Rauta

Alkuaineita käsittelevä sarjani on edennyt jo ensimmäiseen osaansa… Tällä kertaa esittelyvuorossa on rauta.

Rautaisessa 7,26 kg kuulassa on hiiltä suunnilleen se seitsemän kilogramman yli menevä osa. Ihan puhtaasta raudasta valmistettuun kuulaan tulisikin lommoja turhan helposti.

Rautaisessa 7,26 kg kuulassa on hiiltä suunnilleen se 0,26 kg. Ihan puhtaasta raudasta valmistettuun kuulaan tulisikin lommoja turhan helposti.

Keskeltä on hyvä aloittaa!

Rauta on keskiraskasta ainetta.

Aine puolestaan on jotain millä on massaa – jotain, minkä Theodore Grayn määritelmän mukaan ”voi tiputtaa varpailleen” (Gray 2009).

Massa puolestaan on energiaa tiiviissä muodossa. (E=mctiedättehän?)

Yhden luonnonlain mukaan epäjärjestys eli entropia kasvaa maailmankaikkeudessa koko ajan. Entropiaperiaate määrää kätevästi myös ajan suunnan; järjestys vähenee ja satunnainen kohina lisääntyy sitä mukaa kun aika kuluu. (Kellään ei tosin ole aavistustakaan, että miten on syntynyt se maailmankaikkeuden alkuperäinen järjestys, joka ajan mittaan murenee.)

Epäjärjestyksen kasvun periaatteesta seuraa, että aineella on taipumus hajota säteilyksi. Alunperin tiivis ja hyvään järjestykseen pakattu aine pääsee säteilyksi muututtuaan karkaamaan epäjärjestyksessä avaruuden tuuliin.

Aine hajoaa säteilyksi sillä edellytyksellä, että se jotenkin siinä onnistuu. Ennen kuin aineen energia voi vapautua säteilyksi, sillä voi olla ylitettävänä monta kynnysreaktiota, jotka eivät vapauta energiaa vaan päinvastoin vaativat sitä jostain ulkopuolelta lisää.

Kun raskasta alkuainetta hajotetaan, lopputuloksena on kevyempiä alkuaineita, jotka ovat yhteensä vähän kevyempiä kuin alkuperäinen aine. Massaa on kadonnut. Toisaalta kun kevyet alkuaineet yhdistyvät, lopputuloksena on raskaampaa alkuainetta, mutta ei ihan niin raskasta kuin alkuperäiset aineet yhteensä. Massaa on taas kadonnut.

(Ai, että miksi juuri näin tapahtuu? En lähde pohtimaan sitä tässä, koska se tie vie vain kvanttifysiikkaan. En ymmärrä kvanttifysiikkaa. Kukaan muukaan ei ymmärrä kvanttifysiikkaa.)

Ydinvoimalat toimivat raskaita aineita hajottamalla vapautuvalla energialla.

Aurinko ja muut tähdet puolestaan toimivat kevyiden aineiden yhdistyessä vapautuvalla energialla.

Mutta palataan rautaan. Arvaatteko mikä alkuaine on kevyiden ja raskaiden aineiden puolivälissä? Mistä aineesta ei saa halkaisemalla lamppuun valkeaa – eikä siitä toisaalta saa muihin aineisiin yhdistämälläkään esimerkiksi tähtiin lisää puhtia?

”Nikkeli.” Tarkkaan ottaen oikea vastaus edelliseen kysymykseen on ”nikkeli”… Jatkan nyt kuitenkin niin kuin oikea vastaus kysymykseen olisi ”rauta”, selitän sitten myöhemmin, että miksi…

Maailmankaikkeus on menossa kohti kaikkien aikojen rautakautta. Raskaat aineet hajoavat ja kevyet yhdistyvät, kunnes kaikki aine on muuttunut raudaksi. Kuten Raimo Keskinen aikanaan asian ilmaisi Modernin fysiikan alkeiden luennolla: ”Harva meistä nyt on rautaa, mutta tulevaisuudessa kaikki – eikä mikään enää ruostu, koska missään ei ole enää happea.

En malta olla mainitsematta tässä taas samaisen luentosarjan lopetuslauseita, niitä paremmaksi kun ei oikein voi pistää: ”Sellainen oli tarina maailmankaikkeudesta. Onko maailmankaikkeudesta mitään kysyttävää?

Rautaa ja kaikkia muita raskaita alkuaineita on maailmankaikkeuden mittakaavassa vain mitättömiä hippusia verrattuna kevyimpiin alkuaineisiin vetyyn ja heliumiin. Tähtitietelijöillä onkin viehättävä tapa kutsua kaikkia muita aineita kuin vetyä ja heliumia ”metalleiksi”.

Alkuainevelho Dmitri Mendelejev

Alkuainevelho Dmitri Mendelejev. Kuva: Wikipedia.

Ihan paikka paikoin rautaa voi olla runsaastikin. Esimerkiksi Maapallo on kuuden tuhannen triljoonan tonnin ainehippunen, jonka ytimestä iso osa on rautaa. Maapallon pinnassakin rauta on yksi yleisimmistä alkuaineista.

Raudan tutuimpia ominaisuuksia ovat, että se on harmaata, kovaa, se ruostuu ja siihen tarttuu magneetti.

Ensimmäinen fakta, harmaa väri pätee lähes kaikkiin muihinkin metalleihin – kemiallisessa mielessä metalleihin, ei tähtitieteellisessä.

Tähän väliin sopiikin tietokilpailukysymys: mitkä kolme metallia eivät ole harmaita? Vain puhtaat alkuaineet lasketaan, ei mitään sekoituksia.

Raudan yhdisteet ovat usein punaisia. Rautayhdisteiden takia esimerkiksi monien eläinten veri ja Marsin pinta ovat punaisia

Toinen fakta, raudan kovuus, on siitä huono, että se ei ihan tiukasti otettuna ole totta. Kovuus on tietysti suhteellinen käsite, mutta puhdas rauta on aika pehmeä metalli. Alumiinikin on kovempaa kuin rauta.

Arkikokemuksesta tuttu raudan kovuus johtuu siitä, että rauta ei tavallisesti ole puhdasta, vaan seassa on hiiltä. Hiili tekee raudasta kovempaa, mutta samalla hankalammin taottavaa.  Ovelilla käytännön konsteilla saadaan säädetyä raudan hiilimäärää ja hapetettua hiiltä ja muita raudan epäpuhtauksia niin, että raudasta syntyy terästä.

Kolmas fakta, raudan ruostuminen, on ihan totta, mutta ruostuminen sinänsä ei ole mikään ongelma. Ongelma on se, että ruostunut rauta vaatii enemmän tilaa kuin ruostumaton. Siksi ruostuneen rautaesineen pinta lohkeilee pois ja alta paljastuu aina uusi kerros rautaa ruostumiselle alttiiksi. Monet muutkin metallit kuin rauta ruostuvat eli hapettuvat helposti, mutta niiden hapettunut pinta ei haperru, vaan jää suojakerrokseksi alla olevalle metallille.

Raudan hapenkestävyyttä voidaankin parantaa sekoittamalla siihen muita metalleja. Ruostumatonta terästä saadaan lisäämällä teräkseen reilusti kromia. Jos teräksestä halutaan rakentaa esimerkiksi sukellusvene, kannattaa lisätä myös molybdeeniä. Muilla metalleilla raudan ominaisuuksia voi vielä viritellä lisää.

Neljäs fakta, magneetin tarttuminen rautaan on kiperä aihe. En osaa selittää magneettisuutta. Ongelma on sama kuin aikaisemmin tässä jutussa, kun olisi pitänyt selittää miksi atomiytimien hajoamisissa ja yhdistymisissä vapautuu energiaa. Kvanttifysiikan rajat tulevat vastaan ja kvanttifysiikka puolestaan on liian kummallista ymmärrettäväksi. Raudasta saa kuitenkin magneettisuuden pois lämmittämällä: 770 asteiseen rautamötikkään ei enää tartu magneetti, ähä!

Vai voittaako nikkeli sittenkin raudan?

Tarkistaessani faktoja tätä juttua varten, huomasin, että yksi olennainen ”faktani” on pielessä.

Raimo Keskisen luento, josta opin, että rauta on vakain alkuaine pidettiin ennen vuotta 1995. Siihen asti ”yleisesti tiedettiin”, että raudan isotoopilla 56 on matalin sidosenergia kaikista alkuaineista. Sitten M. P. Fewell (1995) tuli huomanneeksi, että ei se näin olekaan: fysiikan oppikirjoissa ja tietosanakirjoissa oli vain elänyt väärää tietoa. Raudan toisella isotoopilla, rauta-58:lla, on niukasti pienempi sidosenergia kuin rauta-56:lla. Ei siinä vielä mitään, rautaahan sekin on – mutta yksi nikkelin isotooppi, 62Ni, on vielä hiukan molempia rautoja vakaampi.

Virheen syy oli luultavasti siinä, että rauta-56 on luonnollinen päätepiste ketjureaktiolle, mihin tähdissä fuusioituva aine lopulta päätyy.* Nikkelin 62-isotooppia ei tähdissä juuri synny, eikä oikein missään muuallakaan. Rauta saa siis käytännössä hyvän etumatkan nikkeliin verrattuna maailmankaikkeuden tulevaisuuden aineena, mutta, periaatteessa, suunta onkin kohti nikkeliä.

Rauta-56 on melkein huipulla, mutta ei ihan.


Rauta-56 on melkein huipulla, mutta ei ihan. Kuva: Wikipedia.

Tähtien räjähtäessä supernoviksi olosuhteet ovat niin rajut, että rautaa ja nikkeliä raskaampiakin alkuaineita pääsee syntymään, mutta niissä reaktioissa ei enää vapaudu, vaan kuluu energiaa. Liian raskaiden alkuaineiden synty jarruttaa supernovankin puhtia.

Kaiken aineen muuttuminen lopulta raudaksi tai nikkeliksi kestää tietysti kauan. Kukaan ei esimerkiksi tiedä onko protoni epävakaa. Jos protonit hajoavat lopulta itsekseen, kaikki aine hajoaa myös itsekseen ja muuttuu säteilyksi. Se jo tiedetään, että jos protonit hajoavat, niiden puoliintumisaika on yli 1033 vuotta. Jos protonit hajoavat  ja siihen menee aikaa keskimäärin esimerkiksi 10100 vuotta, kaikki aine ehtii muuttua säteilyksi ennen kuin se muuttuu raudaksi tai nikkeliksi. Raudaksi tai nikkeliksi muuttuminen ei ole 10100 vuodessa oikein päässyt alkuunkaan. Sellaiseen menisi aikaa, no, tosi kauan. Eivät nämä näin isot numerot oikeastaan tarkoita mitään.

Aika joka kuluu kaiken aineen muuttumiseen säteilyksi, raudaksi tai nikkeliksi on niin pitkä, että ei ole mitään erityistä syytä ajatella, että maailmankaikkeus eläisi niin vanhaksi. Jos eläisi, niin käytännössä hyvin tarkasti 100% maailmankaikkeuden iästä olisi vielä edessä ja hyvin tarkasti 0% takana. Eli käytännössä maailmankaikkeudessa ei olisi vielä tapahtunut mitään.

* Esimerkiksi noin kymmenen auringon massaisissa tähdissä alkaa vedyn vähetessä ja paineen kasvaessa pii käydä polttoaineesta. Heliumytimet pääsevät tähden sisuksissa törmäilemään yhä raskaampiin aineisiin. Ketju menee näin: pii->rikki->argon->kalsium->titaani->kromi->rauta-52->nikkeli-56. Lopputulos olisi nikkeliä, mutta tämä tähdissä syntyvä nikkelin isotooppi on epävakaa, se hajoaa nopeasti ensin koboltiksi ja sitten raudan 56-isotoopiksi. Tavallinen rauta on tähtiaineen päätepysäkki.

Vastaus tietokilpailukysymykseen: metallit jotka eivät ole harmaita ovat kulta, kupari ja cesium. Cesium on kauniin kullankeltaista, mutta se on ”huono korumetalli”, kuten Gray (2009) asian ilmaisee, ”sillä se räjähtää joutuessaan kosketuksiin ihon kanssa”.

-Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com

Viitteet:

Fewell, M. P. 1995: The atomic nuclide with the highest mean binding energy. Am. J. Physics 63: 653-658. Pdf.

Gray, T. 2009: Kiehtovat alkuaineet. Suom. T. Hautala ja H. Ruuhinen 2010.  Docendo. Rautaesineitä Grayn alkuaineiden kokoelmasta.

Edit 1.5.2013: Kirjoitin tämän jutun ensimmäiset kappaleet uusiksi, kun oikolukijani sanoi, että ne tökkivät…

Yksi vastaus artikkeliin: Rauta

  1. nopoles kirjoitti:

    Alkuaineita käsittelevän sarjani osa 2, hiili: Tee se itse: timantti.

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: