Sắt là kim loại con người dùng nhiều nhất: tính theo khối lượng, phần áp đảo kim loại sản xuất ra mỗi năm là sắt, chủ yếu dưới dạng thép. Sắt nguyên chất lại khá mềm, nóng chảy ở khoảng 1.538 °C, nên gần như mọi đinh vít, cốt thép, thân xe, dầm cầu quanh ta đều là sắt đã pha thêm một chút cacbon và vài nguyên tố khác. Hiểu sắt là hiểu vì sao một lượng pha trộn rất nhỏ lại đổi hẳn tính chất của cả một vật liệu.
Sắt có nhiều đến mức nào trên Trái Đất?
Trong vỏ Trái Đất, sắt đứng thứ tư trong các nguyên tố (sau ôxy, silic và nhôm), chiếm khoảng 5% khối lượng. Nếu tính cả hành tinh thì sắt còn nhiều hơn thế rất nhiều, vì phần lớn lõi Trái Đất là hợp kim sắt – niken. Màu đỏ của đất đồi, màu nâu của gỉ trên lan can, màu vàng của đá ong miền Bắc đều có phần đóng góp của các hợp chất sắt.
Sắt ít khi nằm ở dạng kim loại ngoài tự nhiên. Nó gắn với ôxy thành quặng. Ba loại quặng hay được nhắc trong sách Hoá học phổ thông:
| Quặng | Thành phần chính | Hàm lượng sắt lý thuyết | Nhận biết |
|---|---|---|---|
| Manhetit | Fe₃O₄ | khoảng 72% | màu đen, hút nam châm |
| Hematit | Fe₂O₃ | khoảng 70% | đỏ nâu đến xám, vạch để lại màu đỏ |
| Limonit (hematit nâu) | ôxít sắt ngậm nước | thấp hơn, tuỳ độ ngậm nước | vàng nâu, thường xốp |
| Xiđerit | FeCO₃ | khoảng 48% | xám vàng, sủi bọt nhẹ với axit |
Hàm lượng ghi trong bảng là của khoáng vật tinh khiết. Quặng đào lên luôn lẫn đất đá, nên nhà máy phải tuyển, nghiền, thiêu kết hoặc vê viên trước khi đưa vào lò cao.
Vì sao sắt nguyên chất lại mềm?
Sắt rất tinh khiết (trên 99,9%) mềm đến mức có thể uốn bằng tay khi ở dạng sợi mảnh. Nguyên nhân nằm ở mạng tinh thể. Ở nhiệt độ phòng, nguyên tử sắt xếp theo kiểu lập phương tâm khối: mỗi ô mạng có tám nguyên tử ở góc và một nguyên tử ở giữa. Khi bị lực tác dụng, các mặt nguyên tử trượt lên nhau nhờ những chỗ lệch nhỏ trong mạng gọi là lệch mạng. Trong sắt sạch, không có gì cản đường các lệch mạng ấy, nên kim loại chảy dẻo dễ dàng.
Thêm vài phần nghìn cacbon là đủ đổi cục diện. Nguyên tử cacbon nhỏ, chen vào khe giữa các nguyên tử sắt, làm mạng bị méo cục bộ và ghim các lệch mạng lại. Kết quả là thép cứng và bền hơn sắt sạch nhiều lần. Cùng một nguyên tố chính, chỉ khác chưa tới 1% thành phần, mà một bên là sợi dây mềm, một bên là lò xo xe máy.
Sắt đổi cách xếp nguyên tử khi nóng lên
Sắt là một kim loại có nhiều dạng thù hình. Từ nhiệt độ phòng tới khoảng 912 °C, sắt ở dạng lập phương tâm khối (gọi là sắt alpha). Từ khoảng 912 °C tới 1.394 °C, nguyên tử chuyển sang lập phương tâm mặt (sắt gamma), dạng này hoà tan được nhiều cacbon hơn hẳn. Trên 1.394 °C, sắt quay về lập phương tâm khối (sắt delta) cho tới khi chảy lỏng ở khoảng 1.538 °C. Chính việc sắt đổi qua lại giữa các dạng này khi nung và làm nguội là nền móng của mọi cách nhiệt luyện thép trong nhà máy.
Sắt, thép và gang khác nhau ra sao trong đời thường?
Trong tiếng Việt đời thường, chữ "sắt" được dùng rất rộng: "sắt xây dựng", "cửa sắt", "sắt vụn". Thật ra phần lớn những thứ ấy là thép. Người làm vật liệu phân biệt theo lượng cacbon:
| Tên gọi | Lượng cacbon (gần đúng) | Tính chất nổi bật | Ví dụ quanh ta |
|---|---|---|---|
| Sắt kỹ thuật, sắt non | rất thấp, dưới khoảng 0,02–0,05% | mềm, dễ nhiễm từ và mất từ | lõi nam châm điện, lõi rơ le |
| Thép cacbon thấp | khoảng 0,05–0,25% | dẻo, dễ hàn, dễ uốn | tôn, dây thép buộc, ống, thân xe |
| Thép cacbon trung bình và cao | khoảng 0,3–1% | cứng, đàn hồi, chịu mài mòn | trục, lò xo, ray, dụng cụ cầm tay |
| Gang | trên khoảng 2% | chảy ở nhiệt độ thấp hơn, đúc tốt, giòn | nắp hố ga, vỏ máy bơm, bánh đà |
Gang nóng chảy ở khoảng 1.150–1.300 °C tuỳ thành phần, thấp hơn sắt sạch cả mấy trăm độ. Đó là lý do gang dễ đúc thành hình phức tạp, còn thép thường được cán, rèn, dập. Chuyện gang – thép và các loại gang được bàn kỹ trong danh mục Hợp kim; ở đây chỉ cần nhớ một ý: gần như không ai dùng sắt sạch làm kết cấu.
Sắt non dùng vào đâu khi nó mềm như vậy?
Cái mềm của sắt sạch lại là ưu điểm ở một chỗ: từ tính. Sắt là một trong số ít kim loại sắt từ ở nhiệt độ phòng (cùng với niken và coban). Sắt non nhiễm từ rất mạnh khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quanh nó, và gần như mất từ ngay khi ngắt điện. Sách Vật lý lớp 9 giải thích nam châm điện dùng lõi sắt non chính vì vậy: nếu dùng thép, lõi giữ lại từ tính, cái chuông điện hay rơ le sẽ "dính" không nhả.
Lá thép kỹ thuật điện (thép pha silic, cán mỏng, phủ lớp cách điện) trong máy biến áp, động cơ quạt, máy bơm cũng đi theo cùng nguyên lý: cần một vật liệu dẫn từ tốt, ít hao năng lượng mỗi lần từ trường đổi chiều. Các lá được ghép chồng và cách điện với nhau để hạn chế dòng điện xoáy làm nóng lõi.
Từ quặng thành sắt kim loại diễn ra thế nào?
Muốn có sắt, phải lấy ôxy ra khỏi quặng. Con đường lớn nhất hiện nay là lò cao: quặng, than cốc và đá vôi nạp từ trên xuống, gió nóng thổi từ dưới lên. Cacbon cháy thành cacbon mônôxít, khí này "giật" ôxy khỏi ôxít sắt. Ở phần dưới lò, sắt hấp thụ cacbon và chảy thành gang lỏng, còn đất đá kết hợp với đá vôi thành xỉ nổi bên trên. Gang lỏng sau đó vào lò thổi ôxy để đốt bớt cacbon, thành thép.
Con đường thứ hai là nấu lại sắt thép phế liệu trong lò hồ quang điện. Ngoài ra có công nghệ hoàn nguyên trực tiếp, dùng khí thiên nhiên hoặc hydro để khử quặng ở thể rắn thành "sắt xốp", rồi nấu tiếp trong lò điện. Hướng dùng hydro đang được thử nghiệm ở nhiều nước vì giảm mạnh khí CO₂. Lò cao vận hành ra sao, sắt vụn đi đâu, đã có bài riêng trong các danh mục Lịch sử luyện kim và Tái chế.
Theo Hiệp hội Thép Thế giới, sản lượng thép thô toàn cầu những năm gần đây quanh mức 1,9 tỷ tấn mỗi năm, lớn hơn mọi kim loại khác cộng lại nhiều lần.
Vì sao sắt gỉ, và gỉ có hại gì?
Gỉ sắt là hỗn hợp ôxít và hiđrôxít sắt ngậm nước, sinh ra khi sắt gặp đồng thời ôxy và hơi ẩm. Muối (gió biển, nước mưa vùng ven biển) làm quá trình nhanh hơn vì nước mặn dẫn điện tốt. Khác với lớp ôxít mỏng, đặc của nhôm, lớp gỉ sắt xốp, phồng lên và bong ra, để lộ kim loại bên dưới cho đợt gỉ tiếp theo. Cái lan can để lâu năm cứ mỏng dần là vì thế.
Để giữ sắt thép, người ta dùng mấy cách chính:
- Sơn phủ: ngăn nước và ôxy chạm vào bề mặt; sơn lót chống gỉ trước, sơn màu sau.
- Mạ kẽm: lớp kẽm vừa che, vừa "hy sinh" thay cho thép khi bị trầy (xem bài về kẽm cùng danh mục).
- Pha thêm crom, niken: thành thép không gỉ, có màng ôxít crom tự liền.
- Bảo vệ điện hoá: gắn khối kim loại hoạt động hơn lên vỏ tàu, chân cầu cảng, hoặc dùng dòng điện ngoài cho đường ống chôn.
Một mẹo nhận biết đơn giản: lớp gỉ còn mỏng, bám chặt, chưa phồng thì làm sạch và sơn lại vẫn kịp; khi đã thấy gỉ phồng thành vảy, gõ nhẹ bong ra từng mảng, phần thép bên dưới đã hụt đi đáng kể và cần thợ đánh giá lại kết cấu.
Sắt có mặt ở đâu trong một ngôi nhà?
Đi một vòng quanh nhà ống thành phố có thể đếm được rất nhiều dạng sắt thép khác nhau:
- Cốt thép trong cột, dầm, sàn bê tông: thép cacbon thấp có gân để bám vào bê tông.
- Cửa cổng, hoa sắt, lan can: thép hộp, thép ống, thép tấm hàn lại rồi sơn.
- Mái tôn: thép lá mỏng mạ kẽm hoặc mạ hợp kim nhôm – kẽm, có lớp sơn màu.
- Bản lề, ốc vít, đinh: thép cacbon có mạ.
- Lõi quạt điện, máy bơm, tủ lạnh: lá thép kỹ thuật điện và thép tấm dập vỏ.
- Nắp hố ga, chân bàn kiểu cũ: gang đúc.
Tất cả những vật ấy đều từng là dòng kim loại lỏng màu cam ở nhiệt độ trên 1.500 °C trong một nhà máy nào đó, trước khi được đúc thành phôi, cán thành thanh, tấm, cuộn.
Góc nhìn hôm nay: sắt và câu chuyện giảm phát thải
Ngành sắt thép phát thải nhiều CO₂, chủ yếu vì lò cao dùng than cốc để khử quặng. Ba hướng đang được theo đuổi trên thế giới: tăng tỷ lệ thép nấu từ phế liệu trong lò điện, dùng hydro thay cacbon để khử quặng, và thu giữ khí thải. Với người dùng bình thường, cách góp phần dễ nhất là kéo dài tuổi thọ đồ sắt thép (sơn lại đúng lúc, giữ khô ráo) và đưa sắt vụn về đúng chỗ thu gom, vì thép nấu lại gần như không mất chất.
Muốn xem tận mắt, có thể tìm đến các bảo tàng khoa học kỹ thuật hoặc những khu công nghiệp gang thép có chương trình tham quan cho học sinh, sinh viên, luôn đi theo hướng dẫn và mặc đồ bảo hộ được phát.
Câu hỏi thường gặp
Nhiệt độ nóng chảy của sắt là bao nhiêu?
Sắt nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1.538 °C ở áp suất thường. Thép không có một điểm chảy duy nhất mà chảy trong một khoảng nhiệt độ, thường thấp hơn sắt sạch một chút tuỳ lượng cacbon. Gang chảy thấp hơn nhiều, khoảng 1.150–1.300 °C.
Sắt và thép khác nhau thế nào?
Thép là hợp kim của sắt với cacbon dưới khoảng 2%, thường kèm mangan, silic và các nguyên tố khác. Sắt sạch mềm và ít được dùng làm kết cấu, còn thép cứng, bền, dẻo vừa đủ để cán, hàn, rèn. Thứ người ta quen gọi "sắt xây dựng" thực ra là thép.
Vì sao nam châm điện dùng lõi sắt non?
Sắt non nhiễm từ mạnh khi có dòng điện và gần như mất từ ngay khi ngắt điện. Nếu dùng lõi thép, từ tính bị giữ lại, thiết bị như rơ le hay chuông điện sẽ không nhả ra được.
Quặng sắt nào có hàm lượng sắt cao nhất?
Manhetit (Fe₃O₄) có hàm lượng sắt lý thuyết cao nhất, khoảng 72%, tiếp đến hematit (Fe₂O₃) khoảng 70%. Quặng thực tế luôn lẫn đất đá nên phải tuyển trước khi luyện.
Vì sao sắt bị gỉ còn nhôm thì không?
Cả hai đều bị ôxy hoá, nhưng lớp ôxít nhôm mỏng, đặc và bám chặt nên bảo vệ phần kim loại bên dưới. Gỉ sắt xốp, phồng và bong ra, để lộ thép mới cho đợt gỉ tiếp theo, nhất là khi có hơi ẩm và muối.
