خصائص الحديد (العنصر الكيميائي) ، التركيب الكيميائي ، الاستخدامات

ال حديد هو معدن الانتقال الموجود 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 استخراجها 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 الروسية. في الفضاء النجمي ، يُعتقد أنه عنصر وفير في النيازك ، وقد حافظ البعض بعد تأثيره على الأرض على الحديد المتبلور في صدورهم الصخرية..

لكن الأهم 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 ، ترجع الألوان التي لوحظت في جبال المريخ والصحاري إلى حد كبير إلى الهيماتيت.

يمكن العثور على الأجسام الحديدية داخل المدن أو الحقول. أولئك الذين ليس لديهم فيلم واقية ، يتحول المحمر لأنها تآكل من الرطوبة والأكسجين. بينما تظل أخرى ، مثل فانوس الصورة الرئيسية ، رمادية أو سوداء.

تشير التقديرات إلى وجود تركيز هائل من هذا المعدن داخل قلب الأرض. لدرجة أنه ، في الحالة السائلة ، نتيجة لدرجات الحرارة المرتفعة ، يمكن أن يكون مسؤولاً 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.

مؤشر

• 1 خصائص الحديد
  • 1.1 نقاط الانصهار والغليان
  • 1.2 الكثافة
  • 1.3 النظائر
  • 1.4 السمية
• 2 الخواص الكيميائية
  • 2.1 ألوان مركباتها
  • 2.2 حالات الأكسدة
  • 2.3 العوامل المؤكسدة والحد منها
• 3 التركيب الكيميائي
• 4 الاستخدامات / التطبيقات
  • 4.1 الهيكلية
  • 4.2 البيولوجية
• 5 كيف تحصل?
  • 5.1 ردود الفعل داخل الأفران
• 6 المراجع

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 القطع 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 / سم³. هذا هو ، 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 حوالي 56u (26 بروتون ، 26 إلكترون و 30 نيوترون). ومع ذلك ، في الطبيعة هناك ثلاثة نظائر مستقرة من الحديد ، أي أنها تحتوي على نفس عدد البروتونات ولكن الكتل الذرية المختلفة.

ال ⁵⁶الإيمان هو الأكثر وفرة من الجميع (91.6 ٪) ، تليها ⁵⁴الإيمان (5.9 ٪), ⁵⁷الحديد (2.2 ٪) وأخيرا ⁵⁸الإيمان (0.33 ٪). هذه النظائر الأربعة هي التي تشكل كل الحديد الموجود في كوكب الأرض. في ظروف أخرى (خارج كوكب الأرض) ، قد تختلف هذه النسب المئوية ، ولكن ربما ⁵⁶الإيمان لا يزال هو الأكثر وفرة.

نظائر أخرى ، ذات كتل ذبذبة تتأرجح بين 46 و 69 ، غير مستقرة للغاية ولها عمر نصف أقصر من الأربعة المذكورة للتو.

سمية

قبل كل الميزات ، إنه معدن غير سام. وإلا ، 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] ثلاثي الأبعاد⁶4S², وهو ما يعني أنه يسهم إلكترونين من مداراته 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 الإلكترونات ، الحديد²⁺, يبقى مع التكوين [ع] 3D⁶ (بافتراض أن المدار 4s هو مصدر هذه الإلكترونات). بينما إذا فقدت ثلاثة إلكترونات ، الإيمان³⁺, التكوين الخاص به هو [Ar] ثلاثي الأبعاد⁵.

من الناحية التجريبية ، تبين أن العديد من الأيونات مع التكوين التكافؤ الثاني⁵ أنها مستقرة جدا. لذلك ، يميل الحديد إلى التأكسد ضد الأنواع المقبولة للإلكترون ليصبح الكاتيون الحديدي Fe³⁺. وفي بيئة أقل أكسدة ، في الكاتيون الحديدية Fe²⁺.

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 الحمضية جدًا يفضل تحويله إلى Fe³⁺.

ألوان مركباتها

الإيمان²⁺ في حل هو مخضر ، والإيمان³⁺, من البنفسجي لينة. وبالمثل ، قد تحتوي مركبات الحديد على ألوان خضراء أو حمراء حسب نوع الكاتيون الموجود وأيونات أو جزيئات تحيط بها.

الفروق الدقيقة في التغير الأخضر وفقًا للبيئة الإلكترونية للإيمان²⁺. وهكذا ، FeO ، أكسيد الحديد ، هو مادة صلبة خضراء داكنة للغاية. بينما FeSO₄, كبريتات الحديدوز ، لديها بلورات خضراء فاتحة. مركبات الحديد الأخرى²⁺ قد يكون لديهم حتى نغمات زرقاء ، كما في حالة اللون الأزرق البروسي.

كما يحدث مع ظلال الإيمان البنفسجي³⁺ في مركباتها ، والتي يمكن أن تصبح محمرة. على سبيل المثال ، الهيماتيت ، الإيمان₂O₃, هو أكسيد المسؤول عن العديد من القطع من الحديد نظرة المحمر.

هناك عدد كبير من مركبات الحديد ، مع ذلك ، عديم اللون. كلوريد الحديديك ، FeCl₃, إنه عديم اللون ، لأن الإيمان³⁺ انها حقا غير موجودة في شكل أيوني ولكن تشكيل الروابط التساهمية (Fe-Cl).

المركبات الأخرى هي في الواقع مخاليط معقدة من الكاتيونات Fe²⁺ والإيمان³⁺. 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 ؛ أي أنه لا يعاني أي فقد للإلكترونات.

في هذا النوع من المركبات ، يشارك الحديد في شكله الخام. على سبيل المثال ، Fe (CO)₅, الحديد بنتاكربونيل ، يتكون من النفط التي تم الحصول عليها عن طريق تسخين الحديد التي يسهل اختراقها مع أول أكسيد الكربون. يتم وضع جزيئات ثاني أكسيد الكربون في ثقوب السائل ، ويتم تنسيق Fe مع خمسة من هذه (Fe-C≡O).

العوامل المؤكسدة والحد منها

أي من الكاتيونات ، الإيمان²⁺ الإيمان³⁺, هل يتصرفون كعامل مؤكسد أم مخفض؟ الإيمان²⁺ في الوسط الحمضي أو بوجود الأكسجين ، يفقد الإلكترون ليصبح Fe³⁺. لذلك ، إنه عامل مختزل:

إيمان²⁺ => الإيمان³⁺ + و^-

والإيمان³⁺ يتصرف كعامل مؤكسد في وسط أساسي:

إيمان³⁺ + و^- => الإيمان²⁺

أو حتى:

إيمان³⁺ + 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 (محور الجسم مكعب). وتعرف هذه المرحلة الصلبة باسم الفريت ، Fe α.

قد يكون هذا الهيكل نسخة خفية يرجع إلى حقيقة أن الحديد هو تكوين المعادن⁶, مع الشواغر الإلكترونية أربعة الإلكترون.

عندما تزداد درجة الحرارة ، تهتز ذرات الحديد بسبب التأثير الحراري وتبني بعد 906 درجة مئوية ، هيكل مكعب مكعب مضغوط:أقرب مكعب معبأة). 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 يزيد ، فإنه يجبر الذرات البلورية على "الضغط" في بنية أكثر كثافة: Fe β. هذا polymorph له hcp مضغوط: هيكل سداسي (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. وهكذا ، 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. يقوم الفولاذ ببناء جميع الصناعات وموادها تقريبًا.

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 ، حامل للأكسجين بفضل مركز Fe المعدني³⁺, لا يمكن نقل الأكسجين إلى مناطق مختلفة من الجسم ، لأنه في الماء غير قابل للذوبان.

ينتقل الهيموغلوبين عبر الدم إلى الخلايا العضلية ، حيث يكون الرقم الهيدروجيني حامضيًا وتوجد تركيزات أعلى من ثاني أكسيد الكربون.₂. هنا تحدث العملية العكسية ، أي يتم إطلاق الأكسجين بسبب الظروف وانخفاض تركيزه في هذه الخلايا. يمكن لهذا الانزيم نقل ما مجموعه أربعة جزيئات O₂.

كيف تحصل?

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. الهيماتيت والمغنتيت ، الحديد₃O₄, هي 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 ، تتحرك هذه الأكاسيد مع فحم الكوك والحجر الجيري (CaCO)₃) لتفجير الأفران. تحتوي الأكاسيد المستخلصة على جميع أنواع الشوائب التي تتفاعل مع CaO المنبعثة من التحلل الحراري لـ CaCO₃.

بمجرد شحن مجموعة المواد الخام إلى الفرن ، يعمل الجزء السفلي منها في تيار سفلي في درجة حرارة 2000 درجة مئوية ، مما يحرق فحم الكوك إلى أول أكسيد الكربون:

2C (ق) + O₂(g) => 2CO (g) (2000 درجة مئوية)

يرتفع ثاني أكسيد الكربون هذا إلى أعلى الفرن ، حيث يلتقي الهيماتيت ويقلل من:

3Fe₂O₃(s) + CO (g) => 2Fe₃O₄(ق) + CO₂(ز) (200 درجة مئوية)

في المغنتيت هناك أيونات الحديد²⁺, منتجات تخفيض الحديد³⁺ مع CO. بعد ذلك ، يستمر تخفيض هذا المنتج باستخدام المزيد من CO:

إيمان₃O₄(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO₂(ز) (700 درجة مئوية)

أخيرًا ، ينتهي الأمر بتخفيض الحديد إلى الحديد المعدني ، والذي يذوب بسبب درجات الحرارة العالية للفرن:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(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 فوقه ويمكن فصل المرحلتين.

مراجع

1. المركز الوطني لموارد العلوم. (بدون تاريخ). الحديد. تم الاسترجاع من: propertiesofmatter.si.edu
2. آر السفينة. (بدون تاريخ). الحديد. تم الاسترجاع من: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. ب. كالفيرت. (ديسمبر 2003). الحديد: معدن المريخ يعطينا المغناطيسية والحياة. تم الاسترجاع من: mysite.du.edu
4. الجدول الدوري الكيميائي. (6 أكتوبر 2012). الحديد. تم الاسترجاع من: chemicool.com
5. التوازن. (بدون تاريخ). الشخصية المعدنية: الحديد. مأخوذة من: thebalance.com
6. رعشة واتكينز. (2008). كيمياء غير عضوية (الطبعة الرابعة). مولودية جراو هيل.
7. كلارك ج. (29 نوفمبر 2015). استخراج الحديد. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org