Door Kevin Beck Bijgewerkt op 30 augustus 2022

JacobH/iStock/GettyImages

Als je aan ijzer denkt, denk je vaak aan staalfabrieken en smederijen. Toch is ijzer niet alleen maar een vervaardigd metaal; het is een fundamenteel chemisch element (symbool Fe) dat atoom voor atoom kan worden geïsoleerd. Hoewel de meeste alledaagse materialen verbindingen zijn, bestaat ijzer in zijn pure elementaire vorm, waardoor het uniek is onder de metalen die we routinematig gebruiken.

Een korte geschiedenis van ijzer

Mensen kennen en werken al meer dan 5500 jaar met ijzer, sinds ongeveer 3500 voor Christus. Het woord ‘ijzer’ is afgeleid van het Angelsaksische ‘iren’ en het Latijnse ‘ferrum’, de bron van het symbool Fe. In de scheikunde geven termen als 'ferro' en 'ferri' onmiddellijk aan dat er over ijzer wordt gesproken – in tegenstelling tot de homofoon 'ironisch', waarvoor geen plaats is in de natuurwetenschappen.

Chemische feiten over ijzer

IJzer (Fe) is een overgangsmetaal en een van de 88 metalen onder de 113 bekende elementen. De kern bevat 26 protonen en 26 elektronen, wat het een atoomnummer van 26 geeft. Met een gemiddelde atoommassa van 55,85u heeft een neutraal ijzeratoom 30 neutronen. Fysisch gezien is ijzer compact (7,87 g/cm³), vast bij kamertemperatuur, en vereist extreme hitte om te smelten (1538°C) en te koken (2861°C).

In de aardkorst is ijzer het vierde meest voorkomende element, maar toch wordt aangenomen dat de gesmolten kern van de planeet grotendeels bestaat uit ijzer, nikkel en zwavel. IJzererts, voornamelijk hematiet, magnetiet en taconiet, bevat ijzer vermengd met silicaat en andere mineralen. Omdat ijzer gemakkelijk oxideert, is het behouden van de integriteit ervan een grote technische uitdaging.

Gebruik van ijzer

Het meeste gewonnen ijzer wordt omgezet in staal, een legering die ijzer combineert met kleine hoeveelheden koolstof en andere elementen. Koolstofstaal bevat doorgaans 0,02–2% koolstof, terwijl hogere koolstofsoorten bijna 2% bedragen. Door chroom toe te voegen (>10 massaprocent) ontstaat roestvrij staal, bekend om zijn corrosiebestendigheid en glans, waardoor het alomtegenwoordig is in de architectuur, medische instrumenten en huishoudelijke apparaten. Andere legeringselementen – nikkel, vanadium, wolfraam, mangaan – verbeteren de hardheid voor toepassingen zoals brugconstructies, snijgereedschappen en componenten van het elektriciteitsnet. Gietijzer, met 3-5% koolstof, is goedkoper maar minder taai dan staal, waardoor het geschikt is voor zaken als motorblokken en kookgerei.

Hoe wordt ijzer gemaakt?

De ijzerwinning begint met ertszuivering. Bij de vroege ijzerbewerking in Europa en het Midden-Oosten (5e eeuw voor Christus) werd houtskool gebruikt om erts bij bescheiden temperaturen te reduceren. De moderne hoogoven, uitgevonden in de 15e eeuw, maakt reductie van hematiet of magnetiet bij hoge temperatuur mogelijk met behulp van cokes (een koolstofbron) en kalksteen (CaCO₃) om onzuiverheden te verwijderen. Het resulterende product – gesinterd ijzer met ~3% koolstof – wordt geraffineerd tot staal. De mondiale staalproductie bedraagt nu jaarlijks meer dan 1,3 miljard ton.

Waar komt ijzer vandaan?

De kosmische oorsprong van ijzer ligt in supernova’s, de cataclysmische dood van massieve sterren. Wanneer een ster zijn waterstofbrandstof opgebruikt, smelt hij zwaardere elementen samen tot ijzer, het eindpunt van energieproducerende fusie. De daaropvolgende supernova verspreidt ijzer en andere zware elementen in het interstellaire medium, waar ze uiteindelijk samensmelten tot nieuwe sterren, planeten en uiteindelijk de aarde. Zonder deze stellaire explosies zouden er geen elementen zwaarder dan ijzer gevormd zijn in de hoeveelheden die we waarnemen.

Hoe worden elementen in de natuur gevormd?

Stellaire nucleosynthese creëert elementen van waterstof tot ijzer door opeenvolgende fusiereacties. Zodra een ster de ijzerpiek bereikt, is verdere kernfusie energetisch ongunstig; alleen explosieve processen zoals supernovae kunnen elementen synthetiseren die zwaarder zijn dan ijzer, zoals goud, lood en uranium. Deze zware elementen reizen door de ruimte en komen soms op aarde aan als meteorieten of als onderdeel van het oermateriaal van de planeet.

IJzer in het menselijk lichaam

Het gemiddelde volwassen menselijke lichaam bevat ongeveer 4 gram elementair ijzer, een kleine fractie maar van vitaal belang voor het leven. IJzer is een kernbestanddeel van hemoglobine, het zuurstofbindende eiwit in de rode bloedcellen dat zuurstof van de longen naar de weefsels transporteert. IJzergebrek – vaak als gevolg van onvoldoende inname van vlees, orgaanvlees of verrijkte granen – leidt tot bloedarmoede, gekenmerkt door vermoeidheid, kortademigheid en zwakte. De behandeling omvat doorgaans orale ijzersupplementen of, in ernstige gevallen, bloedtransfusies.