรับปรุงคุณภาพโดยการแยก มลทินออกให้เหลือน้อยที่สุดหรือใช้โลหะอื่นผสมอยู่ด้วยแต่จะปรับปรุงคุณภาพอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของงานที่จะนำเหล็กไปใช้เหล็กที่ใช้ในอุตสาหกรรมและงานต่าง ๆ มักเป็นเหล็กเหนียว เหล็กกล้าและเหล็กกล้าผสมเหล็กเหนียว คือ เหล็กที่เกือบจะบริสุทธิ์มีคาร์บอนปนอยู่ประมาณ 0.1 – 0.2% และมีสิ่งเจือปนอื่นๆ น้อยกว่า 0.5% เหล็กเหนียวใช้ทำเส้นลวด สายโทรศัพท์ โซ่และอื่น ๆเหล็กกล้าคือเหล็กที่มีคาร์บอนปนอยู่น้อยกว่า 1.5% เหล็กกล้ามีหลายชนิดขึ้นอยู่กับปริมาณของคาร์บอน เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนตํ่ากว่า 0.2% เรียกเหล็กกล้าอ่อน (mild steel) ซึ่งเป็นเหล็กกล้าที่ไม่ค่อยแข็งนัก ใช้ทำตัวถังรถยนต์ ทำท่อ ทำน๊อต ทำแผ่นเหล็กอาบสังกะสีหรือดีบุกเป็นต้น เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 0.2 – 0.6% เรียกเหล็กกล้าปานกลาง (medium steel) เป็นเหล็กกล้าที่แข็งแรงกว่าชนิดแรก ใช้ทำราง รถไฟและสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ และเหล็กกล้าที่มีคาร์บอน 0.75 – 1.5 % เรียกเหล็กกล้าชนิดคาร์บอนสูง (High-Canbon steel) เป็นเหล็กที่แข็งแกร่งมาก ใช้ทำใบมีดโกน อาวุธมีคม และเครื่องมื่ออื่น ๆ สำหรับเหล็กกล้าผสมเป็นเหล็กกล้าที่มีธาตุอื่น ๆ ผสมอยู่ในปริมาณที่กำหนด ธาตุแต่ละชนิดที่ผสมลงไปนั้นจะทำให้เหล็กกล้าผสมที่ได้มีสมบัติเหมาะที่จะใช้งานต่าง ๆ กันนอกจากนี้เหล็กยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของเม็ดเลือดแดง ทำหน้าที่นำก๊าซออกซิเจนไปสู่เซลล์ต่างๆ ของร่างกาย ถ้าขาดธาตุเหล็กจะทำให้เกิดโรคโลหิตจาง