بحث شامل عن عنصر الحديد (Fe)

الحديد (Fe) هو العنصر العاشر الأكثر وفرة في الكون .ويُعتقد أن الحديد هو المكون الرئيسي في لب الأرض. ومع ذلك ، فإن الحديد بنسبة 5 في المائة هو أيضًا أحد العناصر الأكثر شيوعًا في قشرة الأرض .ويعد أهم معدن لإنتاج الحديد هو الهيماتيت ، والذي يتكون بشكل أساسي من Fe ₂ O ₃ .

ويتم استخراج خام الحديد من باطن الأرض بشكل رئيسي في أمريكا الجنوبية ، خاصة البرازيل ، في غرب أستراليا ، في جمهورية الصين الشعبية ، في أوروبا الشرقية (مثل أوكرانيا ) وكندا .هذه أهم الدول المنتجة لخام الحديد في الأصل. حيث يوفرون حوالي 70 ٪ من الطلب العالمي.ويعد تصدير خام الحديد هو المصدر الرئيسي للدخل للعديد من البلدان.

تاريخ استخدام الحديد

• أقدم استخدام الإنسان للحديد يأتي من سومر ومصر . ، حوالي 4000 قبل الميلاد كان الحديد الأصلي من النيازك وكان يستخدم للزينة أو كرأس حربة. لم يكن يعمل بالصهر أو بالطرق ، ولكن بطرق العمل بالحجر.
• بين 3000 و 2000 ق يوجد الحديد المصهور (الذي يمكن تمييزه عن الحديد النيزكي بغياب النيكل) في بلاد ما بين النهرين ومصر والأناضول، وكان أكثر قيمة من الذهب.
• بين 1600 و 1200 قبل الميلاد تم استخدام الحديد بشكل متزايد ؛ ومع ذلك ، فإنه لم يحل محل البرونز. وفي الشرق الأدنى منذ عام 1200 حدث الانتقال من العصر البرونزي إلى العصر الحديدي .
• تم إنشاء الحديد الإسفنجي في أول خطوة صهر في العصر الحديدي. من خلال استخدام الفحم في المعالجة ، تمت إضافة الكربون إلى الحديد ، والنتيجة النهائية هي الفولاذ الذي يتمتع بمرونة وصلابة أعلى من البرونز.
• في الصين أيضًا ، تم اكتساب التجارب الأولى مع الحديد من الحديد النيزكي. يمكن العثور على الآثار الأثرية الأولى للحديد المطاوع في الشمال الغربي ، بالقرب من شينجيانغ ، من القرن الثامن قبل الميلاد. يُعتقد أن هذه المنتجات ، المصنوعة باستخدام أساليب الشرق الأوسط ، جاءت إلى الصين عن طريق التجارة.
• حوالي 550 قبل الميلاد في عهد أسرة تشو (1122 إلى 256 قبل الميلاد) ، حدث اختراق تقني حاسم مع تطوير الفرن العالي: أصبح إنتاج الحديد الزهر ممكنًا.
• نظرًا لأن تقنيات المعالجة الأوروبية وصلت فقط إلى درجات حرارة أقل بقليل من 1300 درجة مئوية ، فإن تطوير الحديد الزهر لم يحدث حتى القرن الرابع عشر.ومن ثم انتشرت معالجة الحديد الزهر بسرعة في جميع أنحاء أوروبا.

انتاج الحديد بإستخدام الفرن العالي

يتم الحصول على الحديد عن طريق الاختزال الكيميائي بالكربون في الفرن العالي ؛ تحدث درجات حرارة حوالي 2000 درجة مئوية. أولاً ، فحم الكوك يُضاف إلى فرن الصهر ، حيث يتفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكوين أول أكسيد الكربون :

2C + O ₂ → 2CO

يتفاعل أول أكسيد الكربون مع أكسيد الحديد:

3CO + Fe ₂ O ₃ → 2Fe + 3CO ₂

نظرًا لارتفاع درجة حرارة التفاعل وانخفاض درجة الانصهار بسبب امتصاص الكربون ، يكون الحديد الناتج سائلًا. ومع ذلك ، فإنه لا يزال يحتوي على شوائب في شكل ثاني أكسيد السيليكون . بإضافة الجير (CaCO3 ₎ ، يتم فصل ثاني أكسيد السيليكون على شكل خبث. خطوة التفاعل الأولى تحول الجير إلى أول أكسيد الكالسيوم :

كربونات الكالسيوم ₃ → CaO + CO ₂

ثم يتفاعل أول أكسيد الكالسيوم مع ثاني أكسيد السيليكون:

CaO + SiO ₂ → CaSiO ₃

يستخدم الخبث الناتج في الهندسة المدنية ، سابقًا أيضًا كسماد.

صفات عنصر الحديد كمعدن

• الحديد النقي هو معدن فضي اللون ينقل الحرارة والكهرباء بشكل جيد.
• يعتبر الحديد شديد التفاعل بحيث لا يمكن تواجده بمفرده ، لذلك فهو يتواجد بشكل طبيعي في قشرة الأرض مثل خامات الحديد ، مثل الهيماتيت والمغنتيت والسيدريت.
• من الخصائص المميزة للحديد أنه مغناطيسي قوي . عند تعرضه لمجال مغناطيسي قوي ، يمكن مغنطة أي قطعة من الحديد.
• أكثر خصائص الحديد إزعاجًا هي ميلها إلى تكوين الصدأ.هو مركب بني متفتت ينتج عندما يتعرض الحديد للأكسجين.

• الصلب هو سبيكة من الحديد والعديد من المعادن الأخرى ، والتي تستخدم لتعزيز خصائص الحديد (القوة ، مقاومة التآكل ، تحمل الحرارة ، إلخ). يمكن أن يؤدي تغيير نوع وكمية العناصر المخلوطة بالحديد إلى إنتاج أنواع مختلفة من الفولاذ.

• يتآكل الحديد بسهولة ، لذا فإن المشغولات الحديدية من العصور القديمة نادرة جدًا مقارنة بالأشياء المصنوعة من الفضة أو الذهب . هذا يجعل من الصعب تتبع تاريخ الحديد من المعادن الأقل تفاعلًا.

• كثافته  7.874 جم / سم³ ،ونقطة انصهاره 2800 درجة فهرنهايت (1538 درجة مئوية)،ونقطة الغليان هي 5182 درجة فهرنهايت (2862 درجة مئوية).

• من أكثر الخصائص الميكانيكية المعروفة للحديد مستوى صلابته. فالحديد معدن ناعم ، ولكن مع مكونات أخرى ، يصبح قويًا جدًا ويمكن استخدامه في عدد كبير من التطبيقات وفي مجموعة متنوعة من القطاعات.
• هذا العنصر ميسور التكلفة أيضًا ، مما يجعله لا يقدر بثمن بالنسبة للعديد من الصناعات حول العالم.

نظائرالحديد

يحتوي الحديد على أربعة نظائر مستقرة تحدث بشكل طبيعي: Fe⁵⁴ ،  Fe⁵⁶ ، Fe⁵⁷ ، Fe ⁵⁸ .وهناك 24 نظيرًا مشعًا معروفًا ، وأكثرها ثباتًا ⁶⁰ Fe و ⁵⁵ Fe . يتم استخدامهم بشكل متزايد لتحديد مصدر الحديد الموجود في المواد الجيولوجية أو البيولوجية،أو لتوصيف التفاعلات الكيميائية،يعد التوقيع النظيري للحديد حساسًا بشكل خاص لتأثيرات الأكسدة والاختزال ، بما في ذلك بعض التفاعلات البيولوجية مثل تقليل الحديد المبطئ للبكتيريا (DIR).على الرغم من أن نظائر الحديد أقل تباينًا في الوفرة من نظائر الكربون أو الأكسجين المستقرة ، إلا أن نظائر الحديد تظهر اختلافات نظيرية كبيرة تعتمد على الكتلة في الطبيعة.

استعمالات الحديد

• من الناحية الفنية ، يعد الحديد مهمًا لإنتاج الفولاذ . الفولاذ عبارة عن سبائك تحتوي على معادن أخرى وغير معدنية (خاصة الكربون ) بالإضافة إلى الحديد.
• بنسبة 95 في المائة من الوزن ، يعد الحديد أكثر المعادن استخدامًا في العالم. ويرجع السبب في ذلك إلى توفره الواسع مما يجعله غير مكلف ، فضلاً عن قوة وصلابة السبائك الحديدية مما يجعله مفيدًا في العديد من المجالات.
• يستخدم الكثير من الحديد في صناعة السيارات والمباني والسفن الشاهقة ( الخرسانة المسلحة ).
• الحديد هو واحد من ثلاثة معادن مغناطيسية ( الكوبالت والنيكل هما الآخران ) وبالتالي يسمح باستخدام الكهرومغناطيسية على نطاق واسع المولدات والمحولات والمحركات الكهربائية .
• مسحوق الحديد النقي يستخدم فقط في الكيمياء.
• في الطب تستخدم المستحضرات المحتوية على الحديد كمضادات للورم .كما يستخدم في علاج فقر الدم الناجم عن نقص الحديد عن طريق اضافة عناصر من الحديد تمت معالجتها الى الأدوية.

الأهمية البيولوجية للحديد

الحديد عنصر أساسي لجميع الكائنات الحية تقريبًا. باعتبارها الذرة المركزية في الهيموجلوبين ، والميوغلوبين فهي مسؤولة عن نقل وتخزين الأكسجين في العديد من الحيوانات. يحتوي الجسم على حوالي 4 جرام من الحديد،لكنه غير قادر على تصنيع الحديد ولذلك يجب أن يستخلصه من النظام الغذائي ،مثل اللحوم الحمراء والأسماك والدواجن والمأكولات البحرية ،تحتوي البقوليات والخضراوات والحبوب الكاملة أيضًا على كميات مثيرة للاهتمام للحديد.على الرغم من أن الحديد عنصر نادر مهم للإنسان ، إلا أن الكثير من الحديد يمكن أن يكون سامًا في الجسم.حيص يتراكم الحديد في الكبد ، مما يؤدي إلى الإصابة بمرض تسمم الدم (ترسب أملاح الحديد) وتلف الأعضاء. لذلك ينصح باستخدام مكملات الحديد فقط في حالة نقص الحديد.