الحديد: خصائص العنصر واستخداماته

ما هو الحديد؟

--الحديد العنصر

الحديد (Fe) هو العنصر الأكثر شيوعًا وانتشارًا على الأرض، وهو أساس التقدم التكنولوجي البشري. الحديد هو عنصر انتقالي يوجد في الغالب على شكل معادن مثل الهيماتيت (Fe₂O₃) والمغنتيت (Fe₃O₄) في القشرة الأرضية. وبصرف النظر عن الاستخدام الصناعي، فإن الحديد ضروري للكائنات الحية لأنه يلعب دورًا أساسيًا في العمليات البيولوجية. ففي البشر، على سبيل المثال، يعد الحديد مكونًا أساسيًا في الهيموجلوبين، وهو بروتين خلايا الدم الحمراء المستخدم في نقل الأكسجين. إن الأهمية المزدوجة للحديد - البيولوجية والتقنية - هي أحد الأسباب التي تجعله من بين أثمن العناصر التي يعرفها الإنسان.

--المعادن والسبائك الحديدية

تُعد سبائك الحديد والمعادن أساس التصميم الصناعي والهندسي الحديث. فالحديد النقي قابل للسحب والليونة ولكن عند خلطه بعناصر أخرى يصبح أقوى وأكثر متانة ومقاومة للتآكل والتآكل. وهناك فئتان رئيسيتان هما الحديد الصلب والحديد الزهر، ولكل منهما خصائصه وتطبيقاته المميزة.

تاريخ الحديد

لطالما كان الحديد عنصرًا حيويًا على مدار حياة الإنسان. كان العصر الحديدي، الذي بدأ حوالي عام 1200 قبل الميلاد، فترة ثورة عندما انتقل الناس من البرونز إلى استخدام الأدوات والأسلحة المصنوعة من الحديد، مما أدى إلى تغيير الزراعة والحرب والبناء. وعلى مر القرون، أتاحت عمليات التكرير مثل الصهر والسبائك للناس تحكمًا أكبر في الحديد، مما أدى إلى مجموعة واسعة من المعادن والسبائك الحديدية المستخدمة اليوم.

خواص سبائك الحديد والفلزات

-الخصائص الكيميائية الوصف

من الناحية الكيميائية، الحديد تفاعلي للغاية، خاصة في حالة الأكسجين، مما يتسبب في تكوين أكاسيد الحديد، والمعروفة باسم الصدأ. ربما يكون الصدأ أحد أكبر المشاكل عند استخدام وحفظ المنتجات القائمة على الحديد. يحتوي الحديد عادةً على رقمي أكسدة مستقرين: +2 (حديدية) و+3 (حديدية). وتعتبر أرقام الأكسدة هذه حاسمة بالنسبة لمعظم التفاعلات الكيميائية، مثل عندما يتفاعل مع الأحماض.

على سبيل المثال، عندما تتم معالجة الحديد بحمض الهيدروكلوريك، يتفاعل لتكوين كلوريد الحديد وغاز الهيدروجين. وفي درجات الحرارة المرتفعة، يتفاعل الحديد مع الكربون لإنتاج الصلب، وهو أساس البناء والتصنيع الحديث. الحديد النقي أقل تفاعلية من سبائكه، لكن الظروف الجوية وإدخال عناصر الشوائب قد تؤثر بشكل كبير على سلوكه الكيميائي.

--جدول بيانات الخواص الفيزيائية

لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

صناعة الصلب والاستخدامات الشائعة الأخرى للحديد

تتمثل أهم الاستخدامات الصناعية للحديد في إنتاج الصلب، وهو المعدن الأكثر انتشاراً في كل مكان المستخدم في البناء والنقل والآلات. يجمع الفولاذ بين صلابة الحديد وقوته وقابليته للسحب ويمكن استخدامه في القطع الإنشائية مثل العوارض والقضبان والألواح. ويُعد الحديد الزهر أيضًا منتجًا رئيسيًا له قيمة كبيرة في التوصيل الحراري وقوة الضغط. ويستخدم الحديد الزهر في كتل المحركات والأنابيب وأواني الطهي والآلات الثقيلة.

كما أن الحديد مهم أيضًا من الناحية البيولوجية من الناحية الحيوية. فهو جزء أساسي من الهيموجلوبين والميوغلوبين العضلي وبروتينات الدم والعضلات المسؤولة عن توصيل الأكسجين. وبدون الحديد، يكون الإنسان والكائنات الحية الأخرى عرضة للإصابة بأمراض مثل فقر الدم الذي يعيق توصيل الأكسجين وإنتاج الطاقة.

طرق التحضير

يبدأ الإنتاج الصناعي للحديد عادةً بخام الحديد الذي يتم استخراجه وتنقيته عن طريق الصهر. ويتم صهره مع فحم الكوك (الكربون) والحجر الجيري في فرن الصهر. تعمل الحرارة العالية على فصل خام الحديد عن الشوائب، مما ينتج عنه حديد منصهر. ويمكن تنقيته أو دمجه لتشكيل الصلب أو مركبات الحديد الأخرى.

وقد أصبحت طرق الاختزال المباشر شائعة بشكل متزايد في السنوات الأخيرة كبدائل أكثر صداقة للبيئة. وتستخدم طرق الاختزال المباشر الهيدروجين أو عوامل الاختزال الأخرى لتقليل الخام من أجل استخلاص الحديد، مع انبعاثات كربونية أقل من الصهر.

الأسئلة المتداولة

ما هو الاستخدام الصناعي الأساسي للحديد؟

إن إنتاج الصلب هو وجهة معظم الحديد، الذي يُقدّر لقوته ومرونته وموثوقيته في تطبيقات البناء والنقل والتصنيع.

كيف يختلف الحديد الزهر عن الصلب؟

يحتوي الحديد الزهر على كمية أكبر من الكربون، مما يجعله هشًا ولكنه مثالي للاستخدام الموجه للضغط والاحتفاظ بالحرارة. أما الفولاذ فهو أقوى وأكثر متانة، ويمكن استخدامه في المزيد من الاستخدامات في التطبيقات الإنشائية والميكانيكية.

ما هي المشاكل البيئية المتعلقة بإنتاج الحديد؟

ينتج عن الصهر القديم انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والتخلص من النفايات. تقلل الطرق الجديدة، مثل الاختزال المباشر بالهيدروجين، من الآثار البيئية.

كيف يعمل الحديد في جسم الإنسان؟

الحديد ضروري لإنتاج الهيموجلوبين الذي يحمل الأكسجين داخل خلايا الدم الحمراء. تناول الحديد بمستويات صحية ضروري للحفاظ على صحة الدم والوقاية من فقر الدم.