الحديد Iron – معلومات هامة جداً عن عنصر الحديد

ما هو عنصر الحديد Iron؟

– الحديد عنصر من عناصر الجدول الدوري: العدد الذري = 26، العدد الكتلي = 56

– يرمز لعنصر الحديد له بالرمز: ⁵⁶Fe₂₆

– التوزيع الإلكتروني له: Ar]₁₈ 4s² 3d⁶]

– يتميز معدن الحديد باللمعان المعدني واللون الفضـي، إضـافة إلى قابليته للطرق والسـحب.

– تختلف الخواص الفيزيائية لأنواع الحديد اختلافاً كبيراً حسـب نســبة الكربون فيها، كما في الحديد الزهر والصـلب والحديد المطاوع.

– ومن ناحية أخرى تعتمد الخواص المغناطيسية للحديد على درجة نقائه، فمثلاً يعتبر الحديد النقي فيرومغناطيسياً حتى الدرجة 768°م.

– وفيما يلي الخواص العامة لعنصر الحديد:

اكتشافه ووجوده في الطبيعة Discovery of Iron

– عرف معدن الحديد منذ القدم، اشتق اسمه من اللاتينية Ira بمعنى غضب إشارة إلى قوة هذا المعدن.

– يعتبر معدن الحديد المكون الأساسي لقلب الكرة الأرضية، كما يعد المكون الرئيسي في أحجار نيازك السيدرايت.

– يمثل نسبة 0.5% من تربة سطح القمر.

– كما يعد الحديد رابع عنصر (بعد الأكسجين والسيليكون والألمنيوم) من حيث الوفرة في صخور القشرة الأرضية.

– وغالباً ما يوجد في صورة أكاسيد أو أملاح كربونات أو كبريتيد.

– وأهم خـامـاتـه:

 

– بالإضافة إلى خام البيريت ولكن خام البيريت لا يستخدم غالباً مصدراً للحصول على معدن الحديد، وسبب ذلك هو صعوبة التخلص من الكبريت الموجود فيه.

– أما الخامات الأخرى فتعد مصدراً للحديد الذي يتم إذابته واستخلاصـه من رواسب السيليكات في صورة بيكربونات الحديد Fe(HCO₃) الذي يسهل أكسدته في المحلول.

تحضير الحديد Preparation of Iron

يتم إنتاج الحديـد النقي على نطاق صغير باختزال أكسيد الحديـد النقي باستخدام الهيدروجين وطريقة الكربونيل وذلك بتسخين الحديـد مع غاز تحت ضغط عال فيتكون خامس كربونيل الحديـد Fe(CO)₅ الذي يتفكك بعد ذلك عند الدرجة 250°م منتجاً مسحوق معدن الحديـد.

إن الخطوة الأولى في تحويل خام الحديـد إلى صـلب هي ما يحدث داخل القرن اللافح، حيث يتم اختزاله بفحم الكوك، كما يساعد الحجر الجيري على التخلص من الرمل والطفلة في صورة خبث، ثم يصب مصهور الحديـد في قوالب ليتم تشكيله حسب ما هو مطلوب، ويسمى هذا المنتج الحديـد الزهر الذي يحتوي على نسبة 4% من الكربون، بالإضافة إلى نسب قليلة  من Si , Mn , P , S

ويتميز الحديـد الزهر بالصـلابة غير أنه قابل للكسر، وبالتخلص من الشوائب اللافلزية ينتج الحديـد النقي المسمى بالحديـد المطاوع المتميز بنقاوته.

تبدأ عملية استخلاص الحديـد بشـحن الفرن اللافح بخليط من خام الهيماتايت وفحم الكوك والحجر الجيري ثم يتم إمرار تيار من الهواء الساخن من الأسفل إلى الأعلى، وبذلك يحترق فحم الكوك وتتولد حرارة شديدة ينتج عنها اختزال خام الحديـد بينما تتحول الشوائب الرملية إلى خبث بالتفاعل مع الحجر الجيري كما يلي:

 

وفي قرار الفرن يطفو مصهور الخبث فوق مصهور الحديـد وبذلك يتم فصلهما وجمع كل منهما من خلال فتحات جانبية في جدران الفرن، ثـم يعاد شحن الفرن من أعلى بشحنة جديدة من خام الحديـد لاستمرار عملية الاستخلاص.

تفاعلات الحديد Chemical properties of Iron

(1) التفاعل مع الأكسجين

عند تسخين الحديـد تحت ضغط جزئي منخفض للأكسجين نحصل على أكسيد الحديـد وذلك كما في التفاعل التالي:

 

(2) التفاعل مع الهالوجينات

تفاعل الحديـد مع الهالوجينات وذلك بالتسخين الشديد ليشكل هاليد الحديـد كما في التفاعل التالي:

 

(3) التفاعل مع الأحماض

يتأثر الحديـد بالأحماض المؤكسدة مثل حمض النتريك وذلك كما بالتفاعل التالي:

استخدامات الحديد Uses of Iron

– من أبرز استخدامات الحديـد ما يلي:

(1) استخدامات الحديـد الزهر

يستخدم في صناعة الأدوات التي لا تتعرض للصدمات مثل أنابيب المياه وأنابيب الغاز.

(2) استخدامات الحديـد المطاوع

يستخدم في صنع المغناطيسيات الكهربائية المؤقتة المستخدمة في الأجهزة الكهربائية، كما يستخدم في قضبان التسليح المستخدمة في البناء.

(3) استخدامات الصلب

يستخدم في صناعة السفن وقضبان سكك الحديـد والجسور والسيارات.

(4) أما مركبات الحديـد فهي منتشرة في الصناعة، وتستخدم في العديد من الاستخدامات المتخصـصـة

 كلوريد الحديـد الثلاثي: يستخدم في تنقية المياه ومعالجة مياه الصـرف الصحي، وفي صنع القماش وكعامل لتلوين الطلاء، كما يضاف لأعلاف الحيوانات.

كبريتات الحديـد الثنائي: تستخدم لاختزال أملاح الكرومات في صناعة الإسمنت كما يستخدم لعلاج افتقار الدم لعنصـر الحديد.

كلوريد الحديـد الثنائي: يستخدم كعامل مختزل في بعض الصناعات العضـوية لأعلاف الحيوانات.

تأثير الحديد على جسم الإنسان

– يدخل الحديـد كعنصر حيوي أساسي في تركيب العديد من المركبات العضوية والأنزيمات في الكائنات الحية جميعها، بما في ذلك الإنسـان.

– فهو يدخل في تركيب الهيموغلوبين الذي يتكون من معقد بور فيرين الحديـد (مجموعة الهيمو) والتي تمثل أهم جزء في الهيموغلوبين، حيث يرتبط فيه أيون الحديـد بأربع ذرات نيتروجين بالإضافة إلى ذرة نتروجين خامسـة الهستدين المرتبط بالبروتين، أما المرتبطة السادسة فهي جزيء H₂O

– يتمثل دور الهيموغلوبين في نقل الأكسجين في عمليات الأيض.

تأثير الحديد على البيئة

– يحتاج النبات لكي ينمو نمواً طبيعياً إلى معادن كثيرة أهمها عنصـر الحديد لكن ⁺Fe³ يتميأ في التربة معطياً ₃(Fe(OH غير القابل للذوبان، وبالتالي لا يستطيع النبات امتصـاصـه والاستفادة منه.

– يؤدي نقص الحديـد في النبات إلى خلل واضطراب في النمو، إذ تظهر أوراق النبات مصفرة ويؤثر هذا في إنتاج محاصيل الفاكهة مثل أشجار الموالح كالبرتقال والليمون.

– ويمكن معالجة هذه المشكلة الزراعية بإمداد الجذور بمحلول Fe ³⁺ – EDTA الذائب الذي يصـل إلى جذور الأشجار.

المراجع:

•  دراسة كيميائية تحليلية مفصلة لعناصر الجدول الدوري / الأستاذ الدكتور حسن بوزيّان أستاذ بقسم الكيمياء بالمدرسة العليا للأساتذة / الجزء الأول / أبريل 2017 / الجزائر.
• العناصر الانتقالية – كتاب الصف الثالث الثانوي – جمهورية مصر العربية 2021