الحديد عنصر كيميائي معروف. إنه ينتمي إلى المعادن ذات التفاعل المتوسط. سننظر في خصائص واستخدام الحديد في هذه المقالة.
الانتشار في الطبيعة
هناك عدد كبير نسبيًا من المعادن التي تشمل الحديد. بادئ ذي بدء ، إنه أكسيد الحديد الأسود. هو اثنان وسبعون بالمائة حديد. صيغته الكيميائية هي Fe3O4. يسمى هذا المعدن أيضًا بخام الحديد المغناطيسي. لونه رمادي فاتح ، وأحيانًا يكون رمادي غامق ، إلى أسود ، مع لمعان معدني. يقع أكبر إيداع لها بين بلدان رابطة الدول المستقلة في جبال الأورال.
المعدن التالي الذي يحتوي على نسبة عالية من الحديد هو الهيماتيت - وهو مكون بنسبة سبعين بالمائة من هذا العنصر. صيغته الكيميائية هي Fe2O3. ويسمى أيضا خام الحديد الأحمر. له لون من الأحمر-البني إلى الأحمر-الرمادي. يقع أكبر إيداع في أراضي بلدان رابطة الدول المستقلة في Krivoy Rog.
المعدن الثالث من حيث محتوى الحديد هو الليمونيت. هنا ، يمثل الحديد ستين بالمائة من الكتلة الكلية. إنها هيدرات بلورية ، أي أن جزيئات الماء منسوجة في شبكتها البلورية ،صيغته الكيميائية هي Fe2O3• H2O. كما يوحي الاسم ، فإن هذا المعدن له لون أصفر مائل إلى البني وأحيانًا بني. وهو أحد المكونات الرئيسية للمغرة الطبيعية ويستخدم كصبغة. ويسمى أيضا الحجر الحديدي البني. أكبر التكرارات هي شبه جزيرة القرم والأورال.
في siderite ، ما يسمى بخام الحديد الصاري ، ثمانية وأربعون في المائة من الحديد. صيغته الكيميائية هي FeCO3. هيكلها غير متجانس ويتكون من بلورات ذات ألوان مختلفة متصلة ببعضها البعض: رمادي ، أخضر شاحب ، رمادي - أصفر ، بني - أصفر ، إلخ.
آخر معدن طبيعي يحتوي على نسبة عالية من الحديد هو البيريت. لها الصيغة الكيميائية التالية: FeS2. الحديد فيه ستة وأربعون بالمائة من الكتلة الكلية. بسبب ذرات الكبريت ، فإن هذا المعدن له لون أصفر ذهبي.
العديد من المعادن المدروسة تستخدم للحصول على الحديد النقي. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم الهيماتيت في صناعة المجوهرات من الأحجار الطبيعية. يمكن العثور على شوائب البيريت في مجوهرات اللازورد. بالإضافة إلى ذلك ، يوجد الحديد في الطبيعة في تكوين الكائنات الحية - وهو أحد أهم مكونات الخلية. يجب توفير عنصر التتبع هذا لجسم الإنسان بكميات كافية. تعود الخصائص العلاجية للحديد إلى حد كبير إلى حقيقة أن هذا العنصر الكيميائي هو أساس الهيموجلوبين. لذلك فإن استخدام الحديد له تأثير جيد على حالة الدم وبالتالي على الكائن الحي ككل.
الحديد: الخصائص الفيزيائية والكيميائية
دعونا ننظر في هذين القسمين الكبيرين بالترتيب. الخصائص الفيزيائية للحديد هي مظهره ، وكثافته ، ونقطة انصهاره ، وما إلى ذلك ، أي جميع السمات المميزة للمادة المرتبطة بالفيزياء. الخصائص الكيميائية للحديد هي قدرته على التفاعل مع المركبات الأخرى. لنبدأ بالأول
الخصائص الفيزيائية للحديد
صلبة في شكلها النقي في ظل الظروف العادية. لونه فضي رمادي وبريق معدني واضح. تشمل الخصائص الميكانيكية للحديد مستوى الصلابة على مقياس موس. يساوي أربعة (متوسط). يتمتع الحديد بموصلية كهربائية وحرارية جيدة. يمكن الشعور بالميزة الأخيرة عن طريق لمس جسم حديدي في غرفة باردة. لأن هذه المادة توصل الحرارة بسرعة ، فهي تمتص معظم الحرارة من بشرتك في فترة زمنية قصيرة ، مما يجعلك تشعر بالبرودة.
لمس شجرة ، على سبيل المثال ، يمكن ملاحظة أن التوصيل الحراري لها أقل بكثير. الخصائص الفيزيائية للحديد هي درجة انصهاره وغليانه. الأول 1539 درجة مئوية ، والثاني 2860 درجة مئوية. يمكن الاستنتاج أن الخصائص المميزة للحديد هي ليونة جيدة وانصهار. لكن هذا ليس كل شيء.
أيضًا ، تشمل الخصائص الفيزيائية للحديد مغنطيسيته الحديدية. ما هذا؟ الحديد ، الذي يمكن أن نلاحظ خصائصه المغناطيسية في الأمثلة العملية كل يوم ، هو المعدن الوحيد الذي يمتلك مثل هذه الخصائصالسمة المميزة الفريدة. هذا يرجع إلى حقيقة أن هذه المادة يمكن أن تكون ممغنطة تحت تأثير المجال المغناطيسي. وبعد إنهاء عمل الأخير ، يظل الحديد ، الذي تكونت خواصه المغناطيسية للتو ، مغناطيسًا لفترة طويلة. يمكن تفسير هذه الظاهرة بحقيقة أنه يوجد في بنية هذا المعدن العديد من الإلكترونات الحرة القادرة على الحركة.
من وجهة نظر الكيمياء
ينتمي هذا العنصر إلى معادن النشاط المتوسط. لكن الخصائص الكيميائية للحديد نموذجية لجميع المعادن الأخرى (باستثناء تلك الموجودة على يمين الهيدروجين في المتسلسلة الكهروكيميائية). إنه قادر على التفاعل مع العديد من فئات المواد.
ابدأ بسيط
يتفاعل Ferrum مع الأكسجين والنيتروجين والهالوجينات (اليود والبروم والكلور والفلور) والفوسفور والكربون. أول شيء يجب مراعاته هو التفاعلات مع الأكسجين. عندما يتم حرق الحديد ، تتشكل أكاسيده. اعتمادًا على ظروف التفاعل والنسب بين المشاركين ، يمكن أن تتنوع. كمثال على هذه التفاعلات ، يمكن إعطاء معادلات التفاعل التالية: 2Fe + O2=2FeO ؛ 4Fe + 3O2=2Fe2O3؛ 3Fe + 2O2=Fe3O4. ويمكن أن تتنوع خواص أكسيد الحديد (الفيزيائية والكيميائية) حسب تنوعها. تحدث هذه الأنواع من التفاعلات في درجات حرارة عالية.
التالي - التفاعل مع النيتروجين. يمكن أن يحدث فقطعرضة للتدفئة. إذا أخذنا ستة مولات من الحديد ومول واحد من النيتروجين ، نحصل على مولين من نيتريد الحديد. ستبدو معادلة التفاعل كما يلي: 6Fe + N2=2Fe3N.
عند التفاعل مع الفوسفور يتكون الفوسفيد. لتنفيذ التفاعل ، المكونات التالية ضرورية: لثلاث مولات من الحديد - مول واحد من الفوسفور ، ونتيجة لذلك ، يتم تكوين مول واحد من الفوسفيد. يمكن كتابة المعادلة على النحو التالي: 3Fe + P=Fe3P.
بالإضافة إلى ذلك ، من بين التفاعلات مع المواد البسيطة ، يمكن للمرء أيضًا التمييز بين التفاعل مع الكبريت. في هذه الحالة ، يمكن الحصول على الكبريتيد. يشبه المبدأ الذي تحدث من خلاله عملية تكوين هذه المادة تلك المذكورة أعلاه. وهي تحدث تفاعل إضافة. تتطلب جميع التفاعلات الكيميائية من هذا النوع ظروفًا خاصة ، ودرجات حرارة عالية بشكل أساسي ، وعدد أقل من المحفزات.
التفاعلات بين الحديد والهالوجينات شائعة أيضًا في الصناعة الكيميائية. هذه هي المعالجة بالكلور ، المعالجة بالبروم ، المعالجة باليود ، الفلورة. كما هو واضح من أسماء التفاعلات نفسها ، فهذه هي عملية إضافة ذرات الكلور / البروم / اليود / الفلور إلى ذرات الحديد لتكوين الكلوريد / البروميد / اليوديد / الفلورايد ، على التوالي. تستخدم هذه المواد على نطاق واسع في مختلف الصناعات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يتحد الحديد مع السيليكون في درجات حرارة عالية. نظرًا لخصائصه الكيميائية المتنوعة ، غالبًا ما يستخدم الحديد في الصناعة الكيميائية.
Ferrum والمواد المعقدة
من المواد البسيطة ، دعنا ننتقل إلى تلك التي تتكون جزيئاتها من اثنين أو أكثرعناصر كيميائية مختلفة. أول شيء يجب ذكره هو تفاعل الحديد مع الماء. فيما يلي الخصائص الرئيسية للحديد. عندما يتم تسخين الماء مع الحديد ، يتشكل أكسيد قاعدي (يسمى ذلك لأنه عند التفاعل مع نفس الماء فإنه يشكل هيدروكسيد ، أي قاعدة). لذلك ، إذا أخذت مولًا واحدًا من كلا المكونين ، فإن المواد مثل ثاني أكسيد الحديد والهيدروجين تتشكل على شكل غاز برائحة نفاذة - أيضًا بنسب مولية من واحد إلى واحد. يمكن كتابة معادلة هذا النوع من التفاعل على النحو التالي: Fe + H2O=FeO + H2. اعتمادًا على النسب التي يتم فيها خلط هذين المكونين ، يمكن الحصول على ثنائي أو ثالث أكسيد الحديد. كلتا هاتين المادتين شائعتان جدًا في الصناعة الكيميائية وتستخدمان أيضًا في العديد من الصناعات الأخرى.
بالأحماض والأملاح
بما أن الحديد يقع على يسار الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية لنشاط المعادن ، فإنه قادر على إزاحة هذا العنصر من المركبات. مثال على ذلك هو تفاعل الاستبدال الذي يمكن ملاحظته عند إضافة الحديد إلى حمض. على سبيل المثال ، إذا قمت بخلط الحديد وحمض الكبريتات (المعروف أيضًا باسم حمض الكبريتيك) بتركيز متوسط بنفس النسب المولية ، فستكون النتيجة كبريتات الحديدوز (II) والهيدروجين بنفس النسب المولية. ستبدو معادلة مثل هذا التفاعل كما يلي: Fe + H2SO4=FeSO4+ H2.
عند التفاعل مع الأملاح تظهر خصائص اختزال الحديد. أي بمساعدة منه ، يمكن عزل معدن أقل نشاطًا عن الملح. على سبيل المثال ، إذاخذ مولًا واحدًا من كبريتات النحاس ونفس الكمية من الحديد ، ثم يمكنك الحصول على كبريتات الحديد (II) والنحاس النقي بنفس النسب المولية.
قيمة للجسم
الحديد هو أحد العناصر الكيميائية الأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية. لقد درسنا بالفعل خصائص المادة ، والآن سنتعامل معها من وجهة نظر بيولوجية. يؤدي Ferrum وظائف مهمة جدًا على المستوى الخلوي وعلى مستوى الكائن الحي بأكمله. بادئ ذي بدء ، الحديد هو أساس بروتين مثل الهيموغلوبين. إنه ضروري لنقل الأكسجين عبر الدم من الرئتين إلى جميع الأنسجة والأعضاء إلى كل خلية من خلايا الجسم ، وبشكل أساسي إلى الخلايا العصبية في الدماغ. لذلك ، لا يمكن المبالغة في تقدير الخصائص المفيدة للحديد.
بالإضافة إلى حقيقة أنه يؤثر على تكوين الدم ، فإن الحديد مهم أيضًا للعمل الكامل للغدة الدرقية (وهذا لا يتطلب اليود فقط ، كما يعتقد البعض). يشارك الحديد أيضًا في التمثيل الغذائي داخل الخلايا ، وينظم المناعة. يوجد الفيروم أيضًا بكميات كبيرة بشكل خاص في خلايا الكبد ، حيث يساعد في تحييد المواد الضارة. كما أنه أحد المكونات الرئيسية لأنواع عديدة من الإنزيمات في أجسامنا. يجب أن يحتوي النظام الغذائي اليومي للشخص على من عشرة إلى عشرين ملليغرامًا من هذا العنصر النزف.
أغذية غنية بالحديد
هناك الكثير منهم. هم من أصل نباتي وحيواني. الأولى هي الحبوب والبقوليات والحبوب (وخاصة الحنطة السوداء) والتفاح والفطر (بورسيني) والفواكه المجففة ووركين الورد والكمثرى والخوخ ،أفوكادو ، قرع ، لوز ، تمر ، طماطم ، بروكلي ، ملفوف ، توت ، توت أسود ، كرفس ، إلخ. والثاني - كبد ، لحم. يعتبر استخدام الأطعمة الغنية بالحديد أمرًا مهمًا بشكل خاص أثناء الحمل ، حيث يحتاج جسم الجنين النامي إلى كمية كبيرة من عنصر التتبع هذا من أجل النمو السليم والتطور.
علامات نقص الحديد
أعراض دخول القليل جدًا من الحديد إلى الجسم هي التعب ، والتجميد المستمر لليدين والقدمين ، والاكتئاب ، وهشاشة الشعر والأظافر ، وانخفاض النشاط الفكري ، واضطرابات الجهاز الهضمي ، وانخفاض الأداء ، واضطرابات الغدة الدرقية. إذا لاحظت أكثر من واحد من هذه الأعراض ، فقد ترغب في زيادة كمية الأطعمة الغنية بالحديد في نظامك الغذائي أو شراء الفيتامينات أو المكملات التي تحتوي على الحديد. تأكد أيضًا من مراجعة الطبيب إذا كنت تعاني من أي من هذه الأعراض بشدة.
استخدام الحديد في الصناعة
ترتبط استخدامات وخصائص الحديد ارتباطًا وثيقًا. نظرًا لمغناطيسيته الحديدية ، يتم استخدامه لصنع مغناطيس - أضعف للأغراض المنزلية (مغناطيس الثلاجة التذكارية ، وما إلى ذلك) ، وأقوى - للأغراض الصناعية. نظرًا لحقيقة أن المعدن المعني يتمتع بقوة وصلابة عالية ، فقد تم استخدامه منذ العصور القديمة لتصنيع الأسلحة والدروع والأدوات العسكرية والمنزلية الأخرى. بالمناسبة ، حتى في مصر القديمة ، كان الحديد النيزكي معروفًا ، وخصائصهوالتي تتفوق على المعادن العادية. أيضا ، تم استخدام هذا الحديد الخاص في روما القديمة. لقد صنعوا أسلحة النخبة منه. فقط الشخص الغني والنبيل يمكن أن يكون لديه درع أو سيف مصنوع من معدن النيزك.
بشكل عام ، المعدن الذي ندرسه في هذه المقالة هو الأكثر تنوعًا بين جميع مواد هذه المجموعة. بادئ ذي بدء ، يصنع منها الفولاذ والحديد الزهر ، والتي تستخدم لإنتاج جميع أنواع المنتجات الضرورية في الصناعة وفي الحياة اليومية.
الحديد الزهر سبيكة من الحديد والكربون ، يتواجد فيها الثاني من 1.7 إلى 4.5 بالمائة. إذا كانت النسبة الثانية أقل من 1.7 في المائة ، فإن هذا النوع من السبائك يسمى الفولاذ. إذا كان هناك حوالي 0.02 في المائة من الكربون في التركيبة ، فهذا هو بالفعل حديد تقني عادي. وجود الكربون في السبيكة ضروري لمنحها قوة أكبر ومقاومة للحرارة ومقاومة للصدأ.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يحتوي الفولاذ على العديد من العناصر الكيميائية الأخرى مثل الشوائب. هذا هو المنجنيز والفوسفور والسيليكون. أيضًا ، يمكن إضافة الكروم والنيكل والموليبدينوم والتنغستن والعديد من العناصر الكيميائية الأخرى إلى هذا النوع من السبائك لمنحه صفات معينة. تستخدم أنواع الصلب التي توجد فيها كمية كبيرة من السيليكون (حوالي أربعة بالمائة) كالفولاذ المحولات. تلك التي تحتوي على الكثير من المنجنيز (حتى اثني عشر أو أربعة عشر بالمائة) تجد تطبيقها في تصنيع الأجزاءالسكك الحديدية والمطاحن والكسارات وغيرها من الأدوات التي تتلف بسرعة.
يتم إدخال الموليبدينوم في تكوين السبيكة لجعلها أكثر استقرارًا من الناحية الحرارية - يتم استخدام مثل هذا الفولاذ كأداة من الفولاذ. بالإضافة إلى ذلك ، للحصول على فولاذ مقاوم للصدأ مشهور وشائع الاستخدام على شكل سكاكين وأدوات منزلية أخرى ، من الضروري إضافة الكروم والنيكل والتيتانيوم إلى السبيكة. ومن أجل الحصول على فولاذ مطيل ومقاوم للصدمات وعالي القوة ، يكفي إضافة الفاناديوم إليه. عند إدخاله في تكوين النيوبيوم ، من الممكن تحقيق مقاومة عالية للتآكل وتأثيرات المواد العدوانية كيميائياً.
المغنتيت المعدني الذي ورد ذكره في بداية المقال ضروري لتصنيع الأقراص الصلبة وبطاقات الذاكرة وغيرها من الأجهزة من هذا النوع. نظرًا لخصائصه المغناطيسية ، يمكن العثور على الحديد في بناء المحولات والمحركات والمنتجات الإلكترونية وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إضافة الحديد إلى السبائك المعدنية الأخرى لمنحها قوة أكبر واستقرارًا ميكانيكيًا. كبريتات هذا العنصر تستخدم في البستنة لمكافحة الآفات (جنبا إلى جنب مع كبريتات النحاس).
كلوريد الحديد لا غنى عنها لتنقية المياه. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم مسحوق المغنتيت في الطابعات بالأبيض والأسود. الاستخدام الرئيسي للبيريت هو الحصول على حامض الكبريتيك منه. تحدث هذه العملية في المختبر على ثلاث مراحل. في المرحلة الأولى ، يتم حرق بيريت الحديد لإنتاج أكسيد الحديد وثاني أكسيد الكبريت. الخطوة الثانية هي تحويل ثاني أكسيدالكبريت لثالث أكسيده بمشاركة الأكسجين. وفي المرحلة النهائية ، يتم تمرير المادة الناتجة عبر بخار الماء في وجود محفزات ، وبالتالي الحصول على حامض الكبريتيك.
الحصول على الحديد
يُستخرج هذا المعدن بشكل أساسي من معدنين رئيسيين: أكسيد الحديد الأسود والهيماتيت. يتم ذلك عن طريق اختزال الحديد من مركباته بالكربون على شكل فحم الكوك. يتم ذلك في أفران الصهر ، حيث تصل درجة الحرارة فيها إلى ألفي درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك طريقة لتقليل الحديد مع الهيدروجين. هذا لا يتطلب فرن صهر. لتنفيذ هذه الطريقة ، يتم أخذ الطين الخاص ، وخلطه مع الخام المسحوق ومعالجته بالهيدروجين في فرن عمود الدوران.
الخلاصة
تتنوع خصائص واستخدامات الحديد. ربما يكون هذا هو أهم معدن في حياتنا. بعد أن أصبح معروفًا للبشرية ، حل محل البرونز ، والذي كان في ذلك الوقت المادة الرئيسية لتصنيع جميع الأدوات ، وكذلك الأسلحة. يتفوق الفولاذ والحديد الزهر من نواحٍ عديدة على سبائك النحاس والقصدير من حيث الخصائص الفيزيائية ومقاومة الإجهاد الميكانيكي.
بالإضافة إلى ذلك ، الحديد أكثر شيوعًا على كوكبنا من العديد من المعادن الأخرى. تبلغ نسبة كتلته في القشرة الأرضية خمسة بالمائة تقريبًا. إنه رابع أكثر العناصر الكيميائية وفرة في الطبيعة. أيضًا ، هذا العنصر الكيميائي مهم جدًا للتشغيل الطبيعي للكائن الحي للحيوانات والنباتات ، وذلك أساسًا لأن الهيموجلوبين مبني على أساسه. الحديد عنصر أساسي من المغذيات الدقيقةوهو أمر مهم للحفاظ على صحة الأعضاء وعملها الطبيعي. بالإضافة إلى ما سبق ، فهو المعدن الوحيد الذي يتمتع بخصائص مغناطيسية فريدة. يستحيل تخيل حياتنا بدون حديد
