Sắt: nguyên tố khiến ngôi sao ngừng cháy

Đồ sắt cổ nhất làm từ thiên thạch

Những hạt chuỗi bằng sắt tìm được ở Ai Cập có tuổi khoảng 3000 năm trước Công nguyên. Nghề luyện sắt ra đời muộn hơn thế rất nhiều. Những hạt này rèn từ sắt thiên thạch. Người ta nhận ra nhờ đo niken, vì sắt rơi từ vũ trụ luôn chứa trên 5% niken, còn sắt luyện từ quặng thì thấp hơn hẳn.

Nổi tiếng nhất trong số đó là con dao găm chôn cùng Tutankhamun, người mất năm 1323 trước Công nguyên. Trong lăng mộ ông có tất cả 19 vật bằng sắt thiên thạch, từ thời sắt vẫn còn là kim loại rơi thẳng từ trời xuống.

Vì sao vũ trụ dừng lại ở sắt

Ngôi sao sống bằng cách ghép hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, thu lấy phần năng lượng dôi ra. Hydro thành heli, heli thành carbon, rồi oxy, rồi silic. Nhưng phần dôi ra ấy nhỏ dần, tới sắt thì hết sạch. Ghép thêm nữa là tốn năng lượng chứ không sinh ra.

Sắt-56 thường được gọi là hạt nhân bền nhất, nhưng danh hiệu đó thuộc về niken-62. Nếu đo độ bền bằng năng lượng giữ mỗi hạt trong nhân, niken-62 được 8,7948 MeV, còn sắt-56 chỉ 8,7906 MeV. Sắt-56 giữ một kỷ lục khác, là hạt nhân bền có khối lượng trên mỗi hạt thấp nhất. Vì sắt-56 phổ biến hơn hẳn nên người ta hay gán luôn cả hai kỷ lục cho sắt.

Giai đoạn đốt silic để tạo ra lõi sắt chỉ kéo dài khoảng một ngày. Khi lõi ấy không còn sinh năng lượng để chống lại trọng lượng của chính ngôi sao, cả lõi sụp đổ trong vài giây. Vụ sụp đổ ấy là một siêu tân tinh.

Sắt từ những vụ nổ ấy về sau tụ lại thành hành tinh, và Trái Đất giữ được rất nhiều. Theo ước tính phổ biến, đây là nguyên tố nhiều nhất của cả hành tinh tính theo khối lượng, và phần lớn nằm ở lõi.

Lõi trong là khối sắt gần như rắn hoàn toàn, ở khoảng 5.700 kelvin, xấp xỉ nhiệt độ bề mặt Mặt Trời. Lõi ngoài là sắt lỏng. Tính chung cả hai lớp, sắt chiếm khoảng 80–89% khối lượng lõi, và dòng chảy trong lớp lỏng ấy sinh ra từ trường của Trái Đất.

Vì sao thời đồ sắt đến muộn

Sắt nhiều hơn đồng và thiếc trong vỏ Trái Đất rất nhiều lần, vậy mà thời đồ đồng vẫn đến trước. Lý do là nhiệt độ. Thiếc chảy ở 232 °C, đồng ở 1.085 °C, cả hai đều nằm trong tầm của lò nung gốm đã có từ thời đồ đá mới.

Luyện sắt thì cần tới khoảng 1.250–1.500 °C, cao hơn mức luyện đồng tới 500 độ. Phải tới khoảng thế kỷ 12 trước Công nguyên, ở vùng Cận Đông và Địa Trung Hải, người ta mới làm chủ được mức nhiệt đó.

Quy mô từ đó tới nay thay đổi đến mức khó hình dung. Một lò cao thế kỷ 18 làm ra khoảng 360 tấn mỗi năm. Lò cao lớn nhất thế giới hiện nay, ở Hàn Quốc, làm ra khoảng 5,65 triệu tấn. Cả thế giới sản xuất chừng 1,9 tỷ tấn thép thô một năm, trong đó riêng Trung Quốc chiếm khoảng 52%.

Ở Việt Nam, lớn nhất là Formosa Hà Tĩnh, khởi công năm 2008, công suất giai đoạn đầu hơn 10 triệu tấn mỗi năm.

Cái giá của quy mô đó là khí thải. Riêng ngành thép chiếm khoảng 7–8% tổng lượng khí nhà kính toàn cầu. Muốn lấy sắt ra khỏi quặng phải dùng than cốc (than đá đã nung kỹ cho sạch tạp chất), và sản phẩm phụ luôn là khí carbonic.

Cột sắt Delhi 1.600 năm không gỉ

Nhôm và crom gặp không khí cũng phủ một lớp oxit, nhưng lớp đó bám chặt và che kín kim loại bên dưới. Gỉ sắt thì không. Oxit sắt sinh ra chiếm thể tích gấp khoảng 2,1 lần khối kim loại đã sinh ra lớp gỉ ấy, nên gỉ tự nứt vỡ và bong ra từng mảng. Bề mặt sạch lộ ra cho nước và oxy ăn tiếp, cứ thế cho tới khi cả thanh sắt gỉ hết.

Vậy mà ở Delhi có một cây cột sắt cao 7,21 mét tính cả đoạn chôn dưới đất, nặng hơn 6 tấn. Cột dựng dưới thời vua Chandragupta II, khoảng những năm 375–415. Cây cột đứng ngoài trời khoảng 1.600 năm mà gần như không gỉ.

Lời giải không phải một kỹ thuật thất truyền nào, mà là tạp chất. Sắt rèn thời đó chứa khoảng 0,25% phốt pho, cao hơn nhiều so với dưới 0,05% của sắt lò cao hiện đại. Lượng phốt pho ấy khiến lớp gỉ đầu tiên không xốp như thường lệ.

Ngay sát mặt kim loại, lớp gỉ ấy kết thành một màng tinh thể phốt phát mỏng, bám chắc, chặn đường nước lẫn oxy. Sắt lò cao hiện đại không có lớp áo ấy.

4 nguyên tử sắt trong mỗi phân tử chở oxy

Hemoglobin là chất chở oxy trong máu. Mỗi phân tử hemoglobin có 4 nguyên tử sắt, mỗi nguyên tử sắt gắn được một phân tử oxy ở phổi rồi nhả ra ở mô. Vậy nên một phân tử hemoglobin chở được tối đa bốn phân tử oxy. Mỗi hồng cầu chứa khoảng 270 triệu phân tử hemoglobin như vậy.

Cộng lại, cơ thể người trưởng thành có chừng 4–5 gam sắt, trong đó khoảng 2,5 gam nằm trong hemoglobin. Thiếu sắt thì máu chở oxy kém.

Sắt là vi chất, nghĩa là cơ thể chỉ cần rất ít, vậy mà thiếu máu thiếu sắt lại là chứng thiếu vi chất phổ biến nhất thế giới. Năm 2015 có khoảng 1,48 tỷ người mắc.

Nhu cầu hằng ngày cũng vì thế mà khác nhau rõ giữa hai giới. Phụ nữ trong tuổi sinh sản mất máu đều đặn theo chu kỳ, nên khuyến nghị của Mỹ là 18 mg mỗi ngày, so với 8 mg ở nam giới. Sau mãn kinh, mức của nữ giảm về bằng nam.

Từ lõi một ngôi sao đã tắt tới vài gam trong máu mỗi người, sắt là nguyên tố mà vũ trụ lẫn cơ thể đều tích lại nhiều nhất.

5 điều cần nhớ về sắt

1. 1 Nhiệt hạch trong sao dừng ở sắt vì từ đó trở đi, ghép hạt nhân lại tốn năng lượng chứ không sinh ra năng lượng.
2. 2 Lõi Trái Đất chủ yếu là sắt, và dòng sắt lỏng ở lõi ngoài sinh ra từ trường bảo vệ hành tinh.
3. 3 Đồ sắt cổ nhất làm từ sắt thiên thạch, nhận ra được nhờ tỉ lệ niken trên 5%.
4. 4 Gỉ sắt chiếm thể tích gấp 2,1 lần khối kim loại đã sinh ra lớp gỉ ấy, nên bong ra thay vì che chắn.
5. 5 Mỗi phân tử hemoglobin mang 4 nguyên tử sắt, và thiếu máu thiếu sắt là thiếu vi chất phổ biến nhất thế giới.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Năng lượng liên kết hạt nhân, giai đoạn đốt silic, cấu tạo lõi Trái Đất, cơ chế gỉ, cột sắt Delhi, sắt thiên thạch và mốc thời đồ sắt theo các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Sản lượng thép và quặng sắt theo USGS, Mineral Commodity Summaries 2025. Hemoglobin, lượng sắt trong cơ thể và khuyến nghị hằng ngày theo các trang y khoa tổng hợp dẫn nguồn gốc; con số thiếu máu thiếu sắt là số liệu năm 2015. Hai nguồn cho hai tỉ lệ sắt khác nhau trong lõi Trái Đất nên bài dùng khoảng 80–89%. Đối chiếu lại lần cuối 11/09/2026.