print logo
Fe

Jern

atomnummer: 26
gruppe: 8
periode: 4
atomvekt: 55,845

I mennesket
4,2 g

I jordskorpen
5,8 %

I havet
3,4 µg/liter

På solen
29,27 ppm

Ikke bare i jernalderen

Visste du at...

99.9999 % rent jern er dyrere enn sølv eller gull med samme renhet? Det er fordi det er så innmari vanskelig å fjerne forurensningene fra jern.

Inndelingen av våre historie i tidsepoker som steinalder, bronsealder og jernalder reflekterer materialene som ble benyttet til våpen og redskap i disse periodene. Jernalderen er den tidsepoken der bruken av jern var dominerende. I Norge begynte jernalderen omkring år 500 f.Kr., men de tidligste sporene av jernutvinning er mye eldre, kanskje fra så tidlig som år 3000 f.Kr. Det tok bortimot 1000 år fra menneskene lærte å utvinne jern til kunnskapen nådde Norden.

[Foto: Kulturhistorisk museum, UiO.]

Fra utgraving av gravfunn på Seierstad søndre.
Foto: Kulturhistorisk museum, UiO.

Selv om jernalderen forlengst er slutt, er jern fortsatt det metallet som benyttes mest i våre samfunn og også det billigste metallet. Jern benyttes imidlertid sjelden i ren form fordi det lett ruster. Hvert år ruster jern i en grad som tilsvarer 1/3 av årsproduksjonen av nytt jern. Korrosjonsproblemet reduseres betraktelig ved å blande inn andre grunnstoffer/metaller i jernet. Ved riktig valg av metall gir dette legeringer med en tynn og bestandig overflate av oksid.

Helt rent jern er et sølvaktig, glinsene og bløtt metall. Men i tillegg til at metallet lett oksideres/ruster, er det ofte vanskelig å fjerne andre forurensninger fra jernet. Så helt rent jern er dyrt - svært dyrt.

Navnet

Jern har fått sitt kjemiske navn ferrum fra latinske ferrum som betyr fast. Jern kommer fra det anglosaksiske ordet iren.

Jern har vært kjent siden oltiden

De eldste jerngjenstandene man har funnet er mer enn 6000 år gamle. Disse er laget av himmelsk nedfall - av meteoritter. Det er nettopp derfor disse fortsatt eksisterer. Mens rent jern korroderer voldomt og har en kort levetid, så inneholder meteorittene (som kalles sideritter) typisk 7,5 % nikkel. Dette nikkelet gir metallet et oksidbelegg som er bestandig over tusener av år.

De første redskapene av jern ble laget omkring 1500 f.Kr., og på 1400-tallet f.Kr. hadde Chalybe-stammen i de armenske fjellområdene lært å bearbeide jern gjennom prosesser for oppvarming med trekull, bearbeiding, gjenoppvarming og hamring. Ved tilfeldigheter kan det ha oppstått stål ved at jernet absorberte trekull (karbon) under denne prosessen. Teknologien ble kjent utover det østre middelhavsområdet før 1200 f.Kr., men kom til Norden mye senere.

Jernets rolle i jernalderen er klar fra navnet på tidsepoken. Men den industrielle revolusjonen var også et resultat blant annet av stor-skala jern-fremstilling. På de tider skjønte de Reaumur at forskjellige typer jern som råjern og stål har ulike egenskaper fordi de inneholder ulike mengder karbon.

Forekomst

[Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.]

Hematitt, Fe2O3, krystallisert på Serpentin. Fra Modum.
Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.

Jern er et billig grunnstoff. Det betyr at kun malm som inneholder mye jern og som det er enkelt å prosessere er drivverdige. Det vanligste mineralet som utnyttes er hematitt, Fe2O3. Russland, Brasil og Australia har alle store forekomster.

De første jernverk i Norge ble bygd i nærheten av Oslo i 1540-årene (Kongens jernhytter ved Maridalsvannet). Malmen kom fra gruver på begge sider av Sognsvann. Det har i alt vært 39 større eller mindre jernverk i drift i Norge. På begynnelsen av 1800-tallet var det 17 jernverk med 22 masovner i drift.

Alle de norske jernverk var opprinnelig basert på malmforekomster i nærheten. I tillegg var det viktig med tilgang på trekull og vannkraft. De lokale malmforekomstene viste seg imidlertid som oftest å være for små til en varig drift. Etter hvert fikk mange av jernverkene sin malm fra de rike forekomstene i Arendals-traktene fra Langøy ved Kragerø. Malmtransporten ble lang, og særlig for verkene i innlandet kunne den bli besværlig og dyr.

De norske jernverkene baserte jernfremstillingen på trekull og kunne ikke konkurrere med billigere jern som etter hvert kom fra utenlandske koksmasovner. De fleste av de gamle masovnene var derfor nedlagt rundt 1870, og bare noen få jernverk fortsatte driften etter dette. Ved Nes jernverk ble jernverksdriften nedlagt så sent som 1906.

De gamle norske jernverkene har ikke bare hatt stor økonomisk betydning for vårt land, men også kunstnerisk, i form av vakre støpejernsovner, og ikke minst kulturelt. 1800-tallet herregårdskultur var i høy grad knyttet til jernverkene, med slekter som Aall, Anker, Cappelen med flere. Riksforsamlingen i 1814 ble avholdt ved Eidsvoll Verk, og det var ingen tilfeldighet at det blant de 112 eidsvollmenn fantes fire jernverkseiere og enda mange som ved familieforbindelser var knyttet til jernverkene.

I kroppen

Alle levende organismer trenger jern.

Visste du at...

jernmangel er den mest utbredte mangeltilstand i verden etter proteinmangel?

[Illustrasjon: Carl Henrik Gørbitz, KI, UiO.]

Hemoglobin transporterer O2 i blodet
Illustrasjon: Carl Henrik Gørbitz, KI, UiO.

Vi vet at jern bidrar til å bringe oksygen fra lungene til hjertet og hjernen og at molekylet er involvert når avfallsproduktgassen CO2 fraktes tilbake til lungene. Så puster vi denne gassen ut. Men i tillegg til å være tilstede i hemoglobin, spiller jern viktige roller i flere andre enzymer.

Ikke for lite og ikke for mye. Mens jernmangel fører til blodmangel eller anemi fører for mye jern til forgiftningseffekter. 200 mg er nok til å gi giftsymptoner.

Jernmangel er den mest utbredte mangeltilstand i verden etter proteinmangel. I Norge har hver sjuende kvinne i fruktbar alder jernmangel. Men også barn, eldre, gravide, blodgivere og personer som slanker seg er utsatte grupper. Ved jernmangel er kroppens forråd av reservejern i ferd med å tømmes og anemi oppstår når lagrene er så små at kroppen ikke klarer å produsere nok hemoglobin til å opprettholde en normal blodprosent. De røde blodlegemene inneholder hemoglobin som kjemisk er bygget opp med en jernholdig kjerne (hem) og omgitt av fire proteingrupper (globiner).

[Illustrasjon: Carl Henrik Gørbitz, KI, UiO.]

Detalj i strukturen til hemoglobin.
Illustrasjon: Carl Henrik Gørbitz, KI, UiO.

Et variert kosthold rikt på jern er nødvendig for å opprettholde tilstrekkelige jernlagre. De viktigste kostkildene for jern er kjøtt, blod og innmat, kornvarer og frukt/grønnsaker, poteter og fisk. Men det er også viktig å merke seg at jernopptaket fra tarmen påvirkes av ulike matsorter. C-vitamin og kjøtt fremmer jernopptaket mens te, kaffe, melk, og egg hemmer opptaket. Et godt råd er derfor å drikke et glass juice dersom du spiser jerntilskuddtabletter, eller når du spiser jernrik mat.

For mye jern gir hemokromatose. Dette er en arvelig betinget lidelse som gjør at kroppen tar opp unormalt mye av det jernet man får i seg gjennom kosten. Ekstrajernet blir lagret i kroppens organer og kan gi alvorlige tilstander. Tidlige symptomer er tretthet og slapphet. På dette tidspunktet kan sykdommen påvises ved blodprøver og ved en gentest. Behandlingen er regelmessig blodtapping. Anslagsvis 27 000 personer her i landet har for høye jernnivåer i blodet, de fleste uten å vite om det.

Fremstilling

Jernets store betydning som det viktigste metalliske konstruksjons-materialet for mennesket helt siden jernalderen, skyldes delvis at det finnes i store konsentrasjoner i jordskorpa, og at det er relativt enkelt å redusere med karbon. En annen grunn er jernets spesielt gode egenskaper (valsbarhet, smibarhet, hardhet, styrke o.a.). Egenskapene kan modifieres og nærmest skreddersys spesielle behov og anvendelser ved å justere innholdet av karbon og legeringsmetaller. I tillegg er egenskapene i stor gard avhengig av temperaturbehandlingen materialet har blitt gitt.

Det alt vesentlige av jernet som produseres i verden, fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Prosessen utføres i store masovner. Malmen (Fe203 og/eller Fe304), koks og slaggdannende oksider som CaO eller SiO2 tilføres ovenfra. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover i ovnen. Det blåses luft (oksygen) i motsatt retning fra bunnen og oppover i ovnen. Temperaturen i masovnen er lavest i toppen og øker nedover fra ca. 250 °C til ca. 1500 °C nederst hvor slagg og jern tappes av.

Jernet reduseres av CO-gass som dannes ved reaksjon mellom luften som blåses inn og karbonet i de nedre deler av ovnen. Karbonmonoksidgassen beveger seg så motstrøms mot malmen. Reduksjonen beskrives kjemisk ved

Fe-oksid + CO(g) = Fe + CO2(g)

Under denne prosessen reduseres også oksidene til andre grunnstoffer som enten inngår i malmen eller som er satt til. Dette er i hovedsak oksider av fosfor, mangan og silisium.

Oppover i masovnen reagerer CO2 gassen dannet ved reduksjonen av jernoksidene med karbon og danner CO:

CO2(g) + C(s) = 2CO(g)

Denne likevekten forskyves mot høyre med økende temperatur.

Under malmens gang nedover i ovnen blir jernoksidene gradvis redusert. Reduksjonen begynner ved ca. 400 °C:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Med økende temperatur dannes først ´Fe´ og så jern.

Jernet som dannes inneholder karbon. Ved ca. 1200 °C begynner dette jernet å smelte. (Rent jern smelter ved 1539 °C). Jernet som tappes av fra bunnen av ovnen, råjernet, har en temperatur på 1400-1500 °C.

Reduksjonen av oksidene til de andre grunnstoffene (Mn, Si, P osv.) starter over ca. 900 °C. Disse grunnstoffene løses også i jernet.

I tillegg til jernet dannes det slagg som smelter ved 1300-1400 °C. CaO reagerer med malmens bergarter, og typiske verdier for sammensetningen til denne slaggen kan være 35 vekt% SiO2, 55 % CaO og 10 % Al203. Slaggen har lavere massetetthet enn jernet og flyter oppå. Slaggen kan derfor tappes av.

Moderne masovner kan være veldig store. De kan ha diameter opp mot 10 m og produsere ca. 3000 tonn råjern per døgn. Ovnene kan drives kontinuerlig i årevis.

Jernet som tappes av har et karboninnhold pa 3-4 %. Dette jernet veldig hardt og sprøtt. For å få et stål som kan valses, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2 %. Dette oppnås ved at luft blåses gjennom det smeltede råjernet slik at karbonet oksideres.

Anvendelser

[Foto: Veslemøy Nestvold (copyright).]

Stålkonstruksjon. Neue Nationalgalerie ved Potsdamer Platz, Berlin.
Foto: Veslemøy Nestvold (copyright).

Jern benyttes i all hovedsak i stål. Stål er legeringer med jern og karbon som de primære legeringsgrunnstoffene og defineres ofte som jern-karbon-legeringer med opp til 2,1 % karbon. Karbonet gjør stålet sterkere ved å gå inn mellom jernatomene i krystallgitteret. Jernatomene glir dermed ikke så lett over hverandre, og legeringen blir hardere enn rent jern. Karbonatomene vil også påvirke effekten av temperaturbehandlingen slik at stålet blir mer herdbart. Andre vanlige legeringsgrunnstoffer er mangan, krom eller nikkel. Jern med karboninnhold over 2,1 % kalles støpejern. Du kan også lese mer om stål under de andre grunnstoffene som brukes i stållegeringer.

Det finnes flere typer stål. Noen vanlige er:

Rustfritt stål

Vanlig rustfritt stål inneholder minst 13 % krom og brukes der hvor materialet blir utsatt for moderate kjemiske forhold som ferskvann eller gjentatt vaskes (bestikk, barberblader og kniver). Rustfritt stål som inneholder mellom 13-18 % krom og ikke noe nikkel kalles også kromstål.

Syrefast eller syrebestandig stål inneholder foruten jern og krom også en del nikkel og/eller mangan og også litt molybden, niob og titan. Dette er den vanligste typen rustfritt stål. Syrefast stål brukes der hvor materialet blir utsatt for et tøffere kjemiske miljø (kaseroller, rørdeler, rustfrie skruer og mutre). Til knivblader ønsker man å unngå stål med nikkel. Kniven blir så vanskelig å slipe. Stållegeringer som inneholder både krom og nikkel kalles også for kromnikkelstål.

Varmebestandig stål.

Stål med høyere krominnhold, omkring 25 % krom, kan utsettes for høye temperaturer uten at det brenner eller misfarges, og kalles derfor varmebestandig eller oksidasjonsbestandig stål. Det brukes gjerne i ovner og motorer.

Gjødsel for havet?

[Foto: Rolf Vogt, KI, UiO]

Utfelling av jernoksid i bekk
Foto: Rolf Vogt, KI, UiO

Mer enn 80 % av verdenshavene er tomme for fisk, og de områdene som er fiskerike er ofte overfisket. Plankton er grunnlaget for marint liv og plankton er igjen avhengig av at jern er tilstede. På 90-tallet gjødslet derfor forskere 60 km2 av stillehavet vest for Galapagosøyene med jern. Innen en uke var havet grønt av plankton. Kanskje kan man øke fiskebestanden ved å gjødsle havet?

Det tyngste grunnstoffet som dannes i vanlige stjerners indre

[Foto: NASA]

Helix Nebula har opphav i en stjerne som utvikler seg til en hvit dverg.
Foto: NASA

Atomkjernen til jern er den kjernen som er sterkest bundet sammen av alle. Det er ingen energigevinst ved å fusjonere jern med andre kjerner slik at enda tyngre grunnstoffkjerner dannes. Jern er derfor det tyngste grunnstoffet som dannes ved fusjon i det indre av vanlige stjerner. Når stjernens kjerne etter lang tid i hovedsak består av jern har stjernen brukt opp all sin energi og den står igjen som en hvit kjempe.

Jern er det vanligst forekommende grunnstoffet på jorden. I jordens indre finnes en kjerne som består av jern; innerst er kjernen fast fordi trykket er så høyt som 500 GPa. Utenfor den faste kjernen finnes en væskesone som også hovedsaklig består av jern.

I jordas skorpe er det også mye jern, men her finnes jernet i svært liten grad som metallisk jern. Istedet er oksider som hematitt og magnetitt vanlig.

Jern danner også kjernen i andre himmellegemer; merkur og mars har begge kjerner av jern.

Forfatter:  Svein Stølen

Les om periodesystemet (bakom-stoff, utdypende artikler)   Søk

Periodesystemet.no fra Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo.   Idé: Dmitrij Ivanovitsj Mendelejev.
Prosjektledelse: Svein Stølen. Design: John Vedde.   Redaksjon     Rettigheter