الحديد (العنصر الكيميائي): الخصائص ، التركيب الكيميائي ، الاستخدامات
الحديد عبارة عن معدن انتقالي موجود في المجموعة VIIIB أو 8 من الجدول الدوري. إنه أحد المعادن التي كانت مدركة منذ العصور القديمة. عمل الصينيون والمصريون والرومان مع هذا المعدن. يمثل الاستخراج السهل مرحلة من التاريخ المعروف باسم العصر الحديدي.
اسمها مشتق من كلمة "ferrum" في اللاتينية ، ومن ثم رمزها الكيميائي Faith ، وهو عنصر تفاعلي للغاية ، لذلك لا يوجد بريقها الفضي في الطبيعة. في العصور القديمة ، تم تصنيف هذا المعدن في الواقع بقيمة أعلى من الذهب بسبب ندرته المفترضة.
تم العثور على شكله النقي في مناطق غرينلاند وفي الصخور البركانية للتربة في روسيا. في الفضاء النجمي ، يُعتقد أنه عنصر وفير في النيازك ، وقد حافظ البعض بعد التأثير على الأرض على الحديد المتبلور في صدورهم الصخرية.
ولكن ، أكثر أهمية من الحديد النقي ، هي مركباتها ؛ خاصة أكاسيدها. هذه الأكاسيد تغطي سطح الأرض مع مجموعة كبيرة من المعادن ، مثل المغنتيت ، البايرايت ، الهيماتيت ، الجيثيت ، وغيرها الكثير. في الواقع ، فإن الألوان التي لوحظت في جبال المريخ والصحاري ترجع في جزء كبير منها إلى الهيماتيت.
يمكن العثور على الأجسام الحديدية داخل المدن أو الحقول. أولئك الذين ليس لديهم فيلم واقية ، يتحول المحمر لأنهم يتآكلون من الرطوبة والأكسجين. البعض الآخر ، مثل فانوس الصورة الرئيسية ، يظل رماديًا أو أسود.
تشير التقديرات إلى وجود تركيز هائل من هذا المعدن داخل قلب الأرض. لدرجة أنه في الحالة السائلة ، وهي ناتجة عن درجات حرارة عالية ، يمكن أن تكون مسؤولة عن المجال المغناطيسي للأرض.
من ناحية أخرى ، لا يكمل الحديد قشرة كوكبنا فحسب ، بل هو أيضًا جزء من العناصر الغذائية التي تتطلبها الكائنات الحية. على سبيل المثال ، من الضروري نقل الأكسجين إلى الأنسجة.
خصائص الحديد
الحديد النقي له خصائصه الخاصة التي تميزه عن المعادن. إنه معدن لامع ورمادي ، يتفاعل مع الأكسجين والرطوبة في الهواء ليتحول إلى أكسيد مطابق له. إذا لم يكن هناك أكسجين في الجو ، فستظل جميع الحلي والهياكل الحديدية سليمة وخالية من الصدأ الأحمر.
لديها قوة ميكانيكية عالية وصلابة ، لكنها في نفس الوقت قابلة للطرق والقنابل. هذا يسمح للحدادين بتشكيل قطع بأشكال وتصاميم عديدة تعرض الكتل الحديدية لدرجات حرارة شديدة. بل هو أيضا موصل جيد للحرارة والكهرباء.
بالإضافة إلى ذلك ، واحدة من أغلى ميزاتها هي تفاعلها مع المغناطيس وقدرتها على جذب. تم تقديم العديد من العروض للجمهور العام حول التأثير الذي توفره المغناطيسات على حركة نجارة الحديد ، وكذلك لإظهار المجال المغناطيسي وأقطاب المغناطيس.
ذوبان ونقاط الغليان
يذوب الحديد عند درجة حرارة 1535 درجة مئوية ويغلي عند درجة حرارة 2750 درجة مئوية. في شكله السائل والمتوهج يتم الحصول على هذا المعدن. بالإضافة إلى ذلك ، درجات حرارة الانصهار والتبخر هي 13.8 و 349.6 كيلو جول / مول.
كثافة
كثافته 7.86 جم / سم 3. وهذا يعني أن 1 مل من هذا المعدن يزن 7.86 غرام.
نظائر
في الجدول الدوري ، وعلى وجه التحديد في المجموعة 8 من الفترة 4 ، تم العثور على الحديد ، مع كتلة ذرية ما يقرب من 56u (26 بروتونات و 26 إلكترون و 30 نيوترون). ومع ذلك ، يوجد في الطبيعة ثلاثة نظائر مستقرة للحديد ، أي أنها تحتوي على نفس عدد البروتونات لكن الكتل الذرية المختلفة.
56Fe هو الأكثر وفرة من جميع (91.6 ٪) ، تليها 54Fe (5.9 ٪) ، 57Fe (2.2 ٪) وأخيرا 58Fe (0.33 ٪). هذه النظائر الأربعة هي التي تشكل كل الحديد الموجود في كوكب الأرض. في حالات أخرى (خارج كوكب الأرض) ، قد تختلف هذه النسب المئوية ، ولكن قد تظل 56Fe هي الأكثر وفرة.
نظائر أخرى ، مع كتل ذرية تتأرجح ما بين 46 و 69 U ، غير مستقرة للغاية ولها نصف عمر مرات أقل من الأربعة المذكورة للتو.
سمية
قبل كل الميزات ، إنه معدن غير سام. وبخلاف ذلك ، ستكون هناك حاجة إلى معالجات خاصة (كيميائية وفيزيائية) ، وتمثل الأشياء والمباني التي لا تُحصى خطرًا كامنًا على البيئة والحياة.
الخواص الكيميائية
التكوين الإلكتروني للحديد هو [ar] 3d64s2 ، مما يعني أنه يسهم إلكترونين من مداره 4s ، وستة من المدارات ثلاثية الأبعاد ، لتشكيل روابطه المعدنية داخل البلورة. هذا هو الهيكل البلوري الذي يفسر بعض الخصائص مثل المغناطيسية الحديدية.
أيضا ، التكوين الإلكتروني يتنبأ بشكل سطحي باستقرار الكاتيونات. عندما يفقد الحديد اثنين من إلكتروناته ، Fe2 + ، يظل مع التكوين [Ar] 3d6 (على افتراض أن المدار 4s هو مصدر هذه الإلكترونات). بينما إذا فقدت ثلاثة إلكترونات ، Fe3 + ، فإن تكوينها هو [Ar] 3d5.
من الناحية التجريبية ، تم إثبات أن العديد من الأيونات بتكوين التكافؤ nd5 تتمتع بثبات كبير. لذلك يميل الحديد إلى التأكسد ضد الأنواع المقبولة للإلكترون ليصبح الكاتيون الحديدي Fe3 + ؛ وفي بيئة أقل أكسدة ، في الكاتيون Fe2 + الحديدية.
بعد ذلك ، في وسط قليل من وجود الأكسجين ، من المتوقع أن تسود المركبات الحديدية. يؤثر الرقم الهيدروجيني أيضًا على حالة أكسدة الحديد ، لأنه في الوسائط عالية الحموضة يفضل التحول إلى Fe3 +.
ألوان مركباتها
المحلول Fe2 + باللون الأخضر ، و Fe3 + باللون البنفسجي الناعم. وبالمثل ، قد تحتوي مركبات الحديد على ألوان خضراء أو حمراء حسب نوع الكاتيون الموجود وأيونات أو جزيئات تحيط بها.
ظلال التغيير الأخضر وفقا للبيئة الإلكترونية لل Fe2 +. وهكذا ، FeO ، أكسيد الحديد ، هو مادة صلبة خضراء داكنة للغاية ؛ بينما يحتوي FeSO4 ، كبريتات الحديدوز ، على بلورات خضراء فاتحة. قد تحتوي مركبات Fe2 + الأخرى على نغمات مزرقة ، كما في حالة اللون الأزرق البروسي.
كما يحدث أيضًا مع الظلال البنفسجية لـ Fe3 + في مركباتها ، والتي يمكن أن تصبح محمرة. على سبيل المثال ، الهيماتيت ، Fe 2 O 3 ، هو أكسيد المسؤول عن العديد من قطع الحديد التي تبدو حمراء.
عدد كبير من مركبات الحديد ، ومع ذلك ، عديم اللون. كلوريد الحديديك ، FeCl 3 ، عديم اللون ، لأن Fe3 + غير موجود فعليًا في شكل أيوني بل يشكل روابط تساهمية (Fe-Cl).
المركبات الأخرى هي في الواقع مخاليط معقدة من Fe2 + و Fe3 + الكاتيونات. ستظل ألوانها دائمًا عرضة لأي من الأيونات أو الجزيئات التي تتفاعل مع الحديد ، على الرغم من أن الغالبية العظمى تميل إلى أن تكون مزرقة أو بنفسجية أو حمراء (حتى صفراء) أو خضراء داكنة.
حالات الأكسدة
كما هو موضح ، يمكن أن يكون للحالة حالة أكسدة أو تكافؤ +2 ، أو +3. ومع ذلك ، من الممكن أيضًا مشاركتها في بعض المركبات بتكافؤ 0 ؛ بمعنى أنه لا يعاني أي فقد للإلكترونات.
في هذا النوع من المركبات ، يشارك الحديد في شكله الخام. على سبيل المثال ، يتكون Fe (CO) 5 ، الحديد بنتاكربونيل ، من زيت تم الحصول عليه عن طريق تسخين الحديد المسامي بأول أكسيد الكربون. توجد جزيئات ثاني أكسيد الكربون في فراغات السائل ، ويتم تنسيق Fe مع خمسة من هذه (Fe-C≡O).
العوامل المؤكسدة والحد منها
أي من الكاتيونات ، Fe2 + أو Fe3 + ، تتصرف كعامل مؤكسد أو مختزل؟ Fe2 + في الوسط الحمضي أو بوجود الأكسجين ، يفقد الإلكترون ليصبح Fe3 + ؛ لذلك ، إنه عامل مختزل:
Fe2 + => Fe3 + + e-
و Fe3 + يتصرف كعامل مؤكسد في وسط أساسي:
Fe3 + + e- => Fe2 +
أو حتى:
Fe3 + + 3e- => الإيمان
التركيب الكيميائي
يشكل الحديد مواد صلبة متعددة الأشكال ، أي أن ذراته المعدنية يمكن أن تتبنى هياكل بلورية مختلفة. عند درجة حرارة الغرفة ، تتبلور ذراتها في الوحدة الوحدوية مخفية: مكعب في الجسم (مكعب محور الجسم ). تُعرف هذه المرحلة الصلبة باسم الفريت ، Fe α.
قد يرجع سبب هذا الهيكل إلى حقيقة أن الحديد عبارة عن معدن من التكوين d6 ، مع وجود شاغر إلكتروني بأربعة إلكترونات.
عندما تزداد درجة الحرارة ، تهتز ذرات Fe بسبب التأثير الحراري وتبني بعد مكعب 905 درجة مئوية ، مكعب مكعب مضغوط: بنية مكعب أقرب . إنه Fe γ ، الذي يعود إلى مرحلة Fe α عند درجة حرارة 1401 درجة مئوية. بعد درجة الحرارة هذه ، يذوب الحديد عند درجة حرارة 1535 درجة مئوية.
وماذا عن الزيادة في الضغط؟ عندما يزداد هذا ، فإنه يجبر الذرات البلورية على "الضغط" في بنية أكثر كثافة: Fe β. يحتوي هذا الأشكال المتعددة على هيكل مضغوط سداسي البروم ثنائي الفينيل ( حزمة سداسية مغلقة ).
الاستخدامات / التطبيقات
بنيوي
الحديد وحده لديه عدد قليل من التطبيقات. ومع ذلك ، عندما تكون مغلفة بمعادن آخر (أو سبيكة ، مثل القصدير) ، فهي محمية من التآكل. وبالتالي ، فإن الحديد هو مادة بناء موجودة في المباني والجسور والبوابات والتماثيل والسيارات والآلات والمحولات ، إلخ.
عند إضافة كميات صغيرة من الكربون والمعادن الأخرى ، يتم تعزيز خواصها الميكانيكية. وتعرف هذه الأنواع من السبائك بالفولاذ. فولاذ يبنون تقريبا جميع الصناعات والمواد الخاصة بهم.
من ناحية أخرى ، تم استخدام الحديد الممزوج بالمعادن الأخرى (بعض التربة النادرة) في تصنيع المغناطيس المستخدم في المعدات الإلكترونية.
بيولوجي
يلعب الحديد دوراً أساسياً في الحياة. في أجسامنا ، هو جزء من بعض البروتينات ، بما في ذلك الهيموغلوبين الإنزيم.
بدون الهيموغلوبين ، الحامل للأكسجين بفضل مركزه المعدني Fe3 + ، لا يمكن نقل الأكسجين إلى مناطق مختلفة من الجسم ، لأنه في الماء غير قابل للذوبان.
ينتقل الهيموغلوبين عبر الدم إلى خلايا العضلات ، حيث يكون الرقم الهيدروجيني حامضًا وتكثر تركيزات ثاني أكسيد الكربون. هنا تحدث العملية العكسية ، أي يتم إطلاق الأكسجين بسبب الظروف وانخفاض تركيزه في هذه الخلايا. يمكن لهذا الانزيم نقل ما مجموعه أربعة جزيئات من O 2 .
كيف تحصل عليه؟
بسبب تفاعلها وجدت في قشرة الأرض تشكيل أكاسيد أو كبريتيد أو معادن أخرى. لذلك ، يمكن استخدام بعضها كمواد خام ؛ كل شيء يعتمد على التكاليف والصعوبات لتقليل الحديد في بيئته الكيميائية.
من الناحية الصناعية ، يكون تقليل أكاسيد الحديد أكثر جدوى من كبريتيداتها. تعتبر الهيماتيت والمغنتيت ، Fe 3 O 4 ، المصادر الرئيسية لهذا المعدن ، والتي تتفاعل مع الكربون (في شكل فحم الكوك).
الحديد الذي تم الحصول عليه بهذه الطريقة سائل ومتوهج ، ويتم إفراغه في سبائك من السبائك (مثل سلسلة الحمم البركانية). أيضا ، يمكن تشكيل كميات كبيرة من الغازات ، والتي يمكن أن تكون ضارة بالبيئة. لذلك ، الحصول على الحديد ينطوي على النظر في العديد من العوامل.
ردود الفعل داخل الأفران
بدون تسمية تفاصيل استخراجها ونقلها ، يتم نقل هذه الأكاسيد مع فحم الكوك والحجر الجيري (CaCO 3 ) إلى أفران الصهر. تحمل الأكاسيد المستخلصة جميع أنواع الشوائب التي تتفاعل مع CaO المنبعثة من التحلل الحراري لـ CaCO 3 .
بمجرد شحن مجموعة المواد الخام إلى الفرن ، يعمل الجزء السفلي منها في تيار سفلي عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية ، مما يحرق فحم الكوك إلى أول أكسيد الكربون:
2C (s) + O 2 (g) => 2CO (g) (2000 درجة مئوية)
يرتفع ثاني أكسيد الكربون هذا إلى أعلى الفرن ، حيث يلتقي الهيماتيت ويقلل من:
3Fe 2 O 3 (s) + CO (g) => 2Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) (200ºC)
يوجد في المغنتيت أيونات Fe2 + ، وهي منتجات اختزال Fe3 + مع CO. بعد ذلك ، يستمر تخفيض هذا المنتج باستخدام المزيد من CO:
Fe 3 O 4 (s) + CO (g) => 3 FeO (s) + CO 2 (g) (700ºC)
أخيرًا ، ينتهي الأمر بتخفيض الحديد إلى الحديد المعدني ، والذي يذوب بسبب درجات الحرارة العالية للفرن:
FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO 2 (g)
الإيمان (ق) => الإيمان (ل)
بينما في نفس الوقت يتفاعل CaO مع السيليكات والشوائب ، مما يشكل ما يعرف باسم الخبث السائل. هذه الخبث أقل كثافة من الحديد السائل ، ولهذا السبب تطفو فوقها ويمكن فصل المرحلتين.
