Elda stålull

Kemisk bakgrund

Förbränningen av stålullen

När man ska få något att brinna krävs tre saker, värme, syre och brännbart material. Saknas något av dessa tre saker så blir det ingen eld. I detta försök så får vi syret från luften, brännbara ämnet är stålullen och värmen får vi från en tändare, tändstickor eller dylikt.

Stålullen innehåller järn (Fe). I luften som vi andas finns det syre, O2. Vid förbränningen reagerar järnet med syret och bildar en järnoxid, Fe2O3. Reaktionsformlen är 4 Fe(s) + 3 O2 → 2 Fe2O3. Järnet har oxiderats till trevärt järn, Fe3+. Samtidigt har syret reducerats till oxidjoner, O2-.

Järnets oxidationstal

Tvåvärt järn

Järn i oxiderad form kan vara tvåvärt eller trevärt. I oxiden FeO är oxidationstalet +II och formeln är med oxidationstalen utskrivna Fe2+O2-. Denna oxid kallas ibland järn(II)oxid för att markera oxidationstalet. Ett annat exempel på en järnförening är FeCl2 som benämns antingen järndiklorid när man tänker på formeln eller järn(II)klorid när man vill betona oxidationstalet.

Trevärt järn

I oxiden Fe2O3 är oxidationstalet +III. Formeln med oxidationstal blir [Fe3+]2[O2-]3 och namnet järn(III)oxid. Motsvarande klorid är FeCl3 som kallas järntriklorid respektive järn(II)klorid.

Blandade oxidationstal

I en annan vanlig oxid, Fe3O4, har man blandade oxidationstal för järnet och formeln kan skrivas Fe2+[Fe3+]2[O2-]4 och benämns järn(II,III)oxid.

Är vi säkra på att det bildas Fe2O3?

När järn reagerar med syre så kan det i princip bildas olika järnoxider, antingen FeO, Fe3O4 eller Fe2O3. Vi vet att järnoxiden väger mera än bara järnet eftersom vikten av syre tillkommer. Man kan titta på hur många gånger vikten har ökat och kontrollera vad som stämmer bäst med den teoretiska viktökningen.

Den teoretiska viktökningen får man genom att räkna på molmassorna och antal mol enligt respektive reaktionsformel. Till exempel har 2 mol Fe vikten 2·55.8 g = 111,6 g och 2 mol FeO väger 2· (55,8 + 16,0) g = 143,6 g. Viktökningen när 2 mol Fe bildar 2 mol FeO är då 143,6/111,6 = 1,286 ggr.

Räknar vi på motsvarande sätt för de två övriga järnoxiderna kan vi sammanställa följande tabell:

2 Fe + O2 → 2 FeO (oxidationstal +II) m(FeO)/m(Fe) = 143,6/111,6 = 1,286 ggr
3 Fe + 2 O2 → Fe3O4 (oxidationstal +II, +III) m(Fe3O4)/m(Fe) = 231,4/167,4 = 1,382 ggr
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3 (oxidationstal +III) m(Fe2O3)/m(Fe) = 319,2/223,2 = 1,430 ggr

Väg stålullen före förbränning och väg sedan järnoxiden efter förbränning. Beräkna sedan kvoten mellan järnoxidens och järnets vikt och jämför med värdena i tabellen. Din kvot från experimentet bör ligga närmast 1,430 om det verkligen bildas Fe2O3.

Ditt experimentella värde avviker säkert något från det teoretiska. Det är också ganska små marginaler för att skilja mellan de olika oxiderna. Därför är det viktigt att ha koll på möjliga felkällor. Att arbeta med noggrannhet är nödvändigt för att undvika felaktiga vikter. Men även andra fel kan uppstå. Har till exempel allt järn brunnit upp? Vilken betydelse kan det ha om stålullen inte innehåller rent järn? I stål brukar det finnas en mindre mängd kol. Kan kolets vikt vara så stor att det påverkar resultatet av mätningen? Och tänk om det inte bildas bara en sorts järnoxid, utan det blir en blandning av oxider.

Fördjupning

Järn

Järn är ett grundämne med beteckningen Fe, vilket är de två första bokstäverna i det latinska namnet Ferrum. Järn är antagligen den metall som haft störst betydelse för människan genom historien. När man upptäckt hur järn kunde framställas ur malmen, började det gradvis konkurrera ut brons som var känt sedan tidigare. Järnåldern var början på en allt snabbare teknisk utveckling med järn och stål som konstruktionsmaterial som fortsätter än idag.

Sverige har en lång tradition av att framställa järn och stål. Järnmalm bröts tidigt i Bergslagen, men den viktigaste malmbrytningen sker nu i Kirunavaara och Malmberget. Internationellt är ändå Sverige en liten aktör på marknaden.

En viktig egenskap hos järn är att egenskaperna kan förbättras genom inblandning av kol och andra metaller. Kolet ger järnet hårdhet och legeringsmetaller såsom nickel och krom förbättrar seghet, skyddet mot korrosion med mera. Stålet kan också härdas genom upphettning följd av snabb avkylning. Dessutom kan stålet smidas.

En nackdel med järn och stål är att det rostar. Det krävs åtgärder för att minska rostproblemet, vilket man kan göra på flera olika sätt. Trots det kostar korrosionen enorma summor varje år.

Gjutjärn

När järnet tillverkas ur malmen används kol som reduktionsmedel. Kol löser sig i järnsmältan. Om sådant järn får stelna blir resultatet en kollegering av järn som lämpar sig för gjutning, men är inte smidbart.

Stål

Genom färskningsprocesser kan kolhalten minskas. Järn med låg kolhalt kallas stål. Stål finns i många olika kvalitéer där ofta andra metaller också ingår som legeringsämnen. Val av legeringsämnen och halter beror på vilka egenskaper man vill att stålet ska ha.

Stål är smidbart. Själv smidningsprocessen ger förbättrade materialegenskaper genom att kristallstrukturen i järnet förändras.

Järn i människor och djur

Järn är ett livsnödvändigt grundämne för de flesta levande organismer. Järnet ingår i hemgruppen som binder syre för transport via blodbanorna ut i kroppens delar.


Ej syresatt struktur med Chime

Syresatt struktur med Chime


Materialdata för järn

Smältpunkten för rent järn är 1538 °C. Smältpunkten är hög, liksom för flertalet andra metaller, eftersom metallbindningen i materialet är stark. Att värma 1 kg järn från 0 °C till smältpunkten kräver 690 kJ och sedan krävs ytterligare 247 kJ för att smälta det. Fortsätter man värma så når man till slut kokpunkten kokpunkt vid 2862 °C.

Molmassan är 55,847 g/mol. Densiteten vid rumstemperatur är 7,874 g/cm3 och vid smältpunkten 6,98 g/cm3.

De vanligaste oxidationstillstånden är +2 och +3. Eftersom järnet är en relativt oädel metall förkommer den i naturen mest som kemisk förening, ofta förenad med syre eller svavel.

Tekniskt så används järn nästan alltid legerat med andra ämnen. Legeringsämnena förbättrar hårdhet, korrosionsbeständighet osv.

Förekomst

Jordskorpan består till ca 6 % av järn, som är den näst aluminium vanligaste metallen och det fjärde vanligaste grundämnet där. Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre, och i jorden som helhet är järn det vanligaste grundämnet med uppskattningsvis ca 35 % av jordklotets totala massa. Även i universum är järn ett ganska vanligt grundämne. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel, är gediget järn ytterst ovanligt i naturen. Det finns som legering dels med endast några procent nickel i fyndigheter främst på ön Disco (Grönland) där det bildats genom en naturlig masugnsprocess, dels med nickelhalter på 34-77 % i den naturligt förekommande legeringen nickeljärn. Vissa meteoriter har också höga järnhalter.

I jordskorpan finns ett stort antal järnhaltiga mineral. De för utvinning av metallen viktigaste är oxider och karbonat. Oxidiska järnmineral är magnetit, Fe3O4, som bildar svartmalm, hematit (järnglans), Fe2O3, som bildar blodstensmalm och limonit (järnockra), FeO(OH)·n H2O, som bildar sjö- och myrmalm. Järn finns också som karbonatet siderit (järnspat), FeCO3, som sulfiden FeS2 (järn(II)sulfid) i mineralen pyrit (svavelkis), markasit och magnetkis, som silikat i t.ex. chamosit, som fosfat i vivianit Fe3(PO4)2·8 H2O och tillsammans med titan i dubbeloxiden ilmenit, FeTiO3.

Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton med ett järninnehåll av ca 110 000 miljoner ton. Havsvatten innehåller ca 0,1 mg järn/ton.

Framställning i modern tid

Tekniskt järn är järn som antingen innehåller avsiktligt tillsatta legeringsämnen eller föroreningar som härstammar från utgångsmaterial eller framställningsprocess. Bland legeringsämnen intar kol en specialställning. Kolhalten bestämmer till stor del järnets egenskaper. Järn med kolhalt mindre än ca 2 % kallas stål och är smidbart. Järn med högre kolhalt benämns gjutjärn, tackjärn eller råjärn. Stålframställning från järn sker enligt ett flertal metoder där utgångsmaterialet är smält råjärn eller - om järnframställningen skett i fast form - järnsvamp. Skrot är också ett viktigt utgångsmaterial. Tillverkningsmetoderna behandlas mer ingående under andra uppslagsord, t.ex. bessemerprocess, elektrometallurgi, järnsvampprocesser, Kaldoprocessen, LD-processen, masugnsprocessen, martinprocessen, smältreduktionsprocesser och thomasprocessen. Se även stål och gjutjärn samt metallurgi. Järn och stål är världens viktigaste konstruktionsmaterial; se konstruktionsstål.

Järnframställningens utveckling

Framställning av järn ur malm är känd sedan Hettiternas tid, 1400-talet f.Kr och tidigare. Tillverkning av järn i Sverige anses ha tagit sin början ca 400-500 år f.Kr.; den grundades på sjö- och myrmalm. Brytning av bergmalm började troligen inte förrän på 1100-talet. Framställning av smidbart järn skedde länge direkt ur malm genom en enda process. I början gjordes endast en grop i marken, fodrad med lera eller sten. Bränsle och reduktionsmedel var ved som fick brinna ned till en glöd, varmed rostad myrmalm upphettades och reducerades till järn. Längre fram gjordes även ugnar av sten, som höjde sig över markytan men dock var mycket låga; träkol användes i stället för ved. Luft tillfördes genom naturligt drag vid de äldsta ugnarna. Genom att införa bläster, först hand- eller trampdriven men senare driven av vattenkraft, åstadkom man högre temperaturer. Temperaturen i blästerzonen blev dock inte så hög och atmosfären inte så starkt reducerande att det erhållna järnet smälte till råjärn (tackjärn). Det samlades i halvsmält form på ugnsbottnen och fick brytas ut med jämna mellanrum efter avställning av driften. Man fick fram ett mycket slagghaltigt järn, som genom upprepad upphettning och hamring bearbetades till en för verktyg och vapen användbar produkt.

I strävan att ekonomisera driften av ugnarna ökades ugnshöjden, och luftinblåsningarna gjordes effektivare. Järnets kolhalt ökades därvid och järnet erhölls i smält form. Gångarten avskildes som flytande slagg. Järnet kunde gjutas och användas som utgångsmaterial för framställning av smidbart järn, stål. Denna utveckling från en diskontinuerlig process till en kontinuerlig schaktugnsprocess, masugnsprocessen, skedde under 1100-1200-talen.

För att kunna överföra tackjärn till smidbart järn utvecklade man de primitiva metoderna till de s.k. härdsmides- eller välljärnsmetoderna, t.ex. osmund- (medeltiden), tysk- (1500-talet), vallon- (1600-talet) och lancashiresmide (1800-talet). Som bränsle och reduktionsmedel användes länge träkol i masugnarna. P.g.a. brist på träkol provades som alternativ stenkol i form av koks. Den första stenkolsmasugnen uppfördes i England 1735. I Tyskland byggdes den första koksmasugnen 1767. Genom riklig tillgång på träkol, järnmalm lämplig för masugnsdrift och vattenenergi hade dittills Sverige varit ledande inom järnframställningen (jfr Järnhanteringen i Sverige nedan). I mitten av 1700-talet härrörde 30-40 % av världshandeln med järn från Sverige. Andelen sjönk dock snart mycket kraftigt. I Sverige, som saknar inhemska koksande stenkol, började träkol ersättas med koks först under de första åren av 1900-talet.

Under 1900-talets första hälft byggdes i Sverige ett flertal elektromasugnar för råjärnsframställning. I dessa ersätts bränslet av el, och reduktionsmedlet utgörs av träkol eller koks (stenkol). Från 1960-talet sker all framställning i Sverige i masugnar med koks som bränsle och reduktionsmedel.

Vid sidan av masugnsprocessen har under 1900-talet järnsvampprocesser utvecklats, där järnmalmen reduceras i fast fas i schaktugn med gas, numera framställd ur naturgas, eller i roterugn eller tunnelugn med stenkol och koks. Denna råjärnsframställningsmetod tillämpas numera endast i ringa utsträckning i Sverige. Här hade den dock stor betydelse i mitten av 1900-talet. Ett intensivt arbete pågår under 1990-talet i olika delar av världen för att utveckla en ny typ av järnframställningsprocesser - s.k. smältreduktionsprocesser - där agglomererade järnmalmer (sinter) ersätts av järnmalmspulver (slig), koks ersätts av stenkolspulver och masugnen oftast ersätts av en konverter.

Råjärnsproduktionen i Sverige uppgick under 1990-talet till ca 3 miljoner ton per år och sker i två masugnar vid SSAB, Luleå, och två masugnar vid SSAB, Oxelösund. Järnsvamp framställs i Höganäs i en kvantitet om 100 000-120 000 ton per år. Järnsvampen används som utgångsmaterial för järnpulver.

Av det råjärn som tillverkas i världen (537 miljoner ton 1998) utgör 93,1 % masugnsråjärn; resten är järnsvamp som framställs huvudsakligen i länder där billig naturgas är tillgänglig som bränsle och reduktionsmedel.

Järnets egenskaper

Naturligt järn består av en blandning av fyra stabila isotoper med masstal 54, 56, 57 och 58. Ett tiotal radioaktiva isotoper är dessutom kända.

Rent järn är en silvervit, plastiskt formbar och ej särskilt hård metall, som är ferromagnetisk upp till Curie-punkten vid 768 °C. Om en järnmagnet upphettas över denna temperatur, förlorar den sin magnetisering. Järn har tre allotropa modifikationer. Det vid vanliga temperaturer stabila s.k. α-järnet med en rymdcentrerad, kubisk struktur övergår vid 906 °C till en ny modifikation, g-järn, som har ytcentrerad kubisk struktur, är paramagnetiskt och kan bilda fasta lösningar med järnkarbid (cementit) Fe3C, vilket utnyttjas vid stålframställning. Vid 1 403 °C bildas en ny allotrop modifikation, δ-järn, med rymdcentrerad, kubisk struktur, som är stabil upp till smältpunkten. Rent järn leder elektrisk ström ca sex gånger sämre och värme ca fem gånger sämre än koppar.

Rent järn är stabilt i torr luft och i vatten som inte innehåller syre eller koldioxid. Metallen reagerar däremot lätt med utspädda syror under bildning av vätgas. I koncentrerade oxiderande syror som salpetersyra eller sura dikromatlösningar överdras ytan med ett tätt lager av järn(III)oxid, Fe2O3, som skyddar mot vidare angrepp (s.k. passivering). Järn reagerar även med varm koncentrerad natriumhydroxid under vätgasutveckling och bildning av järn(III)hydroxidfällning. I fuktig luft eller i syrehaltigt vatten överförs metallen snabbt till järn(III)oxidhydroxid, FeO(OH), rost. Järn reagerar direkt med de flesta icke-metaller. I finfördelad form brinner järn i luft (är pyrofor) och metallen reagerar också direkt med svavel, halogener, kol och fosfor. Järnets fysikaliska och kemiska egenskaper varierar kraftigt med halten kol och lösta metaller.

Flogistonteorin

Tidigare hade man ansett att alla brännbara ämnen innehöll något som man kallade "flogiston" och som frigjordes då förbränningen ägde rum. Denna lära hade utvecklats mot slutet av 1600-talet av den tyske kemisten Georg Stahl. En olägenhet med teorin var att det var svårt att förklara varför vissa ämnen ökar i vikt då de förbränns. Man måste tillskriva flogiston en negativ vikt.

Antioine Lavoisier genomförde en serie av försök, där han förbrände t.ex. fosfor, bly och andra ämnen i slutna behållare. Han noterade att vikten av behållaren och dess innehåll inte ökades, medan däremot vikten av förbränningsprodukten ökade. År 1772 hade han kommit fram till att fosfor och svavel brinner med viktökning genom att de båda substanserna på något sätt förenar sig med luften. Han upptäckte 1774 att då en "kalk", oxid med modernt språkbruk, upphettas tillsammans med träkol så bildas den gas som Joseph Black hade döpt till fixerad luft eller koldioxid med modernt språkbruk. Av detta kunde man dra slutsatsen att kolet på något sätt hade reagerat med luft.

En kort tid därefter besökte Joseph Priestley Lavoisier i Paris. Priestley hade något tidigare funnit att då man upphetta kvicksilveroxid så avges en gas och kvar blir metalliskt kvicksilver. Denna gas hade Priestley kallat "avflogistonerad luft". Lavoisier upprepade Priestleys försök och ungefär 1778 hade han klart för sig att det i luften finns en gas som förenar sig med de ämnen som brinner och att det är denna gas som bildas då röd kvicksilveroxid upphettas. Lavoisier kallade gasen oxygene som är grekiska och betyder syrabildare. Detta på grund av att han hade den felaktiga föreställningen att alla syror innehåller oxygene eller syre som den kom att kallas på svenska. En stark syra som inte alls innehåller syre är ju saltsyra, HCl.


Fakta på avancerad nivå om flogistonteorin kommer.