Số nguyên tử: 26
Kí hiệu nguyên tố: Fe
Trọng lượng nguyên tử: 55,845
Màu sắc: xám bạc
Pha: rắn
Phân loại: kim loại chuyển tiếp
Điểm nóng chảy: 1538oC
Điểm sôi: 2861oC
Cấu trúc tinh thể: lập phương tâm khối
Không thể tránh khỏi tán dương khi viết về sắt: nó là nguyên tố dồi dào nhất trên Trái đất (nếu bạn tính cả lớp vỏ và nhân nóng chảy của hành tinh chúng ta); nó tạo ra từ trường Trái đất bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ vũ trụ nguy hiểm; nó là nguyên tố nặng nhất có thể được tạo ra trong phản ứng nhiệt hạch xảy ra bên trong các ngôi sao; và không có nó thì ngành công nghiệp sẽ sụp đổ, đúng theo nghĩa đen.
Sắt được luyện đầu tiên bởi người Hittites xứ Tiểu Á (Thổ Nhĩ Kì ngày nay) vào khoảng năm 1500 trước Công nguyên. Họ giữ lấy bí mật của riêng mình nhưng khi họ bị xâm lược vào năm 1200 tCN, những người thợ sắt đã cao chạy xa bay, mang theo cùng với họ những kĩ năng vô giá. Thế là bắt đầu Thời đại Đồ sắt, khi những tiến bộ quan trọng trong chế tác công cụ và xây dựng thể hiện một trong những bước nhảy vọt to lớn nhất trong lịch sử thế giới văn minh.
Trong hàng thế kỉ sau đó, hình ảnh một người lính mang thanh gươm sắt là bách chiến bất bại. Tuy nhiên, triết gia La Mã Pliny đã chỉ ra điểm nhận thức mấu chốt, khi ông phát biểu “cùng với sắt, chiến tranh nổ ra, và không chỉ đánh giáp lá cà mà còn đánh từ xa, với các thứ vũ khí bay từ máy móc phóng ra”. Pliny đã có tầm nhìn tương lai trong đó đại bác bằng sắt (phối hợp với thuốc súng) trở thành vũ khí hủy diệt. Trong hai trận đại chiến thế giới của thế kỉ 20, sắt ở dạng bom và vỏ đạn đã giết chết hàng triệu sinh mạng và gần như san phẳng toàn bộ các thành phố và thị tứ. Giống như lửa và nước, sắt có thể là một con dao hai lưỡi.
Vậy cái gì đã mang đến cho sắt độ bền huyền thoại của nó? Câu trả lời nằm ở kích cỡ của các hạt trong cấu trúc tinh thể của sắt. Sắt có cấu trúc tinh thể hình lập phương, đó là cấu trúc vốn dĩ bền. Tuy nhiên, một mẩu sắt ở dạng nguyên chất của nó thì có cấu trúc hạt – gồm nhiều hạt trong đó tinh thể sắp thẳng theo những chiều khác nhau. Ranh giới giữa những hạt này có thể tạo ra các khuyết tật làm suy yếu sắt. Tuy nhiên, xử lí sắt ở nhiệt độ cao (ví dụ như người ta làm trong xưởng rèn) làm cho những hạt đó nhỏ lại, đưa đến một cấu trúc nhất quán hơn và tạo ra kim loại bền hơn và dẻo hơn.
Sắt được sinh ra bởi quá trình nhiệt hạch xảy ra bên trong các ngôi sao. Lớp nhân đường kính 7.000 km của Trái đất chủ yếu gồm sắt nóng chảy và người ta tin rằng lớp nhân trong rộng 2.500 km gồm sắt ở dạng rắn. Dòng sắt nóng chảy bên trong lớp nhân tạo ra những dòng điện sinh ra từ trường Trái đất vươn xa hàng nghìn km ra ngoài không gian, bảo vệ chúng ta trước bức xạ mặt trời nguy hiểm và gió mặt trời có thể làm bay giạt bầu khí quyển của chúng ta.
Nhân Trái đất giống như một nam châm khổng lồ với hai cực: cực bắc và cực nam. La bàn – được sử dụng đầu tiên bởi người Trung Hoa cổ và là dụng cụ hỗ trợ đi lại trên biển vào thế kỉ 12 – là những nam châm nhỏ xíu, với kim chỉ về cực bắc từ. Trước khi có la bàn sử dụng, các thủy thủ định hướng trên biển bằng cách ngắm sao.
Không chỉ riêng loài người biết sử dụng từ trường Trái đất để hỗ trợ đi lại. Chim chóc và các sinh vật khác tìm đường đi trên đất liền và trên biển bằng cách cảm nhận hướng của lực từ xung quanh chúng. Các nhà khoa học tin rằng chim chóc thật sự có thể nhìn thấy từ trường Trái đất bởi vì mắt chúng có chứa các phân tử liên hệ với bộ phận não xử lí thông tin thị giác. Dạng la bàn gắn trong này còn cho phép chim chóc xác định địa điểm tốt nhất để dừng chân và tìm thức ăn trên những chuyến di cư đường dài của chúng.
Sắt ở dạng thô nguyên chất của nó. Sắt là một viên gạch cấu trúc thật sự của cuộc sống – từ máu trong người chúng ta cho đến thép không gỉ làm dao kéo, bình đun và xe hơi của chúng ta.
Sắt có thể là thiết yếu trên nhiều phương diện khác nhau trên Trái đất, nhưng nguyên tố quyền uy này của bảng tuần hoàn hóa học thật sự có một nhược điểm khi được con người sử dụng: nó phản ứng với oxygen tạo ra oxide sắt, hay gỉ sắt. Hiện tượng này có thể khắc phục được bằng cách mạ một lớp thiếc hoặc kẽm – như thế thôi là đủ, vì sắt có mặt trong thép có tầm quan trọng toàn cầu. Năm 2010, 2,6 tỉ tấn sắt đã được khai khoáng trên toàn thế giới, chủ yếu ở Trung Quốc, Australia, Brazil và Ấn Độ. Các quặng chính là magnetite, goethite và haematite.
Một trong những cảnh quan ngoạn mục nhất trên thế giới đã được hình thành trong hàng thiên niên kỉ tại Thung lũng Bryce ở bang Utah, nước Mĩ, tại đó địa hình núi đá phát sáng ánh đỏ hồng của haematite. Có những họa tiết hấp dẫn gọi là “hoodoo”, “ống khói tiên”, và “kim tự tháp Trái đất”. Chúng được tạo ra bởi sự xói mòn do nước và trông tựa như cọc thờ vật tổ rực lửa của người xưa khi chúng phản xạ ánh sáng mặt trời lúc hoàng hôn.
Mỏ Carajás ở miền bắc Brazil là mỏ sắt lớn nhất thế giới, những vạt rừng mênh mông đã bị hạ sát để khai quật nó. Tuy nhiên, sau khi mỏ sắt được khai thác, chủ sở hữu mỏ đã hướng tới việc khôi phục tấm thảm rừng nhiệt đới và vì thế hàng nghìn cây non đã được vun trồng để tái tạo rừng. Người ta thử nghiệm để biết xem, sau khi bị phá hủy bởi đất cát và địa hình, liệu rừng nhiệt đới có khả năng được khôi phục nhân tạo trở lại thời kì vinh quang của chúng không.
Sắt và thép (hợp kim của sắt và carbon) đều dễ bị ăn mòn – một phản ứng oxy hóa, trong đó sắt phản ứng với oxygen tạo ra oxide, còn gọi là gỉ sắt. Thân tàu thủy bằng thép có thể chống ăn mòn bằng cách mạ một lớp kẽm bên ngoài.
Khoảng 95% sắt được sản xuất bằng cách nung quặng sắt với carbon tinh khiết và đá lửa trong lò luyện để tạo ra gang. Đây là vật liệu thô của thép, chứa 1,7% carbon để làm cho nó bớt giòn và chống ăn mòn tốt hơn. Không vật liệu nào địch nổi thép về độ cứng, độ bền và tính kinh tế.
Sắt có thể được đúc, chế tạo máy, và hàn thành vô số dạng, khiến nó là kim loại đa năng nhất. Nó chiếm khoảng 90% lượng kim loại được tiêu thụ toàn cầu, từ những chiếc cầu đồ sộ, nhà chọc trời và tàu chở container cho đến xe hơi, tua vít và kẹp giấy trên bàn làm việc của bạn. Sắt có mặt xung quanh chúng ta, ở nhiều dạng thức khác nhau.
Sắt còn được bơm trong mạch máu của chúng ta trong hemoglobin, một protein chứa các nguyên tử sắt và vận chuyển oxygen đến các tế bào cơ thể. Nếu chúng ta thiếu sắt, thì cơ thể tạo ra ít hồng cầu hơn, và chúng ta bị thiếu máu, xanh xao, uể oải, suy nhược và khó thở. Các nguồn thực phẩm giàu chất sắt bao gồm thịt đỏ, gan, trái cây khô, bánh mì và trứng. Nếu bạn là người phóng khoán, thì người Italia có một câu ngạn ngữ khá hay: “rượu trắng tốt máu”.
Trích The Periodic Table – Paul Parsons & Gail Dixson
