jern

Stål er legeringer med jern og opptil to vektprosent karbon. I vanlige stål inngår et par hundredels prosent av karbonet mellom atomene i jernets krystallgitter. Resten av karbontilsatsen danner partikler av jernkarbid som bidrar sterkt til stålets styrke (og hardhet), og hardheten øker med økende karboninnhold. Den høyeste hardheten oppnås ved å herde stålet ved en varmebehandling som innebærer bråkjøling fra høy temperatur. Karbonet øker stålets herdbarhet, det vil si dets evne til å la seg herde ved denne metoden.

De fleste stål inneholder også andre grunnstoffer som mangan, krom eller nikkel. Slike elementer øker stålets herdbarhet, og kan i tillegg gi stålet nye og betydningsfulle egenskaper og bruksområder. Tilsetning av minst 11–12 vektprosent krom gjør for eksempel stålet rustfritt, og kombinasjoner av krom, nikkel og molybden gir syrefaste stål. De enkleste rustfrie stålene brukes ofte i ferskvann, og syrefaste stål brukes i blant annet saltvann og sure løsninger.

• Les mer om stål.

Støpejern er jernlegeringer som inneholder over to vektprosent karbon. Støpejern kan brukes blant annet til å lage ovner, gryter, kumlokk og rør.

Smijern er tilnærmet rent jern og inneholder vanligvis mindre enn 0,1 vektprosent karbon (og i tillegg en del slaggpartikler). Smijern er også en gammel betegnelse på bløtt stål med opptil 0,25 vektprosent karbon.

De viktigste jernmineralene er forskjellige vannholdige og vannfrie oksider, men også karbonater og sulfider er av betydning (se jernmalm, jernoksider). Av oksidene kan nevnes hematitt (Fe₂O₃), magnetitt (Fe₃O₄), goethitt (FeOOH) og limonitt. Limonitt finnes blant annet i den sjø- og myrmalmen som tidligere ble brukt for fremstilling av jern.

Andre viktige jernmineraler er sideritt (FeCO₃), pyritt (FeS₂) og pyrrhotitt (Fe_1−xS). Se jernsulfider.

Drivverdige forekomster finnes i mange land. Jordens totale reserver av jernmalm er cirka 190 milliarder tonn. I 2023 ble det utvunnet 2,5 milliarder tonn jernmalm med et beregnet innhold av jern på 1,5 milliarder tonn. En oversikt over de viktigste jernmalmproduserende land i verden er vist i tabellen nedenfor. Oppgitte verdier for jernmalm gjelder for 2023, og er angitt i milliarder tonn (Gt) og millioner tonn (Mt):

^{Kilde: Our World in Data}

Under jernutvinningen ble en grop i jorden fylt med trekull eller ved som ble påtent. Når det så var blitt tilstrekkelig varmt, strødde man malmen ut i den glødende massen og holdt varmen ved like ved hjelp av en blåsebelg eller tråbelg.

På bunnen av gropen dannet det seg en jernklump som ble hentet opp med tang og straks hamret og banket med slegge for å få skilt slagget fra jernet. Dette jernet, det såkalte blestringsjernet eller blåsterjernet, ble oppvarmet på nytt og omdannet til fellujern som ble smidd og herdet til emner for våpen og redskap. Det ble også brukt som byttemiddel istedenfor penger. Se blester og jernvinna.

Gjennom hele vikingtiden ble storparten av det jernet man hadde bruk for rundt om på gårdene fremstilt etter denne jernblestringsmetoden. På 1300-tallet gikk det imidlertid tilbake med jernfremstillingen i Norge, men den fortsatte til eget bruk helt frem til 1800-tallet. Da var ovnene blitt større og bedre, påvirket av utviklingen i andre land hvor man hadde begynt å bygge ovnene opp i høyden slik at det ble dannet en sjakt. Samtidig ble det tatt i bruk vanndrevne blåsebelger for å oppnå en kraftigere lufttilførsel og vanndrevne jernhammere for å banke slagget ut og gi jernet den ønskede formen.

Som resultat av denne utviklingen oppstod etter hvert masovnen og jernverkene. I masovnen kunne man ha så høy temperatur at jernet smeltet og kunne tappes ut av ovnen. Ved stadig å fylle på malm og kull ovenfra kunne jernfremstillingen dessuten gjøres til en kontinuerlig prosess. Det jernet masovnen leverte, var et råjern som inneholdt mye karbon (3-4 prosent). Dette lar seg ikke uten videre smi og herde, men det lar seg støpe.

De første norske jernverkene ble anlagt på midten av 1500-tallet. Disse gamle norske jernverkene førte en meget vekslende tilværelse. Sin siste store blomstringstid hadde de på slutten av 1700-tallet og fremover til Danmark-Norges involvering i Napoleonskrigene i årene 1807–1814. På dette tidspunktet var det her i landet i alt 17 jernverk med til sammen 22 masovner i drift. Etter 1814 gikk det imidlertid etter hvert nedover med de norske jernverkene, og fra 1860 raskt nedover. Fra 1870 ble det praktisk talt slutt med jernfremstillingen i Norge.

Alle de norske jernverkene 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.

• Les mer om jernverk.

Jern har fått sitt kjemiske navn ferrum fra latinske ferrum som betyr fast. Det norske ordet jern kommer fra det angelsaksiske ordet iren.

Alkymistene betegnet jern med symbolet ♂ for planeten Mars.

Fremstillingen av råjern foregår i masovner. Det er høye, tårnlignende sjaktovner hvor oksidisk jernmalm etter rensing og røsting fylles i ovnen ovenfra sammen med koks og slaggdannende stoffer, oftest kalkstein og/eller kvarts (tilslaget). Temperaturen i masovner varierer fra 1500–1600 °C nederst til rundt 500 °C øverst i ovnene.

Råjern inneholder opptil ti prosent forurensninger, mest karbon (2,5–4,5 prosent) som skriver seg fra koksen, dessuten silisium, fosfor, svovel og mangan.

Ofte er masovnene lokalisert i tilknytning til et stålverk slik at råjernet kan fraktes direkte dit i flytende tilstand. I andre tilfeller blir råjernet støpt ut som store støpeblokker som transporteres videre til jernverkene. Man skjelner mellom grått og hvitt råjern. Grått råjern fås ved langsom avkjøling. Det inneholder karbon i form av grafitt og er forholdsvis rikt på silisium (2–3 prosent). Grått råjern smelter alt ved 1100–1200 °C. Smelten er tyntflytende og utvider seg noe ved størkning. Det grå råjernet blir brukt som støpejern, foruten at det også kan forarbeides til stål.

Hvitt råjern fås ved hurtig avkjøling av råjernsmelten. Mikrostrukturen består av hard og sprø sementitt, Fe₃C (se jernkarbid), i en grunnmasse av perlitt (som inneholder tynne plater av sementitt). Silisiuminnholdet er forholdsvis lite, mindre enn 0,5 prosent, derimot er manganinnholdet forholdsvis stort, over fire prosent. På grunn av sementitten er hvitt råjern meget hardt og sprøtt. Hvitt råjern blir hovedsakelig brukt til produksjon av stål eller til produksjon av hvitt støpejern.

Fremstillingen av stål skjer ved at man minsker karboninnholdet i råjernet og reduserer eller fjerner andre elementer og forurensninger som silisium, mangan, svovel og fosfor. Dette gjøres ved en prosess som kalles fersking hvor råjernsmeltens uønskede elementer reduseres ved at de forbinder seg med oksygen. Dette kan gjøres på ulike måter. Bessemerprosessen fra 1855 fremstilte stål ved å blåse luft gjennom råjernsmelten, en metode som resulterte i en stor økning i verdensproduksjonen av stål. Ulempen med prosessen var at stålet ble tilført nitrogen (fra luften), og på 1950-tallet ble prosessen videreutviklet ved å erstatte luften med ren oksygengass, LD- og kaldo-prosessen (BOS, Basic Oxygen Steel processes).

Norge har i dag verken masovner eller elektroråjernsovner og produserer derfor ikke råjern. All norsk stålproduksjon er basert på smelting av skrapjern.

• Les mer om råjern.

Kjemisk rent jern kan fremstilles i laboratorier ved å redusere rene jernoksider med hydrogen. Teknisk viktigere er elektrolyse av jern(II)kloridløsninger som gir elektrolyttjern, og termisk spaltning av pentakarbonyljern (Fe(CO)₅) ved rundt 250 °C som gir karbonyljern. Dette jernet har en renhetsgrad på cirka 99,85 prosent og brukes til spesielle formål, for eksempel som katalysator.

Jernpulver er et finfordelt og meget rent metallpulver med en partikkelstørrelse som vanligvis ligger i området 25-250 mikrometer. Pulveret brukes for eksempel innen pulvermetallurgi for produksjon av produkter ved sintring og 3D-printing.

Rent jern er ferromagnetisk under 760 °C (curietemperaturen) og paramagnetisk ved høyere temperaturer. Rent jern taper sin ferromagnetisme når det ytre magnetfeltet fjernes. Karbonholdig jern beholder de ferromagnetiske egenskapene når det ytre feltet fjernes.

I ren tilstand har jern god holdbarhet (er bestandig). Det korroderer ikke i tørr luft eller i karbondioksidfritt vann fordi det dannes en sammenhengende, beskyttende lag av oksider (oksidfilm) på overflaten. Det ruster derimot i fuktig luft og i vann med oppløst luft og/eller karbondioksid. Rust består hovedsakelig av jern(III)oksidhydroksid, FeOOH, med varierende innhold av vann. Rusten danner ikke et sammenhengende, beskyttende belegg, men skaller av, noe som gjør at underliggende jern kommer til overflaten og kan ruste.

Jern løses i ikke-oksiderende syrer, for eksempel saltsyre og fortynnet svovelsyre, under dannelse av Fe²⁺-ioner og hydrogen:

\[\ce{Fe(s) + 2H+(aq) -> Fe^{2+}(aq) + H2(g)}\]

Tilsvarende skjer i kald, fortynnet salpetersyre. Dersom syren er varm og sterkere, er reaksjonsproduktene Fe³⁺-ioner og nitrogenoksider. Konsentrert svovelsyre korroderer ikke jern på grunn av dannelse av beskyttende overflatebelegg. Svovelsyre kan derfor transporteres i ståltanker. I konsentrert salpetersyre dannes en tynn, beskyttende (passiverende) oksidfilm. Samme virkning kan oppnås med andre oksidasjonsmidler. Ved behandling med reduksjonsmidler fjernes den passiverende virkningen.

Ved oppvarming av jern i tørr luft dannes oksidbelegg. Ved temperaturer over 150 °C dannes et lag av jern(II,III)oksid, Fe₃O₄, nærmest metallet innenfor et ytre skall av jern(III)oksid, Fe₂O₃. Ved temperaturer over 570 °C vil ikke-støkiometrisk jern(II)oksid, Fe_1–xO, dannes mellom metallet og de tynne ytre lagene av Fe₃O₄ og Fe₂O₃. Ved høye temperaturer (1200–1300 °C) oksiderer jern raskt.

Finfordelt jernpulver er pyrofort og oksideres allerede ved romtemperatur.

Ved oppvarming reagerer jern også med andre ikke-metaller og danner tilsvarende jernforbindelser, for eksempel FeCl₃ og FeI₂.

Jern er hovedsakelig to- og treverdig i sine kjemiske forbindelser. Det finnes også forbindelser hvor jern har oksidasjonstall +I, +IV, V og VI (i sammensatte oksider og fluorider). Tidligere ble forbindelser av to- og treverdig jern kalt henholdsvis ferro- og ferriforbindelser.

Jern(II)forbindelser er generelt lite stabile i luft og vann siden de lett oksideres av oksygen til jern(III)forbindelser. Jern(II)sulfat er et viktig jernsalt (se jernsulfater). Det er blant annet et biprodukt ved fremstilling av titandioksid fra ilmenitt.

Av halogenidene er jern(II)- og jern(III)klorid de viktigste. Jern(II)klorid er et biprodukt ved beising av stål med saltsyre. Vannløsninger av jern(II)salter er vanligvis blekgrønne, mens jern(III)løsninger er gulbrune. To- og treverdige jernioner danner i løsning cyanokomplekser med sammensetningen Fe(CN)₆^4– og Fe(CN)₆^3–. Berlinerblått og Turnbulls blått, begge KFe^IIFe^III(CN)₆, brukes blant annet som blått fargestoff.

Jernkarbonyler, for eksempel Fe(CO)₅, dannes ved å reagere karbonmonoksid med finfordelt jern. Det spaltes igjen til Fe og CO ved oppvarming til over ca. 250 °C. Tilsetting av tiocyanat til løsning av Fe(III) gir intenst røde komplekser av [Fe(H₂O)₅(CNS)]²⁺, noe som blir anvendt for både kvalitativ og kvantitativ analyse av jern.

Det finnes tre stabile isotoper av jern:

• ⁵⁶Fe (91,7 prosent)
• ⁵⁴Fe (5,8 prosent)
• ⁵⁷Fe (2,2 prosent)

⁵⁶Fe har den mest stabile konfigurasjonen av alle nuklider uttrykt som bindingsenergi per nukleon. Dette kan være forklaringen til den store utbredelsen av jern i universet.