Demirin Özellikleri ve Kullanım Alanları

Demir insanlar tarafından yaklaşık 5.000 yıl önce kullanılmaya başlanmıştır. Yerkabuğunda en bol bulunan ikinci metal elementtir. En önemli kullanım alanı çelik üretimidir.

Tarihçesi

Demirin demir içeren cevherlerin üzerinde odun yakılması sonucunda keşfedildiği düşünülmektedir. Ahşabın içindeki karbon cevherdeki oksijen ile reaksiyona girerek geride yumuşak, dövülebilir bir demir metali bıraktı. Demirin eritilmesi ile alet ve silah yapımı Mezopotamya’da (bugünkü Irak) milattan önce 2700 ile 3000 yılları arasında başladı. Sonraki 2.000 yıl boyunca demir eritme bilgisi, Demir Çağı olarak bilinen bir dönemde Avrupa ve Afrika’ya yayıldı.

17. yüzyıldan 19. yüzyılın ortalarına doğru çelik üretimi için verimli bir yöntem keşfedilesiye kadar demir, gemi, köprü ve bina yapımında yapısal bir malzeme olarak kullanıldı. 1889’da inşa edilen Eyfel Kulesi, 7 milyon kilogramdan fazla ferforje kullanılarak yapılmıştır.

Demirin Özellikleri

Ferromanyetik yetenek, demirin mıknatıs oluşturabileceği veya mıknatıslar tarafından çekilebileceği gösterir. Bu özellik demir içermeyen malzemeleri ayırt etmeyi sağlayan bir özelliktir.
Yumuşaklık, demirin en iyi bilinen mekanik özelliklerinden biri sertlik derecesidir. Demir yumuşak bir metaldir ancak diğer bileşenlerle birleştiğinde çok güçlü hale gelir. Pek çok uygulamada ve çeşitli sektörlerde demirin bu karışımı kullanılabilir.
Düşük maliyet, bu özellik demiri dünyadaki birçok endüstri için vazgeçilmez yapmıştır.
Dövülebilirlik, demir çekiçleme dışında basınç altında da deforme olabilir, bu durum çalışmanın ve şekillendirmenin kolay olduğu anlamına gelmektedir.
Çözünebilir, demir seyreltik asitlerde çözünür.
İletkenlik, demir elektrik ve ısı iletkenliği iyi iletir.

Pas

Demirin en kötü özelliği paslanma eğilimidir. Pas (veya demir oksit), demir oksijenle temas ettiğinde üretilen kahverengi, ufalanan bir bileşiktir. Suda bulunan oksijen gazı korozyon sürecini hızlandırmaktadır. Paslanma oranı, demirin ne kadar hızlı demir okside dönüştüğü ve sudaki oksijenin demirin yüzey alanına ne kadar temas ettiğine bağlı olarak değişir.

ÖNEMLİ NOT: Tuzlu su tatlı sudan daha fazla oksijen içerdiği için tuzlu su da paslanma tatlı suda paslanmadan daha hızlı gerçekleşir.

Demir çinko gibi metallerle kaplanarak paslanması önlenir. Demirin çinko ile kaplanması işlemi galvanizleme olarak adlandırılır. Paslanmayı önleyen en etkili yöntem çelik kullanımıdır.

Demir Alaşımları

Çelik, demir ve karbonun birleşimidir. İnşaatta, silahlarda ve ulaşımda kullanılır.
Paslanmaz çelik, en az %10,5 oranında krom ilavesiyle elde edilir. Aşınmaya karşı oldukça yüksek dirence sahiptir.
Karbon çeliği, bu alaşım çok kırılgan veya sünek değildir. Dövülebilmektedir ve gerilme direnci düşüktür.
Dökme demir, pik demirden elde edilen, karbon (%3 ile %5) ve silikon ile elde edilen alaşımdır. Hafiftir, güçlüdür ve aşınmaya karşı dayanıklıdır.
Demir ve nikel, ısıya ve asitlere karşı dirençli bir alaşım oluşturur.
Demir ve manganez, aşırı dayanıklıdır.
Demir ve tungsten, yüksek sıcaklıklarda sertliğini koruyabilir.

Demirin Kullanım Alanları

Çelik imalatında kullanılır.
İnşaat mühendisliğinde betonarme ve kiriş yapımında kullanılır.
Demir; nikel, krom, vanadyum, tungsten ve manganez gibi maddeler ile karıştırılarak karbon çelikleri gibi alaşımlı çelik yapımında kullanılır.
Demir alaşımları, köprü, elektrik direkleri, bisiklet zincirleri, kesici aletler ve tüfek namluları yapımında kullanılır.
Dökme demir %3 ile 5 oranında karbon içerir. Boru, vana ve pompa yapımında kullanılır.
Haber prosesi ile amonyak elde etmek için demir katalizörler kullanılır.
Demir alaşımları ve bileşikleri mıknatıs yapımında kullanılabilir.

Demirin Fiziksel Özellikleri

Nemli havada paslanır, kuru havada paslanmaz.
Seyreltik asitlerde kolaylıkla çözünür.
Oda sıcaklığında bu ferrit veya α-formundadır.
910 °C’de çok daha yumuşak olur γ-demire dönüşür.
1536 °C’de erir ve 2861 °C’de kaynar.
Metaldir ve doğada manyetiktir.

Demirin Kimyasal Özellikleri

Grup	8	Erime noktası	1536 °C
Periyot	4	Kaynama noktası	2861 °C
Blok	d	Yoğunluk (g·cm ^-3 )( 20 ° C’de)	7,8 g.cm-3
Atom numarası	26	Göreceli atomik kütlesi	55.845
20 °C’de durum	Katı	Önemli izotopu	⁵⁶ Fe
Elektron konfigürasyonu	[Ar] 3d ⁶ 4s ²	CAS numarası	7439-89-6

Demir Neden Diğer Elementlerden Farklıdır?

Atomlar arasındaki fark atomların çekirdeğinde bulunan proton sayısından kaynaklanmaktadır. Proton sayısı her elementi eşsiz kılar, bu nedenle periyodik tabloda atom sayılarına göre düzenlenirler. Bir elementin atomunda bulunan proton sayısına atom numarası da denir.

Demirin 26 protonu vardır, yani atom numarası 26’dır. Demirin çekirdeğinde 26 proton bulunması onu demir yapan şeydir. Eğer demirin çekirdeğine yirmi yedi proton oluşturacak şekilde bir proton eklenirse bu durum kobalt (Co) elementi atomunu oluşturacaktır. Demirin protonlarından biri alınırsa manganez (Mn) atomu oluşacaktır. Proton sayısının değiştirilmesi atomu tamamen değiştirmektedir.

Demir Üretimi

Demir çoğunlukla dünya yüzeyinin yakınında bulunan cevherlerden üretilir. Modern ekstraksiyon teknikleri, uzun yığınlar (baca benzeri yapılar) ile karakterize edilen yüksek fırınları kullanır. Demir, kok (karbon bakımından zengin kömür) ve kireçtaşı (kalsiyum karbonat) ile birlikte yığınlara dökülür. Günümüzde yapılan demir cevheri yığına girmeden önce bir sinterleme sürecinden geçer. Sinterleme işlemi, 10-25 mm’lik cevher parçalarını oluşturur bu parçalar kok ve kireçtaşı ile karıştırılır.

Sinterlenmiş cevher, kok ve kireçtaşı ile karıştırıldıktan sonra 1.800 °C’de yanan yığına dökülür. Kok ısı kaynağı olarak kullanılır. Fırına atılan O2, kok ile birlikte indirgeyici gaz olan CO’in oluşmasını sağlar. Kireçtaşı demirdeki yabancı maddelerle karışarak cüruf oluşturur. Cüruf erimiş demir cevherine göre daha hafiftir bu nedenle yüzeye doğru yükselir ve kolayca alınır. Sonrasında, sıcak demir pik demir eldesi için kalıplara dökülür veya doğrudan çelik üretimi için hazırlanır.

Pik demir halen % 3.5 ile % 4.5 oranında karbon içeren demirdir. Diğer yabancı maddeler ile birlikte olduğu için zor kırılır. Pik demirdeki fosfor ve sülfür safsızlıklarını gidermek ve dökme demir elde etmek için çeşitli işlemler yapılır. Ferforje % 0,25’ten daha az karbon içerir, serttir, dövülebilir ve kolayca kaynaklanabilir. Ancak ferforje üretimi düşük karbonlu çeliğe göre çok daha zahmetli ve maliyetlidir.

2010 yılında küresel demir cevheri üretimi yaklaşık 2,4 milyar tondu. Çin en büyük üreticiydi ve tüm üretimin yaklaşık %37,5’ini oluşturmaktaydı. Avustralya, Brezilya, Hindistan ve Rusya diğer büyük üretici ülkelerdir. ABD Jeolojik Araştırması’na göre dünyada üretilen tüm metal tonajının %95’ini demir veya çelik oluşturmaktadır.

Demirin Geri Dönüşümü

Demir, araçlarda, çelik alaşımlarda, arabalardan gemilere ve uçaklara kadar pek çok yerde kullanımı olan bir maddedir. Bu nedenle demirin geri dönüşümü birçok çevresel fayda sağlamaktadır. Demir geri dönüşümü ile doğal kaynakların kullanımını azaltılır, daha düşük karbon emisyon seviyeleri elde edilir ve işlenmemiş cevherden daha fazla metal eldesi için gereken enerji miktarı azaltılmış olur.

ÖNEMLİ NOT: Geri dönüştürülen 1 ton çelik için, 1,5 ton demir cevheri tasarrufu yapılır. Emisyonlar %86, su kirliliğini %76 azaltılmış olur.

Demir Hakkında İlginç Bilgiler

İnsan kanında hemoglobin formunda yaklaşık 4 gram demir bulunur.
Evrendeki en bol bulunan 6. elementtir.
Bilinen dört allotropik demir formu vardır.

Kaynak: 1 (Erişim: ) 2 (Erişim: ) 3 (Erişim: )