Demir (Fe)
Demir, atom numarası 26 olan bir elementtir. Simgesi Fe dir (Lat. Ferrum dan).
Demir, yerkabuğunda en çok bulunan metaldir. Yerkürenin merkezindeki sıvı çekirdeğin de tek bir demir kristali olduğu tahmin edilmekle birlikte, demir nikel alaşımı olma ihtimali daha yüksektir. Dünyanın merkezindeki bu kadar yüksek miktardaki yoğun demir kütlesinin dünyanın manyetik alanına etki ettiği düşünülmektedir.
Demir metali, demir cevherlerinden elde edilir ve doğada nadiren elementel halde bulunur. Metalik demir elde etmek için, cevherdeki safsızlıkların kimyasal redüksiyon yoluyla uzaklaştırılmaları gerekir. Demir, aslında büyük ölçüde karbonlu bir alaşım olarak kabul edilebilecek olan çelik yapımında kullanılır.
Demir, tüm metaller içinde en çok kullanılandır ve tüm dünyada üretilen metallerin ağırlıkça %95'ini oluşturur. Düşük fiyatı ve yüksek mukavemet özellikleri demiri, otomotiv, gemi gövdesi yapımı, ve binaların yapısal bileşeni olarak kullanımında vazgeçilmez kılar. Çelik, en çok bilinen demir alaşımı olup, demirin diğer kullanım formları şunlardır:
Demirin ilk kullanımına dair işaretler, mızrak uçları, bıçak ve süs eşyası şeklinde olup Sümerlere ve eski Mısırlılara kadar (yaklaşık M.Ö. 4000 yılları) dayanmaktadır.
M.Ö.3500 ile M.Ö.2000 yılları arasında, Mezopotamya, Anadolu, ve Mısır civarında ergitilmiş demirden yapılmış objeler daha çok görülmeye başlanır. Bu objelerin içeriğinde nikele rastlanmaması da meteor taşlarından yapılmadıklarının bir göstergesidir. Ancak bunların kullanımlarının daha çok törensel olması, demirin o çağlarda altından bile daha pahalı olmasından dolayıdır. Örneğin İlyada'da savaş silahları bronzdan yapılmasına karşın demir ingotlar ticarette kullanılmaktadır. Bazı kaynaklara göre o çağlarda demir, bakır'ın saflaştırılması sırasında bir yan ürün olarak ('sünger demir') ortaya çıkmakta ve devrin metalurji bilgisi, demiri yeni baştan üretmeye yetmemektedir.
M.Ö.1600 ile M.Ö.1200 yıllarına gelindiğinde demirin Orta Doğu'da giderek artan bir şekilde kullanıldığı görülür, fakat gene de bronzun yerini alamaz.
M.Ö.1200 ile M.Ö.1000 yıllarında Orta Doğu'da, araç-gereç ve silah yapımında bronzdan demire hızlı bir geçiş yaşanmasının ardında demir işleme teknolojisinde kaydedilen bir gelişme değil, bronz yapımında kullanılan kalayın arzında yaşanan kesinti yatmaktadır. Dünyanın değişik yörelerinde değişik zamanlarda yaşanan bu geçiş süreci, yeni bir çağın, 'Demir Çağı'nın başlangıcının işareti olmuştur.
Demirin simyacılarca kullanılan simgesi.Bu simge, demirin, silahların metali olduğunu, savaş tanrısı Mars'ı işaret etmekteydi.
Bronzdan demire geçiş süreci sırasında gerçekleşen bir başka keşif de karbürizasyon olmuştur. Karbürizasyonun kelime anlamı demire karbon ilavesi prosesidir. Demir, sünger demir şeklinde kazanılmış ve tekrarlı bir şekilde katlanarak dövülmek suretiyle içerdiği curufun kütleyi terketmesi ve karbonun oksitlenmesi sağlanmıştır. Ancak dövülmüş dökme demirin çok az karbon içermesi nedeniyle su verme ile sertleştirilmesi pek kolay olmamaktaydı. Orta Doğu insanları, dökme demiri, odun kömürü üzerinde uzun süre ısıtıp daha sonra su veya yağda su vererek çok daha sert bir ürün elde etmeyi başarmışlardır. Elde edilen ürün, çeliğin yüzeyine sahipti ve yavaş yavaş yerini almaya başlayacağı bronzdan çok daha sert ve daha az kırılgandı.
Çin'de Zhou hanedanının son yıllarına doğru (M.Ö.550), oldukça gelişmiş ocak teknolojisi nedeniyle yeni bir demir üretim yöntemi ortaya çıktı. 1300K sıcaklıkları aşan yüksek fırın yapabilmeleri, Çinlilerin dökme demir (veya pik demir) üretmelerini sağladı.
Hindistan'da demirin kullanılışı M.Ö.250 yıllarına kadar geri gider. Delhi'de Kutup kompleksindeki ünlü demir direk, saf demirden (%98) yapılmış olup bugüne kadar bozulmadan gelebilmiş ve paslanmamıştır.
Demir, karbonla birlikte 1420–1470K sıcaklığa kadar ısıtıldığında oluşan sıvı ergiyik %96,5 demir ve %3,5 karbon içeren bir alaşımdır. Bu ürün ince detaylı şekiller halinde dökülebilirse de, içerdiği karbonun çoğunu uzaklaştırmak amacıyla dekarbürize edilmediği sürece, işlenebilmek için fazlasıyla kırılgandır.
İsveç demir çağından kalma bir balta. Gotland'da (İsveç) bulunmuştur.Avrupa'da dökme demirin gelişimi, ergitme ünitelerinde 1000K nin üzerine çıkılamadığı için epeyce geç olmuştur. Batı Avrupa'da, orta çağın büyük bir kısmında demir, sünger demirin dövülerek dökme demire dönüştürülmesiyle elde edilmiştir. Dökme demirin Avrupa'da ilk ortaya çıkışı İsveç'in Lapphyttan ve Vinarhyttan bölgelerinde 1150 ve 1350 yıllarında olmuştur. Bu gelişimin Moğollar tarafından Rusya üzerinden bu bölgelere getirildiği şeklindeki hipotezler doğrulanmamıştır. 14. yüzyılın sonlarına doğru, top güllelerine olan talep artışıyla birlikte dökme demir pazarı oluşmaya başlamıştır.
İlk demir izabe (ergitme) işlemlerinde, hem ısı kaynağı hem de redükleme aracı olarak odun kömürü kullanılmıştır. 18. yüzyıl İngiltere'sinde ağaç kaynaklarının azalmasıyla birlikte alternatif olarak kok kömürü kullanılmış ve Abraham Darby'nin bu buluşu endüstri devrimi için gerekli olan enerji kaynağını ortaya çıkarmıştır.
Demir dünyada en çok bulunan elementlerden birisi olup yerkabuğunda %5 oranında bulunur. Bu demirin büyük bir çoğunluğu, hematit, manyetit, ve takonit mineralleri içinde oksitli olarak bulunur. Dünyanın çekirdeğinin de büyük oranda metalik demir nikel alaşımından meydana geldiği tahmin edilmektedir.
Hematit cevheri.
Manyetit minerali.
Endüstriyel anlamda demir üretimi, başlıca cevherleri olan hematit (Fe2O3) ve manyetitin (Fe3O4) 2000°C sıcaklıklardaki yüksek fırın içerisinde karbotermik reaksiyonu (karbon ile redüksiyon) ile gerçekleşir.
Yüksek fırında demir cevheri, karbon (kok kömürü şeklinde) ve flaks (curuf yapıcı katkılar) ile birlikte yukarıdan beslenirken, ısıtılmış hava fırına alttan üflenir.
Fırın içerisinde, kok, oksijenle reaksiyona girerek karbon monoksit (CO) yapar:
6 C + 3 O2 » 6 COKarbon monoksit, aşağıdaki denklemde görüldüğü gibi cevheri (örnekte hematit verilmiştir) ergimiş demire redükleyerek karbon dioksite dönüşür:
6 CO + 2 Fe2O3 » 4 Fe + 6 CO2Flaks, cevherdeki safsızlıkların (özelikle SiO2 nin ve diğer silikatların) ergimesini sağlar. Yaygın olarak bilinen curuflaştırıcılar kireç taşı (kalsiyum karbonat) ve dolomit'tir (magnezyum karbonat). Cevherden uzaklaştırılması gereken empüritelerin cinsine göre farklı flakslar da kullanılabilir. Yüksek fırının içindeki sıcaklık kireç taşının kalsiyum oksit'e parçalanmasına neden olur:
CaCO3 » CaO + CO2Daha sonra kalsiyum oksit, silisyum oksit ile birleşerek curuf yapar.
CaO + SiO2 » CaSiO3Curuf, fırın içerisindeki sıcaklıkta ergir. Fırının tabanında curuf, kendinden daha yoğun olan sıvı demirin üzerinde yüzer. Fırının kenarında açılan oluklardan sıvı demir ve curuf ayrı ayrı alınır. Üretilen demir, pik demir olarak adlandırılır. Curuf soğuduktan sonra, kırılıp öğütülerek yol yapımında dolgu maddesi veya mineral bakımından fakir toprakların zenginleştirilmesi amacıyla kullanılabilir.
2000 yılında dünyada 1,1 milyar ton demir cevheri üretilmiştir. Bu miktarın piyasa değeri yaklaşık 25 milyar dolardır. Dünyada 48 ülkede demir cevheri üretimi yapılmakta olup en büyük beş üretici Çin, Brezilya, Avustralya, Rusya ve Hindistan'dır. Bu beş ülkenin toplam üretim içindeki payı %70'dir. Üretilen 1,1 milyar ton demir cevherinden yaklaşık 572 milyon ton pik demir elde edilmiştir.
Demirin fazlası insanlar için zehirleyicidir, çünkü aşırı miktarda alınan iki değerli demir (ferros demir) vücuttaki peroksitlerle reaksiyona girerek serbest radikaller yapar.
İnsan vücudu demirin emilimini çok sıkı kontrol eden bir mekanizmaya sahipse de vücuttan atılmasına ilişkin fizyolojik bir yetisi yoktur. Dolayısıyla, alınan aşırı mikardaki demir, sindirim sisteminin tüm bölgelerindeki hücrelere zarar verebilir ve kan dolaşım sistemine girebilir. Kan dolaşımına giren demir, kalp, karaciğer ve diğer organların hücrelerine de zarar vermeye başlar ve bu da, uzun süreli organ hasarları veya aşırı dozdan ölümlere kadar gidebilir.
İnsanlarda demir zehirlenmesinin başlangıç değer; vücut ağırlığının kilogramı başına alınacak 20 miligram demirdir. Kilogram başına 60 miligram demir, öldürücü dozdur. Demir zehirlenmesi ile ilgili fazla bilgi için tıklayınız (İngilizce ve dış kaynak). Altı yaşından küçük çocuklarda en çok görülen zehirlenme yoluyla ölüm nedeni, ferros sülfat tabletlerinin aşırı tüketimidir. Vücudun dayanabileceği günlük demir üst sınırı yetişkinlerde 45 miligram, 14 yaş altı çocuklarda ise 40 miligramdır.
Demir eksikliği hastalığı olanların haricinde ve bir doktora danışmaksızın demir takviyesi ilaçlarının kullanımı sakıncalıdır. Kan veren kişiler de düşük demir seviyesi riskine sahip olup demir alımlarını takviye etmelidirler.