معلومات عن كثافة الحديد، الحديد يعتبر عنصرا مهما حيث يكون لونه فضيا وتم اكتشافه منذ العصور القديمة، وهو معدن فلزي قابل للتوصيل ويرمز له بالرمز Fe، ويأتي من الاسم اللاتيني ويكون موجودا في الدورة الرابعة.
وقد يكون العنصر الثامن من الجدول الدوري، حيث يحتوي على العديد من الأعداد الذرية بما في ذلك العدد الذري 62، ونظرا لأنه عنصر فلزي فإنه يكون لامعا وصلبا، كما أنه يوصل الحرارة والكهرباء ويمكن تشكيله وسحبه، وفي هذه المقالة سنقدم لكم معلومات حول الحديد وكثافته.
معلومات عن الحديد
- قد يتواجد الحديد في الطبيعة وغالبا ما يكون على شكل أكاسيد، وقد يتواجد ذلك في قشرة الأرض.
- بسبب استقراره الكبير، يتفاعل الحديد مع الأكسجين ويتشكل عليه صدأ الحديد، وهو أكسيد الحديد.
- يمكن حجب تفاعله مع الأكسجين عن طريق تغليفه باستخدام مواد عازلة ومغلفة.
- تم استفادة الإنسان من الحديد منذ القدم في مجالات عديدة.
- وهنا يتم استخلاص مكوناته وقد يتم صهره عند درجات حرارة عالية وإعادة تشكيله.
- عندما وصل الحديد إلى الأرض من خلال النيازك، يعتق أن تاريخ الحديد بدأ.
- وهذا مذكور في سورة الحديد في القرآن الكريم، حيث قال الله تعالى، باسم الله الرحمن الرحيم.
- لقد أرسلنا رسلنا بالبينات وأنزلنا معهم الكتاب والميزان ليقوم الناس بالعدل، وأنزلنا الحديد فيه قوة عظيمة ومنافع للبشر، وليعلم الله من ينصره ورسله بالغيب؛ إن الله قوي عزيز، وصدق الله العظيم.
- وهذا يعني أن الحديد له أهمية كبيرة وفوائد عديدة، فإن الحديد يدخل في تركيب العديد من المركبات والكائنات الحية.
- ذلك مثل: دخول الحديد إلى صبغة الدم والميوغلوبين والإنزيمات والمركبات العضوية.
- وهذا ينطبق على الكائنات الحية كمكون أساسي فيها، وأن للحديد متغيرات تأكسد في مركباته، وهي: +2 أو +3، ويشار إليها أيضا بأعداد التكافؤ.
شاهد أيضًا: ما هي السلسلة الحديدية المسننة التي تدخل في بعض الصناعات
انتشار الحديد بكثرة
- قد يكون للحديد استخدامات عديدة، عندما يستخدم في صناعة الأدوات المعدنية والأسلحة، وذلك في أحد العصور التي سميت بعصر الحديد.
- لذلك تم استخدامه في صناعة الفولاذ، ويستخدم الحديد في تصنيع هياكل السيارات والسفن في ذلك الوقت، فضلا عن استخدامه في صناعة الأبواب.
- والحديد يستخدم في صناعة الأسلحة والسبائك، وأيضا في البناء.
- عندما يحتوي الحديد على الكربون، يمكن أن يزيد ذلك من صلابته في سبائك الحديد.
- يعتبر الحديد واحدا من العناصر الفلزية التي تتمتع بخصائص مميزة تميزه عن غيره من العناصر.
- حيث يكون صلبا ويصل كثافته إلى حوالي 478.7 غرام/سنتيمتر مكعب، عند درجة حرارة الغرفة.
- وكتلته الذرية تكون 548.55 غرام/مول، ومن الممكن أن يكون له الكتلة الذرية 65.
كثافة الحديد
- كثافة الحديد تعني كتلة الجسم المقسومة على حجمه وتقاس بوحدة غ/سم³.
- حيث إنها خاصية فيزيائية للمواد التي لا يمكن تغييرها بتغير كمية المادة.
- يمكن أن يعبر ذلك عن كتلة وحجم المادة المعتمدة على درجة الحرارة والضغط.
الكثافة المطلقة للحديد
- أما بالنسبة للكثافة المطلقة للحديد، فهي تشير إلى كثافة المادة عند درجة حرارة وضغط قياسيين.
- كما يعد عنصر الحديد من المواد ذات الكثافة العالية، حيث تتحكم الكثافة بطبيعة المادة.
- وهذا يعني أن زيادة كثافة الحديد يزيد من صلابته.
- بالإضافة إلى أن خامات الحديد تحتوي على الحديد بشكل أساسي، مثل الهيماتيت وأكسيد الحديد الأسود والماغنيت وغيرها.
- كما أن له مركبات مثل: مركب الحديد الثلاثي كلوريد، الذي يستخدم لتنقية ومعالجة الماء.
- مثلا في الأصباغ وغيرها، يستخدم كبريتات الحديد الثنائية في صناعة الأسمنت.
- عموما، يمكن استخدام مركبات الحديد في الصناعة وإنتاج الوقود، كما يمكن أن تكون عاملا محفزا في التفاعلات الأخرى.
- يمكن وجود الحديد في التكوينات الصخرية على شكل أكاسيد، وهو المتوفر بشكل أكبر على سطح الأرض.
- يمكن أن يتواجد الحديد كعنصر رئيسي ومهم في جسم الإنسان، وذلك في اللحوم الحمراء والأسماك والخضروات وغيرها.
كثافة الحديد
- يعتبر كثافة الحديد هو: 478،7 جرام/ سم مكعب.
- الرمز الذري: e
- والعدد الذري للحديد هو: 6
- كما أن فئة العنصر هو: المعادن الانتقالية.
- نقطة الانصهار هو: 82 درجة فهرنهايت تعادل 8351 درجة مئوية.
- أما نقطة الغليان فهي: 2815 درجة فهرنهايت، وهذا يعادل تقريبا 2682 درجة مئوية.
- الصلابة هي: 4.
استخدامات الحديد
- يتم استخدام الحديد منذ القدم وعلى الرغم من استخدام سبائك النحاس.
- والتي قد تكون لها درجات حرارة انصهار متنوعة ومختلفة، والحديد قد يكون واحدا من العناصر النقية.
- لا يمكن الحصول على عنصر الحديد بواسطة الصهر، ويكون ذلك بسبب التقويع الواضح الذي يحدث عند استخدام الشوائب وخاصة الكربون.
- ومن خلال عملية الصهر، يمكن إنتاج نسب محددة من الكربون بين 200.0% و 1.2%، والحصول على صلب.
- ويتعلق الأمر بمادة يمكن أن يتم الحصول عليها بشكل آلاف المرات، وهي أصعب من الحديد النقي، ومن ثم يتم إنتاجها في أفران صخرية للحصول على معدن الحديد الخام.
- يمكن تخفيض خام الحديد عن طريق الكوك الفحمي للحصول على الحديد الخام، والذي قد يحتوي على نسب عالية من الكربون.
- ويعتبر خليطا من التنقية مع الأكسجين، ويعمل على تقليل نسبة الكربون إلى النسبة الصحيحة لجعله صلبا.
- يمكن اعتبار الفولاذ وسبائك الحديد التي تتكون من معادن أخرى من بين أكثر المعادن الصناعية شهرة واعتمادا عليها.
- يرجع ذلك إلى وجود مجموعة كبيرة من الخصائص المرغوبة والصخور التي تحمل الكثير.
- يتم استخدام المركبات الكيميائية للحديد في العديد من التطبيقات.
- من الممكن تفجير أكسيد الحديد الممزوج بمسحوق الألومنيوم لإحداث تفاعل حراري.
- ويستخدم في اللحام وتنقية المواد وصناعة الحديد، حيث يشكل مركبات ثنائية مع الهالوجينات، ومن بين المركبات الفلزية العضوية يوجد الفيروزين.
خصائص الحديد
- الحديد من المواد التي تلعب دورا هاما في علم الأحياء، حيث يتفاعل مع الأكسجين الجزيئي في الهيموجلوبين والميوغلوبين.
- هاتان الجزيئتان هما بروتينات نقل الأوكسجين المعروفة في الكائنات الحية.
- يعتبر الحديد عنصرا معدنيا، ويتميز بأهميته في العديد من الإنزيمات المتعلقة بالأكسدة والاختزال.
- وهو يتعامل مع التنفس الخلوي والأكسدة ويعمل على الحد من النباتات والحيوانات.
- يمكن أن يحتوي الذكور على حوالي 8.3 غرام من الحديد، والإناث على 3.2 غرام.
- ويمكن توزيع الحديد في الهيموغلوبين وفي أنحاء الجسم، ويعتبر عنصرا هاما.
- إنه عنصر حاسم وفارق في عملية الهضم والاستقلاب للبروتينات والإنزيمات بالمئات.
- وقد يعمل على المشاركة في وظائف الجسم المتنوعة والمختلفة، مثل: العمل على نقل الأوكسجين وتصنيع الحمض النووي.
- كما يقوم بتقييم الخواص الميكانيكية للحديد وسبائكه عن طريق استخدام مجموعة متنوعة واسعة.
- ومن بين التجارب المتنوعة، مثل اختبار برينل واختبار روكويل واختبار صلابة فيكرز.
- تكون البيانات المتعلقة بالحديد متناسبة، ويمكن استخدامها لمعايرة القياسات أو مقارنة الاختبارات.
- ومع ذلك، تتأثر الخواص الميكانيكية للحديد بنقاوة العينة، وبتركيب بلورات المادة الحديدية.
- بالإضافة إلى ذلك، فإنه في الواقع أكثر مرونة من الألومنيوم، ويمكن أن يكون أنقى أنواع الحديد الصناعي بنسبة 999%.
- قد يكون لديه صلابة تتراوح بين عشرين وثلاثين برينل، وقد يؤدي ذلك إلى زيادة محتوى الكربون.
- مما يؤدي أيضا إلى زيادة معنوية في صلابته ومقاومته للحديد.
- يمكن تحقيق أقصى صلابة للمحتوى الكربوني بنسبة 6.0٪، وعلى الرغم من انخفاض مقاومة الشد للسبيكة.
- وذلك بسبب نعومة الحديد، فإن العمل مع الأوزان الثقيلة والأوزميوم قد يكون سهلا.
شاهد أيضًا: ما هي خواص الحديد
الحديد الزهر
- الحديد الزهر هو نوع من الحديد المصبوب، وهو ينتج من الأفران العالية، ويكون كثافته حوالي 68.7% جم/سم مكعب.
- يتميز بدرجة انصهار تتراوح بين 572.1 إلى 505.1 درجة مئوية، وهو قابل للكسر بسهولة ولا يمكن تشكيله.
- يعود هشاشة حديد الزهر إلى ارتفاع نسبة الكربون فيه، والتي يمكن أن تكون أعلى من 60.2%.
- حديد الزهر قد يحتوي على نسبة عالية من الكربون في حالة انصهاره، وذلك عند درجة حرارة الأوستنيت.
- قد ينفصل الكربون إلى قشور أو شبه كريات، ويكون لون حديد الزهر رماديا أو قد يكون إسمنتيا، أي حديد زهر بلون أبيض.
- يمكن تنفيذ العديد من الطرق المستخدمة في تصنيع الفولاذ، وهي تشمل تقليص نسبة الكربون في الحديد الزهر. من بين هذه الطرق، طريقة بسمر وطريقة فرن أكسجين قاعدي وطريقة فرن القوس الكهربائي.
الفرق بين الصلب والحديد الزهر
الصلب يكون مقابل الحديد المصبوب
- حيث أن الحديد يعد معدنا رماديا قويا، وهو من أثقل المعادن الموجودة على وجه الأرض، وأثناء هذه العملية يتم إزالة الشوائب أو الخبث من الحديد وتحويلها إلى سبائك الصلب.
- يمكن التأكيد على أن الصلب هو سبيكة، بينما الحديد هو واحد من العناصر الموجودة في الحديد بشكل طبيعي، وقد اكتشف العلماء ذلك في الصخور النيزكية وما شابه ذلك.
- قد يكون هناك اختلاف كبير بين هاتين العنصرين، والاختلاف يكمن في قدرة الصلب على إنتاج المعادن كخام الحديد والخردة، ويمكن أن يطلق عليه اسم سبيكة مكونة من الحديد والكربون تحت الرقابة.
- في الحديد، يكون حوالي 4% من المادة الكربونية موجودا في الحديد الزهر، وأقل من 2% من المادة الكربونية في الحديد يجعله صلبا.
- مادة الحديد الزهر هي أرخص من الصلب، حيث تكون نقطة انصهارها منخفضة، وهذا يتيح القدرة على صبها في أي شكل.
- أو الشكل لأنه لا يتأثر من قوة البرودة، حيث يتم تقويته بكمية مناسبة من الكربون.
- فقد يحتوي الحديد على أي كمية من الكربون، ويمكن إضافة الكربون وغيره من المعادن إليه.
- مثل: يتم استخدام الكروم مع الحديد لإنتاج سبائك وأنواع ودرجات مختلفة من الصلب، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ.
وقد يكون هناك اختلاف آخر بين الفولاذ والحديد الزهر وما يمتلكونه، وقد يتمتعون بخصائص مختلفة ومتنوعة ومنها ما يلي:
خصائص الصلب
- من خصائص الصلب أنه يكون متوسط الصلابة، ومن الصعب إحداث تغييرات فيه، وقد يكون لها لزوجة نسبية عالية.
- قد ينتج الصلب رقائق، وقد يتم طحنه، ولكنه لا يمكن أن يكون مشكلا.
خصائص الحديد الزهر
- الحديد الزهر هش، ويتميز بقدرته على امتصاص الاهتزازات والضوضاء في شكله المصهور.
- يمكن للحديد الزهر، وهو من الأنواع، أن يستخدم لتشكيل أي جزء من مكونات الآلات المختلفة بأشكال معقدة.
- مثل: الحديد الزهر أو الأثاث الحديدي المطاوع أو البوابات هي أشياء تسبب ضررا قليلا على الحفر.
- قد يتم إنتاجه على شكل مسحوق، وقد لا يكون قابلا للانثناء بسهولة، ولكن من السهل أن يتكسر.
- بعض الناس يعتقدون أن الصلب أقوى من الحديد الزهر، وهناك آخرون يرون أن الحديد والصلب هما شيئا واحدا.
- قد يكون الحديد الزهر له قوة ضغط، في حين أن الصلب أكثر مقاومة للشد.
- عند مقارنة الحديد الزهر بالصلب، ستلاحظ أن الصلب هو المفضل، حيث لا يصدأ.
- ويمكن استخدام الحديد الزهر والصلب ومواد البناء في الهيكل الخاص بالمباني، حيث يمكن استخدام كلاهما في الهيكل.
- يتم استخدام الفولاذ لصنع الأعمدة والأبواب المصنوعة من الحديد، ويمكن استخدامه أيضا في الأنابيب والمزاريب في الوقت السابق.
- لا يزال يستخدم حتى الآن في صنع أغطية فتحات الصرف الصحي وقطع أسطوانة في محركات السيارات.
- وعلاوة على ذلك، تعتبر أواني الطبخ الثقيلة جدا والتي تكون ذات تكلفة عالية مفيدة في العديد من الاستخدامات مثل المواد البنائية.
- من الممكن أن يكون الصلب هو الخيار المفضل في صناعة السيارات، حيث يتم استخدام أجزاء من الصلب ومكوناته في صناعات متنوعة أخرى لتصنيع الأدوات والسكاكين والإطارات والمسامير، وغيرها.
- عادة ما يعتبر الفولاذ سبيكة، والحديد الزهر معدنا رماديا ثابتا كما هو معروف.
- يكون الحديد المصبوب أرخص من الصلب وقد يكون له نقطة انصهار منخفضة، وبإمكانه العفن بسهولة شديدة.
- الصلب من المواد خفيفة جدا وقد يكون صعبا في التشكيل ويفقد مرونته.
يتم استخدام الحديد الزهر في صناعة غطاء فتحات الصرف الصحي والأنابيب والمرازيب.
أنواع الحديد
هناك لمعدن الحديد أنواعا كثيرة منها:
المعادن الحديدية
وقد تحتوي هذه المعادن على المعادن الحديدية الموجودة في الحديد الزهر والحديد المطاوع والصلب والصلب الغير قابل للصدأ، ويمكن أن تتضمن أنواعا هامة ومكونات وخواص للمعادن الحديدية، بما في ذلك:
الحديد الزهر
هذا الحديد هو سبيكة مصنوعة من الحديد والكربون والماغنيسيوم والفوسفور، ونسبة الكربون فيها تتراوح بين 7.1% إلى 4%. ويمكن تصنيفه إلى أربعة أنواع وفقا للشكل وتوزيع جزيئات الكربون في سبيكة الحديد والزهر
- حديد زهر ذات اللون الرمادي.
- حديد زهر ذات اللون الأبيض.
- وحديد زهر مطاوع.
- حديد زهر مرن.
شاهد أيضًا: ما هي كثافة الحديد ؟
الحديد المطاوع
- إنه نوع من الحديد المطاوع يحتوي على 50% من الكربون، وقد يصل تحمل الشد للحديد المطاوع إلى قيمة تتراوح بين ثلاثة آلاف وثلاثة آلاف وأربعمائة كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع.
- يمكن أن تصل نسبة التمدد إلى 30 إلى 40 في المئة، وتم استبدال استخدامات الحديد المطاوع بالفعل بالصلب المطاوع.
