W dniu 22.10. 2025 r. wysłuchaliśmy wykładu dr hab. inż. Jacka Pieprzycy, profesora Politechniki Śląskiej z Katedry Metalurgii i Recyklingu: ”Żelazo pierwiastek z gwiazd”.
Żelazo otacza nas wszędzie. Rzadko się zastanawiamy skąd się tu znalazło.
Żelazo o symbolu Fe (ferrum) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 26, metal z VIII grupy układu okresowego.
13,5 mld lat temu nastąpił Wielki Wybuch. Po 300-400 mln lat zaczęły powstawać pierwiastki. Pierwszy był wodór (H2 – deuter). Został naukowo zidentyfikowany i opisany przez Henry’ego Cavendisha w 1766 roku). Następnie powstał hel, a później inne.
Ernest Rutheford udowodnił, że atom ma jądro, w którym skoncentrowany jest cały jego ładunek dodatni i większość masy. Wywnioskował to po eksperymencie, w którym cząstki alfa bombardowały cienką złotą folię i przechodziły przez nią bez zmiany kierunku lotu.
Elektrony krążą po orbitach. Gdyby elektron miał wielkość piłeczki do ping-ponga, to krążyłby po orbicie w odległości korony dużego stadionu.
Artur Eddington w 1920 przewidział mechanizm procesów jądrowych w gwiazdach. Źródłem energii gwiazdowej jest synteza wodoru w hel. Miejscem, gdzie powstają pierwiastki, są wnętrza gwiazd. W gwiazdach o dużej masie w procesie fuzji jądrowej powstają pierwiastki, gdzie żelazo jest ostatnim pierwiastkiem, wytworzenie którego wiąże się z uwolnieniem energii.
Pierwiastki o większej liczbie atomowej powstają w wyniku gwałtownego wybuchu supernowej, która rozrzuca w przestrzeń izotopy pierwiastków, których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. Badania widm gwiazdowych, które były podstawą teorii B2FH nazwanej tak od od nazwisk Margaret Burbridge, Geoffreya Burbridge, Wiliama Fowlera i Freda Hoyle’a. Teoria ta dostarczyła rewolucyjnego wyjaśnienia powstawania pierwiastków chemicznych.
James Chadwick w 1932 na podstawie eksperymentów odkrył nową cząstkę w jądrze atomu, która została nazwana neutronem. Tego samego odkrycia w tym samym czasie dokonał Hans Falkenhagen, który go nie opublikował. Chadwick chciał się z nim podzielić Nagrodą Nobla, ale Falkenhagen odmówił.
Słońce powstało ok. 4,6 mld lat temu po wybuchu supernowej. Słońce ma jeszcze trwać ok. 5 mld lat. Kiedy skończy się wodór, Słońce zacznie się zapadać i powstanie biały karzeł.
Wokół młodego Słońca orbitował dysk protoplanetarny. Znajdująca się w nim materia oddziaływała na siebie. Wytworzyły się planetozymale, które były czymś w rodzaju zalążków planet. Gdy ciężkie pierwiastki zaczęły się zderzać, doszło do ich połączenia. Tak uformowało się skaliste jądro Ziemi. Nad nimi powstał płaszcz, w którym dochodziło do cyrkulacji materii. Lżejsze pierwiastki wzniosły się ku powierzchni, tworząc skorupę ziemską. Ziemia zderzyła się z ciałem niebieskim wielkości Marsa (Thea), które krążyło na tej samej orbicie. W wyniku kolizji, skorupy obu obiektów stopiły się, a w przestrzeń kosmiczną zostały wyrzucone ogromne odłamki skalne. Część z nich spadła na Ziemię ale pozostałe zaczęły się łączyć. Tak powstał Księżyc w odległości 25000 km i kiedy zaczął się oddalać, pogoda na Ziemi zaczęła się stabilizować.
Budowa wnętrza Ziemi.
Nasza planeta składa się z następujących warstw:
– skorupa ziemska, warstwa o grubości od kilku (pod oceanami) do kilkudziesięciu kilometrów, (w obrębie kontynentów),
– płaszcz górny (35-400km),
– płaszcz dolny (400-2900km),
– jądro, ( promień wynosi ok. 3500 km, temperatura ok. 6000 stopni Celsjusza).
Jądro zewnętrzne jest płynne (2900-5100km).
Jądro wewnętrzna jest ciałem stałym (5100-7370km).
Powstało pole magnetyczne, które chroni planetę przed promieniowaniem kosmicznym.
Na Ziemię spadał rój meteorytów (węgiel, woda). Ziemia pokrywa się wodą i stygnie. Oceany są ciepłe. Pojawiają się w nich proste organizmy jednokomórkowe, beztlenowe (podobne
do bakterii). Były otoczone błoną komórkową i zawierały cząsteczkę DNA. Miały komórkę bez wyodrębnionego jądra, chloroplastów. Odżywiały się cudzożywnie. Później pojawiły się organizmy zdolne do fotosyntezy, sinice (samożywne).
Pod względem masy żelazo jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym na Ziemi. Stanowi większość jej jądra zewnętrznego i wewnętrznego. Jest czwartym najbardziej powszechnym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej.
Żelazo występuje w minerałach takich jak: czerwony hematyt, zwany krwawnikiem, czarny magnetyt, często w postaci kryształów, syderyt, piryt i żelazo rodzime.
Podstawowym źródłem produkcji żelaza są rudy żelaza.
Pojawili się ludzie. Minęła epoka kamienia, następnie brązu. W 1922 roku archeolodzy odnaleźli nienaruszony grobowiec faraona Tutanchamona (władcy Egiptu,1333-1323 p.n.e.). Po wielu latach badań ustalono, że znaleziony tam „kosmiczny” sztylet, który miał złotą rękojeść i wykonaną z kryształu głowicę wykuto z meteorytu.
Pierwsze proste piece hutnicze (dymarki) w Europie pojawiły się ok. II wieku p.n.e. (na ziemiach polskich ok. I wieku n. e). Najwięcej ich śladów znaleziono w dawnym Zagłębiu Świętokrzyskim. Były to proste konstrukcje zagłębione w ziemi, służące do wyrobu żelaza (piece jednorazowego użytku). Później (XII wiek) budowano ziemne piece z otworem spustowym do usuwania żużlu i zastosowano miechy do wtłaczania powietrza.
Uzyskiwana forma żelaza miała postać gęstej porowatej bryły (gąbki) zawierającej żużel.
Było ono poddawane wielokrotnemu kuciu w celu usunięcia żużla i otrzymaniu materiału nadającego się do produkcji narzędzi i broni.
Charakterystyczny czerwony kolor Marsa wynika z dużej zawartości tlenku na jego powierzchni, co kojarzyło się starożytnym z wojną i krwią.
Abraham Darby (1677-1717) angielski hutnik, jako pierwszy użył koksu zamiast węgla drzewnego do wytopu surówki (1709) w Wielkiej Brytanii, co miało kluczowe znaczenie dla rewolucji przemysłowej.
W Coalbrookdale można odwiedzić Muzeum żelaza (Odkryj, jak żelazo zmieniło świat).
Rewolucja przemysłowa to proces zmian związany z przejściem od gospodarki opartej na rolnictwie oraz produkcji manufakturowej bądź rzemieślniczej do mechanicznej produkcji fabrycznej na dużą skalę (przemysłową).
Henry Cort opracował nową metodę przerabiania surówki na stal (pudlingowanie).
W 1856 Henry Bessemer opatentował metodę produkcji stali bezpośrednio z rozgrzanego pieca poprzez przedmuchiwanie surówki i zamienianie jej na stal bezpośrednio w konwektorze.
Piec Siemensa-Martina ( martenowski) to hutniczy wannowy piec płomieniowy z odzyskiwaniem ciepła spalin.
Walenty Roździeński (1560-1621) to polski hutnik, właściciel kuźni, urodził się w miejscowości Rozdzień (obecnie Katowice Szopienice). Jest autorem wierszowanego poematu „Officina ferraria, albo huta i warsztat z kuźniami szlachetnego dzieła żelaznego” (1612) opisującego stan ówczesnego hutnictwa i górnictwa. Autor opisuje w nim historię obróbki żelaza oraz życie i pracę śląskich górników, hutników i kowali, którą znał z własnego doświadczenia. Wprowadził do swego utworu liczne cytaty i komentarze biblijne, oparte na ewangelickiej postylli górniczej z 1562 roku pt. „Sarepta”.
Notatkę sporządził: Henryk Duda