Jaarboek no. 87. 2008/2009 - Koninklijke Maatschappij voor ...

IJZER, MEESTER DER METALEN?
door
Prof. dr. R. Boom
Technische Universiteit Delft, Afdeling Technische Materiaalwetenschappen,
en Corus Research, IJmuiden
Dit artikel neemt u mee op een tocht door de wereld van de metalen. De rode draad die
deze tocht geleidt is getrokken van ijzer. IJzer is een materiaal dat zo vanzelfsprekend
aanwezig is dat het pas opvalt als het er niet is.
Zonder ijzer in zijn bloedlichaampjes zou het met de mens slecht gesteld zijn. Immers,
onze zuurstofhuishouding wordt vernuftig geregeld door ijzer: opnemen van zuurstof in
de longen, afgifte van zuurstof op de plaatsen waar dit element nodig is. Een volwassen
mens heeft ongeveer vijf gram ijzer in zijn bloed nodig om dit proces goed te laten verlopen.
Voor de totale wereldbevolking van 6 miljard zielen betekent dit een behoefte aan
biologisch ijzer van 30 miljoen kilogram ofwel 30.000 ton. Industrieel wordt wereldwijd
meer dan een miljard ton ijzer per jaar gemaakt. De staalindustrie zou aan een kwartier
ruimschoots genoeg hebben om de hele behoefte aan biologisch ijzer voor de mensheid
te produceren!
Opmerkelijk is dat bij de bereiding en raffinage van ijzer als metaal het element zuurstof
een allesoverheersende rol speelt. Zoals uit het volgende duidelijk zal worden, is zuurstof
daarbij zowel aartsvijand als boezemvriend van ijzer.
Wat is een metaal?
Wij kennen op aarde ruim 100 verschillende chemische elementen (onlangs is element
nummer 112 ontdekt), waarvan 73 vallen in de klasse van metalen.
Voor een definitie van een metaal vallen we terug op de natuurkunde. Een atoom bestaat
uit een kern met protonen en neutronen, met daaromheen cirkelend elektronen. Bij een
bepaald element hoort een vast aantal protonen, in neutrale staat heeft een atoom evenveel
negatief geladen elektronen als positief geladen protonen. Laten we als voorbeeld
ijzer nemen, dat heeft 26 protonen en in neutrale toestand dus ook 26 elektronen. De
meest voorkomende isotoop van ijzer telt 30 neutronen. Het atoomgewicht of relatieve
atoommassa van ijzer is dan 26 + 30 = 56.
Metalen zijn elementen waarvan de atomen in de gecondenseerde vorm, hetzij in vaste
of vloeibare toestand, hun valentie-elektronen delen met elkaar. De gedeelde elektronen
worden vrije of geleidingselektronen genoemd, de gezamenlijke pot heet de geleidingsband.
De vrije elektronen verlenen het element de specifieke metallische eigenschappen.
Als een elektrische spanning wordt aangelegd over een stuk metaal gaan de vrije elektronen
bewegen: dat maakt een metaal tot een elektrische geleider. Als aan één kant van
een stuk metaal de temperatuur wordt verhoogd willen de geleidingselektronen subiet de
warmte verdelen - dat verklaart de eigenschap van goede warmtegeleiding.
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe reeks 87. Lezing gehouden voor de Koninklijke
Maatschappij voor Natuurkunde ‘Diligentia’ te ’s-Gravenhage op 15 december 2008.
IJzer, meester der metalen?