الوزن الذري للحديد

الوزن الذري للحديد، الحديد من أهم العناصر الموجودة في سطح الأرض، وهو يدخل في معظم الصناعات على مستوى العالم، سوف نتحدث في هذا المقال عن الحديد بشيء من التفصيل.

نبذة عن الحديد

• الحديد من العناصر الكيميائية اللافلزية، يُرمز له بالرمز Fe نسبةً للكلمة اللاتينية Ferrum، وهو من أقدم المعادن التي تم اكتشافها على مر التاريخ.
• وهو من العناصر الانتقالية، ويُوجد في المجموعة الثامنة والدورة الرابعة في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية، ويُوجد في المرتبة الرابعة من العناصر الأكثر انتشارًا في القشرة الأرضية.
• يتواجد الحديد في الطبيعة على هيئة أكاسيد ومركبات أخرى، ويُعد هو ومركباته والسبائك التي تُصنع منه أكثر المواد المعدنية التي تُستخدم، وهو أكثر العناصر في الاستقرار الكيميائي.
• ويرجع استقراره إلى التوازن في نواة الذرة بين القوة النووية القوية، والقوة الكهرومغناطيسية، ويوجد الحديد في الشهب والنيازك التي تأتي للأرض بنسب كبيرة جدًا تصل إلى 90 في المائة.

تكوين الحديد

• يتم تكوين الحديد داخل النجوم العملاقة، وتُسمى تلك العملية بعملية احتراق السيليكون، ويحدث فيها اندماج نواة ذرة هيليوم He مع نواة ذرة كالسيوم Caمُستقرة، لتتكون ذرة تيتانيوم Ti غير مُستقرة.
• وقبل تحلل ذرة التيتانيوم يتم اندماجها مع ذرة هيليوم، تتكون ذرة كروم Cr غير مُستقرة، وقبل تحلل ذرة الكروم تندمج مع ذرة هيليوم أخرى، لتتكون ذرة حديد Fe غير مُستقرة.
• وقبل تحلل ذرة الحديد، تندمج مع ذرة هيليوم أخرى، فينتج عنها تكون ذرة نيكل Ni غير مُستقرة، ثم يحدث تحلل لذرة النيكل إلى ذرة كوبالت Co غير مُستقرة.
• تتحلل ذرة الكوبالت الغير مُستقرة إلى ذرة حديد مُستقر، وبعدها يحد اتحاد ذرات الحديد مع أي عناصر أخرى، فيتم تشكيل قلب النجم الشمسي، ثم يتجمد ويستقر.

خصائص الحديد

• يُعتبر الحديد فلز انتقالي، حيث يوجد في المستوى الفرعي d، ويُوجد في المجموعة الثامنة والدورة الرابعة من الجدول الدوري، وكتلته الذرية 55.845 جرام لكل مُول.
• وتوزيعه الإلكتروني ذرة أرجون خاملة، ثم ست إلكترونات في المستوى الفرعي 3d ثم إلكترونين في المستوى الفرعى 4s، أما توزيعه الإلكتروني بالنسبة لأغلفة التكافؤ، فهو 2,14,82.
• وهو صَلب، وتبلغ كثافته 7.874 جرام لكل سنتيمتر مُكعب، عند درجة الحرارة العادية في الغرفة، وتبلغ كثافته وهو سائل عند نقطة الانصهار 6.98 جرام لكل سنتيمتر مُكعب.
• وتبلغ درجة انصهار الحديد، وهي الدرجة التي تتحول فيها حالة المادة من الصلبة إلى السائلة 1811 درجة كلفنية K، أو 1538 درجة سيليسية (مئوية) C، أو 2800 درجة فهرنهايت F.
• بينما تبلغ درجة غليانه، وهي الدرجة التي تتحول فيها حالة المادة من السائلة إلى الغازية 3134 درجة كلفنية K، أو 2863 درجة سيليسية (مئوية) C، أو 5182 درجة فهرنهايت F.
• وتبلغ كمية حرارة الانصهار 13.81 كيلو جول لكل مول، وكمية حرارة التبخر 340 كيلو جول لكل مول، بينما تبلغ السعة الحرارية له عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، 25.10 جول لكل (مول. كلفن).
• وبالنسبة لضغط بخار الحديد، فيبلغ 1 باسكال عند درجة حرارة 1728 كلفن، و10 باسكال عند درجة حرارة 1890 كلفن، و100 باسكال عند 2091 كلفن.
• بينما يبلغ كيلو باسكال عند درجة حرارة 2346 كلفن، و10 كيلو باسكال عند 2679 كلفن، و 100 كيلو باسكال عند 3132 كلفن.
• وتبلغ السالبية الكهربائية عند الحديد 1.83 وفقًا مقياس باولنغ، ومقاومته الكهربائية 96.1 نانو أوم. متر عند درجة حرارة 20 درجة سيليسية، ويبلغ نصف قطره الذري 126 بيكومتر.

نظائر الحديد

• يوجد الحديد حوالي 28 نظيرًا معروفًا حتى الآن، ومنها نظائر مستقرة وأخرى غير مستقرة، ويبلغ عدد النظائر المستقرة أربعة، وهي حديد Fe 54، وحديد Fe 56، وحديد Fe57، وحديد Fe58.
• وأكثر تلك النظائر انتشارًا في الطبيعة هو حديد Fe 56، حيث يشكل حوالي 91.75 من الحديد في الكرة الأرضية، ويوجد نظير شبه مستقر للحديد وهو Fe60، وهو نادر.
• بينما يوجد حوالي 24 نظيرًا مشعًا للحديد، ولكل نظير خصائصه وأهميته، في مجالات الأرض والكواكب، كما يفيد أيضًا في علوم الحياة والصناعة بشكل عام.

الوزن الذري للحديد وكيفية حسابه

• يبلغ الوزن الذري للحديد، أو الكتلة الذرية Atomic Mass حوالي 55.845 جرام لكل مول.
• ويُمكن حساب الوزن الذري للحديد بفرض أن كل مائة ذرة من الحديد، يوجد بها حوالي 91.8 من النوع Fe 56، والباقي منها من النوع Fe58، وFe57، وFe54.
• فتكون الكتلة الذرية ل Fe 54 هي 3.132 جرام لكل مول.
• والكتلة الذرية ل Fe 56 هي 51.408 جرام لكل مول.
• والكتلة الذرية ل Fe 57 هي 1.197 جرام لكل مول.
• والكتلة الذرية ل Fe58 هي 0.166 جرام لكل مول.
• فيكون الوزن الذري والكتلة الذرية للحديد هي مجموع تلك الكتل الذرية للنظائر أي 3.132 + 51.408 + 1.197 + 0.116، ويكون الناتج حوالي 55.853 جرام لكل مول.

خواص الحديد الميكانيكية

• يخضع الحديد للعديد من الاختبارات مثل اختبار روكويل و برينل، تعيين الخواص الميكانيكية، قياس قوة الشد في الحديد، وصلادته، وغيرها من الخواص.
• وتمتاز تلك الاختبارات بأن نتائجها دقيقة للغاية، وتعتمد نتائج اختبارات الحديد على مدى نقاء الحديد، حيث كون بلورات الحديد النقية أكثر ليونة من عنصر الألومنيوم Al.
• وعند إضافة أجزاء من المليون من وزن السبيكة من الكربون إلى سبيكة الحديد تزداد قوة وصلابة الحديد، وفي العموم، تزداد الصلادة للحديد بزيادة كمية الكربون في السبيكة.

فوائد الحديد في الصناعة

• يُضاف الحديد النقي بعض من المواد بنسب مختلفة لكي يُستخدم في الصناعة، ومنها الكربون، ومواد معدنية أخرى، ويدخل الحديد في الصناعات الثقيلة مثل أبراج الكهرباء.
• ويدخل كذلك في صناعة مواسير البناء والبنادق، ويدخل الحديد الزهر في صناعة أدوات الطهي، والأنابيب، بينما يُستخدم الحديد المطاوع في صناعة قضبان التسليح للبناء.
• كما يدخل في صناعة المغناطيسات الكهربائية، أما الفولاذ (الحديد الصلب) فيدخل في صناعة قضبان السكك الحديدية، وهياكل السيارات و السفن، وصناعة الجسور.

مركبات الحديد

• الحديد أكثر من عدد تكافؤ، ويشيع أن يكون +2 أو +3، وقد تشترك مركباته في التفاعلات رباعية التكافؤ، والمركبات ذات التكافؤ الثنائي من الحديد تُسمى الحديدوز، كأكسيد الحديدوز FeO.
• أما المركبات الثلاثية التكافؤ فتُسمى الحديديك كأكسيد الحديديك Fe2O3، ومن الممكن وجود الحديد في صورة تكافؤ سداسي كمركب رابع حديدات البوتاسيوم K2FeO4.
• يتم الحصول على أكاسيد الحديد عن طريق تفاعل الحديد مع أكسجين الهواء الجوي، ومن أهم أنواع أكاسيده أكسيد الحديديك Fe2O3، وأكسيد الحديدوز FeO، وأكسيد الحديد الأسود Fe3O4.
• وتُعد أكاسيد الحديد هي أهم وأشهر الخامات المُستخدمة في إنتاج الحديد في الأفران، ومن أهم كبريتيدات الحديد البيريت الذي يُطلق عليه الذهب الكاذب FeS2.
• أما سيانيدات الحديد، فيُعد مسحوق أزرق بروسيا من أهم السيانيدات الحديدية، ويُستخدم كترياق ضد السموم المشعة من الثاليوم سيزيوم، ومن سيانيدات أيضًا فيري سيانيد البوتاسيوم، و فيروسيانيد البوتاسيوم.

استخدامات مركبات الحديد

تدخل مركبات الحديد في العديد من الاستخدامات، ومنها:

• يُستخدم كلوريد الحديد الثنائي في العديد من الصناعات العضوية، بينما يُستخدم كلوريد الحديد الثلاثي في تنقية مياه الصرف، وتنظيف النحاس، كما يدخل في الصباغة.
• يتم استخدام كبريتات الحديد الثنائية في صناعة الإسمنت، حيث تختزل أملاك الكرومات، بينما يُستخدم كبريتات الحديد الثلاثية في تنقية المياه.
• يعمل الحديد كعوامل حفازة في عملية إنتاج الأمونيا NH4.
• كما يعمل كعوامل حفازة في إنتاج الوقود، حيث تعمل على تحويل غاز أول أكسيد الكربون CO إلى هيدروكربونات عضوية.

إنتاج الحديد

يتم إنتاج الحديد من خاماته بطرق عدة عبر الأفران المُختلفة، ومن تلك الطرق:

• إنتاج الحديد الخام بطريقة الفرن اللافح، ويتم فيها اختزال إحدى خامات الحديد بالكربون، عند درجة حرارة 2000 مئوية، وهذه الخامات الهيماتيت Fe2O3 أو الماغنتيت Fe3O4.
• ويتم وضع الخامات والكربون معًا في فحم كوك، ويتم استخدام حجر جيري لإخراج ومنع الشوائب كثاني أكسيد الكربون من انسداد الفرن اللافح.
• وتتم عملية الاختزال للخام بخطوات كيميائية مختلفة ودرجة حرارة مرتفعة، يتم الحصول بعدها الحديد، على هيئة حديد منصهر، ويتم إزالة الخبث منه، ثم يُستخدم كخام للحديد في الخطوة التالية.
• والخبث فوائد كاستخدامه في رصف الطرق، كما يُستخدم كمادة للتخصيب في بعض التربات، وكذلك يدخل في صناعة الأسمنت، وتُعتبر الصين أكبر منتج لخامات الحديد، ويليها كل من البرازيل وأستراليا والهند.
• ومن طرق الإنتاج طريقة الاختزال المباشر، وذلك يقلل من استخدام فحم الكوك، ويتم الاختزال باستخدام الغاز الطبيعي، حيث يتم اختزال الخام إلى الحديد الأسفنجي، وهو يشبه المسحوق.
• ويتم في هذه العملية أكسدة الغاز الطبيعي و باستخدام بعض من العوامل الحفازة والحرارة، ويتم إرسال الغازات ودفعها إلى فرن به خامات الحديد.
• ويتم ذلك عند درجة حرارة عالية بين 800 و 900 درجة مئوية، ثم يتم إزالة مادة السيليكا باستخدام مادة مثل الحجر الجيري.
• وهناك العديد من المميزات لطريقة الاختزال المباشر منها عدم استخدام فحم الكوك الغالي الثمن، كما أن تكلفة تلك الطريقة أقل بكثير من طريقة الفرن اللافح.
• ومن مميزاته أيضًا أن التقنية المُستخدمة فيه سهلة الاستخدام وغير معقدة، كما أن الحديد الذي ينتج منه لا يحتوي على كربون، بينما يحتوي الحديد الناتج من الفرن اللافح على كربون.
• ويُمكن إنتاج الحديد الصلب مُباشرة بطريقة تُسمى (الصهر)، ويكون الحديد في صورة سائلة، وتحدث تلك العملية في أفران الصهر، أو باستخدام البلازما.

أضرار مصانع الحديد للبيئة

• من الممكن حدوث تلوث في البيئة التي تحيط بمصانع الحديد، وذلك بسبب انبعاث الغازات السامة من أفران الإنتاج إلى الجو، وقد تؤدي تلك الغازات إلى ضرر بالعاملين.
• ومن الممكن أن تُسبب الغازات قتل المحاصيل الزراعية، وتُسبب المصانع ارتفاع درجة حرارة الجو، وتصاعد الأتربة من أعلى الفرن عند الصب، وتعمل المياه الناتجة من المصانع على تلوث مياه المجاري.

طرق تجنب تلوث مصانع الحديد

لتجنب حدوث تلوث من مصانع الحديد و أدخنتها في البيئة، يُمكن القيام ببعض من الأمور تحد من التلوث، ومنها:

• الاستفادة من المواد الصلبة، وإعادة استخدامها.
• تجميع الأتربة التي تتصاعد من قمم الأفران.
• العمل على معالجة المياه الناتجة من وحدات التصنيع، فمن الممكن إعادة استعمالها أو صرفها بشكل آمن.
• الانتفاع من الغازات التي تتصاعد من قمة أفران الاختزال، وذلك عن طريق استرجاعها وإعادة شحنها مرة أخرى.
• استخدام غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتصاعد من المصانع في عملية صنع الكبريت S أو حمض الكبريتيك H2SO4، واستخدام غاز أول أكسيد الكربون CO كوقود.

الحديد في القرآن الكريم

• جاءت كلمة (حديد) في العديد من المواضع في القرآن الكريم، ويُوجد سورة تُسمى بسورة الحديد.
• قال الله تعالى (لَقَدْ أَرْسَلْنَا رُسُلَنَا بِالْبَيِّنَاتِ وَأَنْزَلْنَا مَعَهُمُ الْكِتَابَ وَالْمِيزَانَ لِيَقُومَ النَّاسُ بِالْقِسْطِ وَأَنْزَلْنَا الْحَدِيدَ فِيهِ بَأْسٌ شَدِيدٌ وَمَنَافِعُ لِلنَّاسِ وَلِيَعْلَمَ اللَّهُ مَنْ يَنْصُرُهُ وَرُسُلَهُ بِالْغَيْبِ إِنَّ اللَّهَ قَوِيٌّ عَزِيزٌ) صدق الله العظيم.
• وتُعد هذه الآية دليلاً على أن الحديد أُنزِلَ من السماء، ولم يكن على الأرض أبدًا قبل ملايين السنين، ولكن أُنزِلَ من السماء عن طريق الشهب والنيازك.

الحديد في الكائنات الحية

• يُعتبر الحديد عنصرًا حيويًا في العديد من الإنزيمات والمركبات العضوية في جميع الكائنات الحية.
• حيث يلعب الحديد دورًا رئيسيًا في نقل الأكسجين من الرئتين عن طريق الهيموجلوبين لخلايا الدم الحمراء إلى جميع أجزاء ونواحي الجسم، كما أنه من ضمن مجموعة المركبات العضوية الفلزية.
• لتلك المجموعات أدوار حيوية ضرورية، ومنها (خضاب الدم) الذي تكونه سلاسل الهيم، ويحتوي على حلقة عضوية، ومركز تلك الحلقة ذرة من الحديد.
• ومن المجموعات (الميوغلوبين) وهو مثل الهيم في التركيب، ويدخل في تركيب الألياف العضلية، و(النتروجيناز) وهو عبارة عن إنزيم في الكائنات الحية، يُستخدم في عملية تثبيت النيتروجين.
• ومنها أيضًا خضاب الخلية، أو (السيتوكروم) ويوجد به الهيم، وهو مفيد في عملية التنفس الخلوي، وكذلك عمليات الأكسدة العضوية.

أطعمة تحتوي على حديد

يوجد العديد من الأطعمة تحتوي على الحديد، ويُسمى الحديد من المصادر الحيوانية الحديد الهيمي Hemi، ومن المصادر النباتية الحديد الغير هيمي Non heme، ومن تلك المصادر:

• يكون امتصاص الحديد من الحيوانات أسهل من النباتات، ويوجد الحديد بكثرة في اللحوم الحمراء، ولحوم الأسماك والدواجن، والبقوليات كالحمص والفول والعدس، والخضروات والباذنجان والسبانخ.
• ومن المصادر الغنية بالحديد الكبدة والأحشاء الداخلية، فهي غنية جدًا بالحديد، والعديد من المعادن والفيتامينات، حيث تحتوي كل قطعة من الكبد البقري على حوالي خمسة ملليجرامًا.
• ولكن تحتوي الكبدة على نسبة عالية من الكوليسترول، لذا يجب الحذر، كما تحتوي على نسبة كبيرة من فيتامين A، لذلك يجب التوصية على الحامل، من أجل الانتباه من الكميات المأكولة منه.
• ويجب عادةً الاستشارة قبل تناول أي من تلك المأكولات، لتجنب الضرر من الإفراط في الكميات المتناولة.

وفي نهاية هذا المقال عن الوزن الذري للحديد، نكون قد تحدثنا عن الحديد وفوائده وتكوينه ونظائره، وخصائصه، ووزنه الذري وكيفية حسابه، ومركباته وطرق إنتاجه، وذكره في القرآن، والأطعمة التي تحتوي عليه.