الحديد تعريفه واستخداماته.

الحديد عنصر كيميائي وفلز، من أقدم المعادن المكتشفة، يرمز له بالرمز Fe وعدده الذري 26. يقع الحديد في الجدول الدوري في المجموعة الثامنة والدورة الرابعة،


يحتل الحديد المركز الرابع من حيث تواجد العناصر في القشرة الأرضية، وهو فلز قابل للطرق والسحب، وغالباً ما يتواجد في الطبيعة في صورة أكاسيد. ويعتبر الحديد وسبائكه أكثر المواد المعدنية استخداماً على الإطلاق.

كيفية تكونه:

يتكوّن الحديد في داخل النجوم العملاقة عند نهاية دورة حياتها، في عملية تسمى بعملية احتراق السيليكون. تبدأ العملية عندما تندمج نواة ذرة كالسيوم مستقرة مع نواة ذرة هليوم، لتتكون ذرة تيتانيوم غير مستقرة. وقبل أن تتحلل ذرة التيتانيوم الغير مستقرة، تندمج مع ذرة هليوم أخرى، لتتكون ذرة كروم غير مستقرة. ثم قبل أن تتحلل ذرة الكروم الغير مستقرة، تتحد مع ذرة هليوم أخرى، لتكوين ذرة حديد غير مستقرة. وقبل أن تتحلل ذرة الحديد الغير مستقرة، تتحد مع ذرة هليوم أخرى، لتكوين ذرة نيكل غير مستقرة.

تتحلل ذرة النيكل الغير مستقرة إلى ذرة كوبالت غير مستقرة، والتي تتحلل أخيراً إلى ذرة حديد مستقرة 56Fe. وعندئذ لا تندمج ذرات الحديد المستقرة مع أي عنصر آخر، فتشكل بذلك قلب النجم، ويبدأ النجم عندئذ بالتجمد ويتجه للاستقرار.

خصائص الحديد:

الخواص الميكانيكية:

يتم تقييم الخواص الميكانيكية للحديد وسبائكه باستخدام مجموعة متنوعة من الاختبارات، مثل اختبار برينل واختبار روكويل وكلاهما لقياس صلادة الحديد، واختبار قوة الشد وغيرها؛ نتائج هذه الاختبارات على الحديد دقيقة للغاية، بما يسمح باستخدام الحديد لمعايرة أو الربط بين نتائج الاختبارات المختلفة.[2][3] تعتمد نتائج تلك الاختبارات على درجة نقاء الحديد: فبللورات الحديد في صورته النقية أكثر ليونة من الألمونيوم، ومع إضافة بعض أجزاء من المليون من وزن سبيكة الحديد من عنصر الكربون، فإنها تضاعف من قوة الحديد.[4] تزداد صلادة الحديد بسرعة بزيادة محتوى الكربون في سبيكة الحديد حتى تصل نسبته إلى 0.2 ٪ من وزن السبيكة، وبعد ذلك يتزايد بمعدلات أقل ويصل إلى الذروة عندما يصل محتوى الكربون إلى 0.6 ٪ تقريبا من وزن السبيكة.[5] الحديد النقي المنتج صناعياً (حوالي 99.99 ٪) لديه صلادة تقدر بـ 20-30 HB.[6]

نظائر الحديد.

يوجد الحديد في الطبيعة في هيئة أربعة نظائر مستقرة، تكون موزعة كالآتي 5.845% 54Fe و 91.754% 56Fe و 2.119% 57Fe و 0.282% 58Fe. من المتوقع أن يخضع النظير 54Fe لعملية تحلل بيتا المزدوج ‏(en)‏، لكن هذه العملية لم تلاحظ بالتجربة بالنسبة لهذه الجسيمات. وحده النظير 57Fe من بين النظائر المستقرة للحديد لديه لف مغزلي ومقداره (−1/2).

يعد نظير الحديد 56Fe أكثر نظائر الحديد وفرة وأكثرها ثباتاً. من غير الممكن إجراء عملية انشطار أو اندماج نووي لهذا النظير مع حدوث إصدار للطاقة. يتشكل هذا النظير من نظير النيكل 56Ni الذي يتشكل من نوى أخف من خلال عملية ألفا داخل المستعرات العظمى (اقرأ عملية احتراق السيليكون). يشكل النظير 56 للنيكل نهاية سلسلة تفاعل الاندماج النووي داخل النجوم العملاقة، لأن إضافة جسيم ألفا آخر سيشكل الزنك-60، والذي يتطلب تشكيله طاقة عالية جداً، لذلك فإن النيكل-56، والذي عمر النصف له 6 أيام، يوجد بكثرة في هذه النجوم. أثناء عملية اضمحلال المستعر الأعظم إلى بقايا، تحدث للنيكل-56 عمليتي إصدار بوزيتروني متلاحقتين، يتحول من خلالها أولاً إلى الكوبالت-56، ومن ثم إلى الحديد-56 المستقر، مما يفسر الوفرة الكبيرة للحديد في الكون مقارنة مع فلزات أخرى مقاربة في الكتلة الذرية. يوجد نظير الحديد-56 في قلب العملاق الأحمر وفي النيازك الحديدية وفي جوف الكرة الأرضية.

هنالك نظير مشع منقرض للحديد 60Fe له عمر نصف كبير يبلغ 2.6 مليون سنة.[9] إن أغلب الدراسات السابقة حول قياس نسبة نظائر الحديد كانت مركزة حول تحديد نسبة الاختلافات في النظير 60Fe، وذلك نتيجة للعمليات المرافقة لحدوث التخليق النووي وفي تشكل الخامات. ساعد التطور الكبير والمتسارع في تقنية مطيافية الكتلة على كشف وتحديد نسب النظائر المستقرة للحديد، وذلك نتيجة وجود العديد من الفروع العلمية المهتمة بهذا المجال، من بينها علوم الأرض وعلم الكواكب بالإضافة إلى التطبيقات الحيوية والصناعية.[10]

أظهرت الدراسات لبعض النيازك الحديدية أن العلاقة بين تركيز النيكل-60، والذي يمثل ناتج اضمحلال للحديد-60، ووفرة نظائر الحديد المستقرة يمكن أن تعطي دلالة على وجود الحديد-60 60Fe أثناء تشكل وتطور النظام الشمسي. من المحتمل أن تكون الطاقة المتحررة أثناء اضمحلال نظير الحديد-60، بالإضافة إلى الطاقة المتحررة عن نظير الألومنيوم المشع 26Al، قد ساهمت في حدوث إعادة انصهار وإعادة تشكيل وتمايز الكويكيبات قبل نشوئها من 4.6 بليون سنة.

تمتاز نوى نظائر الحديد بأن لها طاقة ارتباط عالية لكل نوية، ولا يفوقها بذلك إلا نظير النيكل 62Ni، والذي يتشكل في تفاعلات الاندماج النووي في النجوم. أما بالنسبة لتوزع عنصري الحديد والنيكل، فإن نسبة نظائر الحديد في الكرة الأرضية تفوق نظائر النيكل، ومن المتوقع أنها تفوقها أيضاً أثنائ تشكل العناصر في المستعرات العظمى.[11]




مركبات الحديد.

تكافؤ مركبات الحديد غالباً ما يكون +2 أو +3، ويطلق على مركبات الحديد ثنائية التكافؤ (حديدوز) مثل أكسيد الحديدوز (FeO)، وعلى مركبات الحديد ثلاثية التكافؤ (حديديك) مثل أكسيد الحديديك (Fe2O3). قد يصبح تكافؤ مركبات الحديد سداسي التكافؤ كحالة رابع حديدات البوتاسيوم (K2FeO4). كما أن مركبات الحديد التي تشارك في تفاعلات الأكسدة البيوكيميائية، رباعية التكافؤ.[12][13] كما تتواجد مركبات عضوية معدنية للحديد ذات تكافؤ أحادي موجب أو أحادي سالب أو ثنائي سالب. بل ويتواجد الحديد أحياناً في حالته العنصرية داخل جسم الإنسان.

كما يتواجد مركبات للحديد يكون فيها الحديد ذا تكافؤ ثنائي وثلاثي في الوقت ذاته كأكسيد الحديد الأسود (الماغنتيت) ومركب أزرق بروسيا (Fe4(Fe[CN]6)3)،[13] والذي يستخدم بعض أنواع أوراق الطباعة التي تستخدم في بعض الرسومات الهندسية.[14]

تعد كبريتات الحديدوز المائية (FeSO4•7H2O) وكلوريد الحديديك (FeCl3) من أكثر مركبات الحديد إنتاجاً صناعياً. وتعتبر كبريتات الحديدوز المائية من أكثر المصادر المتاحة للحصول على أكسيد الحديدوز (FeO)، لكنه أكثر عرضة للتأكسد في الهواء من ملح موهر ((NH4)2Fe(SO4)2•6H2O)، وبصفة عامة تميل مركبات الحديد ثنائية التكافؤ للتأكسد في الهواء لتصبح مركبات حديد ثلاثية التكافؤ.[13]




أكاسيده وكبريتيداته.

يتفاعل الحديد مع الأكسجين في الهواء مكوناً أكاسيد الحديد وأشهرها: أكسيد الحديد الأسود (Fe3O4) وأكسيد الحديديك (Fe2O3) وأكسيد الحديدوز (FeO)، وإن كان غير مستقر في درجات الحرارة العادية. هذه الأكاسيد هي الخامات الأساسية لإنتاج الحديد. أما أشهر كبريتيدات الحديد فهو البيريت (FeS2) والذي يعرف بـ الذهب الكاذب.

هاليداته.

عرفت هاليدات الحديد الثنائية والثلاثية منذ القدم باستثناء يوديد الحديديك، وهي تنشأ عن طريق تفاعل معدن الحديد مع حامض هالوجيني لكي ينتج عن ذلك التفاعل أحد الأملاح المائية.[13]

Fe + 2 HX → FeX2 + H2
يتفاعل الحديد مع الفلور الكلور البروم وينتج عن ذلك هاليدات الحديديك، وأشهرها كلوريد الحديديك:

2 Fe + 3 X2 → 2 FeX3 (X = F, Cl, Br)



سيانيداته.
يدخل الحديد في العديد من مركبات السيانيد. من أشهر مركبات السيانيد التي يدخل فيها الحديد مسحوق أزرق بروسيا (Fe4(Fe[CN]6)3)، وفيروسيانيد البوتاسيوم وفيريك-سيانيد البوتاسيوم.

كما يستخدم مسحوق أزرق بروسيا كترياق من سموم الثاليوم السيزيوم المشعة، كما يستخدم كصبغة زرقاء لإزالة إصفرار الماء نتيجة وجود رواسب من أملاح الحديد.