الوزن الذري للحديد

الحديد هو واحد من أهم العناصر الموجودة في قشرة الأرض، ويستخدم في معظم الصناعات حول العالم. سنتحدث في هذا المقال بتفصيل بعض المعلومات حول الحديد.

نبذة عن الحديد

الحديد هو عنصر كيميائي غير فلزي، ويرمز له بالرمز Fe وذلك استنادا إلى الكلمة اللاتينية Ferrum، وهو واحد من أقدم المعادن التي تم اكتشافها في التاريخ.
هو عنصر انتقالي يوجد في المجموعة الثامنة والدورة الرابعة في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية، وهو أحد العناصر الأكثر وفرة في قشرة الأرض.
يتواجد الحديد في الطبيعة على شكل أكاسيد ومركبات أخرى، ويعتبر هو ومركباته والسبائك التي تصنع منه من أكثر المواد المعدنية المستخدمة، وهو أكثر العناصر في الاستقرار الكيميائي.
استقرار الحديد يعود إلى التوازن بين القوة النووية القوية والقوة الكهرومغناطيسية في نواة الذرة، ويتواجد الحديد بكميات كبيرة في الشهب والنيازك التي تصل إلى 90 في المائة.

تكوين الحديد

يتشكل الحديد داخل النجوم العملاقة، ويطلق على هذه العملية اسم احتراق السيليكون، حيث يحدث اندماج نواة ذرة الهيليوم (He) مع نواة ذرة الكالسيوم (Ca) المستقرة لتكوين نواة التيتانيوم (Ti) غير المستقرة.
قبل تحلل ذرة التيتانيوم، يتم دمجها مع ذرة هيليوم لتشكيل ذرة كروم غير مستقرة. قبل تحلل ذرة الكروم، يتم دمجها مع ذرة هيليوم أخرى لتشكيل ذرة حديد غير مستقرة.
قبل تفتت ذرة الحديد، تندمج مع ذرة هيليوم أخرى، ما ينتج عنها تكون ذرة نيكل Ni غير مستقرة، ثم يحدث تفتت لذرة النيكل إلى ذرة كوبالت Co غير مستقرة.
تتحلل ذرة الكوبالت غير المستقرة إلى ذرة حديد مستقرة، ثم تتحد ذرات الحديد مع أي عناصر أخرى، وبالتالي يتشكل قلب النجم الشمسي، ثم يتجمد ويثبت.

خصائص الحديد

الحديد هو فلز انتقالي، ويتواجد في المستوى الفرعي d، ويقع في المجموعة الثامنة والدورة الرابعة في الجدول الدوري، وكتلته الذرية 55.845 غرام لكل مول.
ويتكون توزيعه الإلكتروني لذرة الأرجون الخاملة من ست إلكترونات في المستوى الفرعي 3d وإلكترونين في المستوى الفرعي 4s، أما توزيعه الإلكتروني لأغلفة التكافؤ فهو 2، 14، 82.
يكون معدنه صلبا، وتبلغ كثافته 7.874 جرام لكل سنتيمتر مكعب عند درجة الحرارة العادية في الغرفة، وتبلغ كثافته عند نقطة الانصهار وهو في حالة السائل 6.98 جرام لكل سنتيمتر مكعب.
درجة انصهار الحديد هي درجة تحدث فيها تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وتبلغ 1811 درجة كلفنية، أو 1538 درجة مئوية، أو 2800 درجة فهرنهايت.
عندما تصل درجة غليانه، وهي الدرجة التي يتحول فيها السائل إلى غاز، إلى 3134 درجة كلفنية K، أو 2863 درجة سيليسية (مئوية) C، أو 5182 درجة فهرنهايت F.
وكمية حرارة الانصهار تصل إلى 13.81 كيلو جول لكل مول، وكمية حرارة التبخر تصل إلى 340 كيلو جول لكل مول، في حين تكون السعة الحرارية له عند درجة حرارة 25 درجة مئوية هي 25.10 جول لكل (مول. كلفن).
وفيما يتعلق بضغط بخار الحديد، يكون 1 باسكال عند درجة حرارة 1728 كلفن، و10 باسكال عند درجة حرارة 1890 كلفن، و100 باسكال عند درجة حرارة 2091 كلفن.
عند درجة حرارة 2346 كلفن، الضغط يبلغ 1 كيلو باسكال، وعند 2679 كلفن، يصل إلى 10 كيلو باسكال، وعند 3132 كلفن، يبلغ 100 كيلو باسكال.
تقدر الشحنة السالبة للحديد ب١.٨٣ وفقا لمقياس باولنغ، ومقاومته الكهربائية ٩٦.١ نانو أوم. متر عند درجة حرارة ٢٠ درجة سيليسية، ويبلغ نصف قطره الذري ١٢٦ بيكومتر.

نظائر الحديد

هناك حوالي 28 نظيرا معروفا للحديد حتى الآن، ومنها نظائر مستقرة وأخرى غير مستقرة، وعدد النظائر المستقرة هو أربعة، وهي حديد Fe 54، وحديد Fe 56، وحديد Fe 57، وحديد Fe 58.
وأكثر تلك الأنواع الموجودة في الطبيعة هي الحديد بتركيبة Fe 56، حيث يشكل حوالي 91.75% من الحديد في الكرة الأرضية، وهناك نوع آخر من الحديد يعتبر نادرا ويسمى Fe60 وهو ذو ثباتية متوسطة.
وبينما يوجد حوالي 24 نظيرا مشعا للحديد، فكل نظير له خصائصه وأهميته في مجالات الأرض والكواكب، وكذلك يفيد في علوم الحياة والصناعة بشكل عام.

الوزن الذري للحديد وكيفية حسابه

يبلغ وزن الحديد الذري، أو الكتلة الذرية حوالي 55.845 جرام لكل مول.
يمكن حساب الكتلة الذرية للحديد عن طريق افتراض أن كل 100 ذرة من الحديد تحتوي تقريبا على 91.8 ذرة من نوع Fe 56، والبقية منها من أنواع Fe 58، وFe 57، وFe 54.
سيكون الكتلة الذرية للحديد 54 تساوي 3.132 جرام لكل مول.
الكتلة الذرية لفيرميوم 56 هي 51.408 غرام لكل مول.
وزن عنصر الحديد الذري Fe 57 هو 1.197 غرام لكل مول.
وكتلة الذرة Fe58 هي 0.166 جرام لكل مول.
الوزن الذري والكتلة الذرية للحديد هي مجموع كتلة النظائر، أي 3.132 + 51.408 + 1.197 + 0.116، ويكون الناتج حوالي 55.853 جرام لكل مول.

خواص الحديد الميكانيكية

يتم خضوع الحديد للعديد من الاختبارات مثل اختبار روكويل واختبار برينل لتحديد الخواص الميكانيكية وقياس قوة الشد وصلابته وخصائص أخرى.
تتميز هذه الاختبارات بدقتها العالية، وتعتمد نتائج اختبارات الحديد على نقاء المادة، حيث تكون بلورات الحديد النقية أكثر مرونة من الألومنيوم.
عند إضافة أجزاء من المليون من الكربون إلى سبيكة الحديد، يزداد قوة وصلابة الحديد. بشكل عام، تزداد صلابة الحديد مع زيادة كمية الكربون في السبيكة.

فوائد الحديد في الصناعة

يتم إضافة بعض المواد بنسب مختلفة إلى الحديد النقي لاستخدامه في الصناعة، ومن هذه المواد الكربون ومواد معدنية أخرى، ويستخدم الحديد في الصناعات الثقيلة مثل أبراج الكهرباء.
كما يستخدم الحديد في صناعة المواسير والبنادق، ويدخل الحديد الزهر في صناعة أدوات الطهي والأنابيب، بينما يستخدم الحديد المطاوع في صناعة قضبان التسليح للمباني.
في صناعة المغناطيسات الكهربائية، يستخدم الفولاذ (الحديد الصلب) في صناعة قضبان السكك الحديدية وهياكل السيارات والسفن، وكذلك في صناعة الجسور.

مركبات الحديد

الحديد لديه عدة تكافؤات، ومن المعتاد أن تكون +2 أو +3، وتشترك مركباته في تفاعلات رباعية التكافؤ، والمركبات التي تحتوي على اثنين من تكافؤات الحديد تسمى حديدوز، مثل أكسيد الحديدوز FeO.
أما المركبات ذات التكافؤ الثلاثي فيسمون بالحديديك كأكسيد الحديديك Fe2O3، ومن الممكن وجود الحديد في صورة تكافؤ سداسية كمركب رابع وهو حديدات البوتاسيوم K2FeO4.
تتم الحصول على أكاسيد الحديد عن طريق رد فعل الحديد مع الأكسجين في الهواء الجوي، ومن أهم أنواع هذه الأكاسيد، أكسيد الحديديك Fe2O3، وأكسيد الحديدوز FeO، وأكسيد الحديد الأسود Fe3O4.
تعتبر أكاسيد الحديد من أهم وأشهر المواد الخام المستخدمة في إنتاج الحديد في الأفران، ومن أهم كبريتيدات الحديد يوجد البيريت الذي يشار إليه بالذهب الكاذب FeS2.
فيما يتعلق بسيانيدات الحديد، المسحوق الأزرق البروسي هو واحد من أهم السيانيدات الحديدية، ويستخدم كترياق ضد السموم المشعة مثل الثاليوم والسيزيوم، ومن بين السيانيدات الأخرى فيري سيانيد البوتاسيوم وفيروسيانيد البوتاسيوم.

استخدامات مركبات الحديد

تدخل مركبات الحديد في العديد من الاستخدامات، ومنها:

يستخدم كلوريد الحديد ثنائي القطب في العديد من الصناعات العضوية، بينما يستخدم كلوريد الحديد ثلاثي القطب في تنقية مياه الصرف وتنظيف النحاس، وكذلك يستخدم في عمليات الصباغة.
تستخدم كبريتات الحديد الثنائية في صناعة الإسمنت، حيث تقوم بتخفيض محتوى الكرومات، أما كبريتات الحديد الثلاثية فتستخدم لتنقية المياه.
يعمل الحديد كعامل حفاز في عملية إنتاج الأمونيا.
تستخدم أيضا كعوامل حفازة في إنتاج الوقود، حيث تعمل على تحويل غاز أول أكسيد الكربون CO إلى مركبات هيدروكربونية عضوية.

إنتاج الحديد

يتم إنتاج الحديد من خاماته بواسطة عدة طرق في الأفران المختلفة، ومن تلك الطرق:

إن إنتاج الحديد الخام بواسطة الفرن اللافح ينطوي على اختزال واحدة من خامات الحديد باستخدام الكربون عند درجة حرارة 2000 مئوية، وتشمل هذه الخامات الهيماتيت Fe2O3 والماغنتيت Fe3O4.
يتم دمج المواد الخام والكربون معا لتكوين فحم الكوك، ويتم استخدام الحجر الجيري لإزالة الشوائب ومنع انسداد الفرن اللافح من ثاني أكسيد الكربون.
يتم خفض الخام إلى شكل الحديد المنصهر بعد عملية كيميائية متعددة ودرجة حرارة مرتفعة، ويتم تنقية الحديد وإزالة الشوائب لاستخدامه كخام في الخطوة التالية.
ويحمل الخبث فوائد عديدة مثل استخدامه في تعبيد الطرق واستخدامه كمادة للتخصيب في بعض التربات، ويستخدم أيضا في صناعة الأسمنت، وتعد الصين أكبر منتج لخامات الحديد، تليها البرازيل وأستراليا والهند.
طريقة الاختزال المباشر هي طريقة من طرق الإنتاج تقلل استخدام فحم الكوك، وتستخدم الغاز الطبيعي في الاختزال لتحويل الخام إلى الحديد الأسفنجي، الذي يشبه المسحوق.
تتم عملية أكسدة الغاز الطبيعي في هذه العملية باستخدام بعض عوامل حفازة وحرارة، وترسل الغازات وتدفع إلى فرن يحتوي على خامات الحديد.
ويتم ذلك عند درجة حرارة مرتفعة تتراوح بين 800 و 900 درجة مئوية، ثم يتم إزالة مادة السيليكا باستخدام مواد مثل الحجر الجيري.
هناك العديد من المزايا لطريقة الاختزال المباشر، بما في ذلك عدم استخدام الفحم الكوك الثمين، وتكلفة هذه الطريقة أقل بكثير من طريقة الفرن المشتعل.
ومن ميزاته أيضا أن التكنولوجيا المستخدمة فيه سهلة الاستخدام وغير معقدة، وأن الحديد الناتج منه لا يحتوي على الكربون، بينما الحديد الناتج من الفرن اللافح يحتوي على الكربون.
يمكن إنتاج الحديد الصلب مباشرة بواسطة عملية تسمى “الصهر”، حيث يتحول الحديد إلى سائل. وتتم هذه العملية في أفران الصهر أو باستخدام البلازما.

أضرار مصانع الحديد للبيئة

قد يحدث تلوث في البيئة المحيطة بمصانع الحديد بسبب انبعاث الغازات السامة من أفران الإنتاج إلى الهواء، وقد تتسبب تلك الغازات في ضرر للعاملين.
يمكن أن تتسبب الغازات في قتل المحاصيل الزراعية وزيادة درجة الحرارة في الجو، ويمكن للمصانع أن تسبب تصاعد الغبار من فوق الفرن عند الصب، وتلوث مياه الصرف الصحي بفعل المياه المنبعثة من المصانع.

طرق تجنب تلوث مصانع الحديد

لتجنب تلوث البيئة من مصانع الحديد وانبعاثاتها، يمكن اتخاذ بعض الإجراءات للحد من التلوث، ومنها:

الاستفادة من المواد الصلبة، وإعادة استخدامها.
تجميع الغبار الذي يتصاعد من قمم الأفران.
عند العمل على معالجة المياه الناتجة عن وحدات التصنيع، يمكن إعادة استخدامها أو صرفها بشكل آمن.
استغلال الغازات التي تتصاعد من قمة أفران التخمير، من خلال استرجاعها وإعادة شحنها مرة أخرى.
استخدام غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتصاعد من المصانع في عملية صناعة كبريت S أو حمض الكبريتيك H2SO4، واستخدام غاز أول أكسيد الكربون CO كوقود.

الحديد في القرآن الكريم

ظهرت كلمة (حديد) في العديد من المواضع في القرآن الكريم، وهناك سورة تسمى سورة الحديد.
قال الله تعالى: `لقد أرسلنا رسلنا بالبينات وأنزلنا معهم الكتاب والميزان ليقوم الناس بالعدل، وأنزلنا الحديد فيه بأسا شديدا ومنافع للناس، وليعلم الله من ينصره ورسله بالغيب. إن الله قوي عزيز.` صدق الله العظيم.
وهذه الآية توضح أن الحديد نزل من السماء ولم يكن موجودا على الأرض منذ ملايين السنين، بل نزل من السماء عن طريق الشهب والنيازك.

الحديد في الكائنات الحية

الحديد يعتبر عنصرا أساسيا في العديد من الإنزيمات والمركبات العضوية في جميع الكائنات الحية.
حيث يلعب الحديد دورا رئيسيا في نقل الأكسجين من الرئتين عبر الهيموجلوبين إلى خلايا الدم الحمراء في جميع أجزاء الجسم، ويعتبر ضمن مجموعة المركبات العضوية الفلزية.
تلك المجموعات لها أدوار حيوية ضرورية، بما في ذلك خضاب الدم الذي يتكون من سلاسل الهيم ويحتوي على حلقة عضوية، ويحتوي مركز تلك الحلقة على ذرة من الحديد.
ومن بين المجموعات الموجودة، يوجد الـ (ميوغلوبين) الذي يشبه الهيموغلوبين في التركيب، ويدخل في تركيب الألياف العضلية، ويوجد أيضا الـ (نتروجيناز) الذي يعد إنزيما في الكائنات الحية ويستخدم في عملية تثبيت النيتروجين.
ومن بينها أيضا خضاب الخلية، أو (السيتوكروم)، ويحتوي على الهيم، وهو مفيد في عملية التنفس الخلوي، وكذلك في عمليات الأكسدة العضوية.

أطعمة تحتوي على حديد

هناك العديد من الأطعمة التي تحتوي على الحديد، ويطلق على الحديد الحيواني الحديد الهيمي، ويطلق على الحديد النباتي الحديد غير الهيمي، ومن بين تلك المصادر:

يكون امتصاص الحديد من الحيوانات أسهل من النباتات، والحديد موجود بكثرة في اللحوم الحمراء ولحوم الأسماك والدواجن، والبقوليات مثل الحمص والفول والعدس، والخضروات مثل الباذنجان والسبانخ.
من المصادر الغنية بالحديد تشمل الكبد والأحشاء الداخلية، فهي تحتوي بشكل كبير على الحديد والعديد من المعادن والفيتامينات، حيث تحتوي كل قطعة من الكبد البقري على حوالي خمسة ملليجرامات.
ومع ذلك، تحتوي الكبدة على نسبة عالية من الكوليسترول، لذا يجب أن نكون حذرين، كما أنها تحتوي على نسبة عالية من فيتامين A، لذلك يجب توصية النساء الحوامل بتناولها بكميات معتدلة.
عادة، يجب استشارة الخبراء قبل تناول أي من هذه الأطعمة، لتجنب الضرر الناتج عن تناول كميات زائدة.

وفي ختام هذا المقال حول الوزن الذري للحديد، تحدثنا عن الحديد وفوائده وتركيبه ونظائره، وخصائصه، ووزنه الذري وكيفية حسابه، ومركباته وطرق إنتاجه، وذكره في القرآن، والأطعمة التي تحتوي عليه.