ماهو زواقات الحديد
الحديد عنصر كيميائي فلزي، وهو احد اقدم المعادن اكتشافا. رمزه Fe (من اللاتينيه :ferrum) وعدده الذري 26. يقع بالمجموعه الثامنه والدوره الرابعه من الجدول الدوري.
هو ضروري لحياه الانسان والحيوان كونه يدخل في تركيب خضاب الدم، وكذلك لحياه النباتات كونه احد العناصر الضروريه لتكوين الكلوروفيل[1]، ويدخل في كل شيء تقريبا.
هو رابع العناصر تواجدا في القشره الارضيه ، غالبا ما يتواجد في الطبيعه في صوره اكاسيد. في هيئته العنصريه هو فلز قابل للطرق والسحب. ويعتبر الحديد وسبائكه اكثر المواد المعدنيه استخداما على الاطلاق. كما يعتبر الحديد اكثر العناصر الكيميائيه استقرارا على الاطلاق بسبب توازن القوه الكهرومغناطيسيه والقوه النوويه القويه داخل نواه الذره ، فالعناصر الاخف وزنا يمكنها من خلال الاندماج النووي – والعناصر الاثقل وزنا من خلال الانشطار النووي – ان يصبحوا اقرب في صفاتهم للحديد. تحتوي النيازك الساقطه على الارض على كميات من الحديد قد تصل الى 90% من كتله النيازك.
الحديد في الاصل فضي اللون، الا انه يتاكسد في الهواء. ويعد الحديد اقوى الفلزات على الاطلاق واكثرها اهميه للاغراض الهندسيه شرط حمايته من الصدا (اي التفاعل مع الاكسجين). وهناك عده طرق لحمايه الحديد من الصدا وابسطها على الاطلاق منع تماس الاكسجين او الرطوبه عن الحديد وذلك بتغليف الحديد بماده عازله مثل استخدام الاصباغ او عوازل PVC مثلا. ومن افضل الطرق المستخدمه لحمايته هي استخدام نظام الحمايه الكاثوديه لحمايه الحديد من الصدا والتاكل.
الحديد في حالته النقيه اكثر ليونه من الالومنيوم، وتزداد صلادته باضافه بعض العناصر السبائكيه كالكربون بنسب معينه ، فيتكون سبيكه الصلب، وهي اقوى الف مره من الحديد النقي. يتراوح تكافؤ الحديد بين (2-) و(6+)، الا انه في اشهر حالاته يكون تكافؤه (2+) او (3+).
محتويات [اخف]
1 تاريخ
1.1 العصر الحديدي
1.2 اول انتاج من الفولاذ
1.3 ميلاد صناعه الفولاذ الحديثه
1.4 نمو صناعه الفولاذ
1.5 التطورات الحديثه في صناعه الفولاذ
2 معادن الحديد
3 كيفيه تكونه
4 الانتاج الصناعي
5 خصائص الحديد
5.1 الخواص الميكانيكيه
5.2 التاصل في الحديد
5.3 نظائر الحديد
6 مركبات الحديد
6.1 اكاسيده وكبريتيداته
6.2 هاليداته
6.3 سيانيداته
7 الحديد عبر التاريخ
8 الحديد في القران
9 الحديد في الاحياء
9.1 القبط والتخزين
9.2 تاثيرات الحديد البيولوجيه
9.2.1 مصادر الحديد
10 الحديد في الطبيعه
11 انتاج الحديد
11.1 طريقه الفرن اللافح
11.2 انتاج الحديد بالاختزال المباشر
11.3 طرق اخرى
12 المعالجات الحراريه للمنتجات الحديديه
13 منتجات الحديد الرئيسيه
14 استخدامات مركبات الحديد
15 الاعباء البيئيه لصناعه الحديد
16 الحد من التلوث
17 انظر ايضا
18 مصادر
19 هوامش ومراجع
تاريخ[عدل]
العصر الحديدي[عدل]
حصل انسان ما قبل التاريخ على الحديد من النيازك، ومن ثم استخدمه في صناعه العدد والاسلحه ومكونات اخرى. وكلمه حديد تعني في العديد من اللغات القديمه فلز من السماء. ولقد استخدم حديد النيازك في فترات قديمه جدا يعتقد انها تصل الى اربعه الاف عام قبل الميلاد. ولكن لا توجد اي ادله مؤكده تبين بدايه استخدام الحديد المستخلص بالصهر والاختزال من الخامات الارضيه ، او تشير الى المكان الذي بدا استخلاص الحديد فيه لاول مره .
ويعتقد ان الحيثيين هم اول من عرف الحديد بكميات ضخمه . وقد عاشوا فيما يعرف الان باسم تركيا. وفي عام 1400 ق.م. اكتشف الحيثيون كيفيه تصنيع الحديد واساليب تصليد العدد والاسلحه الحديديه . وحول هذه الفتره نفسها تقريبا طور سكان كل من الصين والهند طرقا واساليب لاستخلاص الحديد. وعندما وصل العالم الى القرن العاشر قبل الميلاد كانت معظم الحضارات القديمه حينذاك قد توصلت الى تقنيات تصنيع الحديد، وهكذا بدا العصر الحديدي.
اتسمت افران استخلاص الحديد الاوليه بالضحاله وعدم العمق. وكانت مجمراتها تشبه الطبق، وكان يسخن خام الحديد مع الفحم النباتي في مجمره الفرن. وبعد مرور عده ساعات على بدء التسخين يفقد خام الحديد اكسجينه الى الكربون الساخن المحيط به، ويتحول الخام الى فلز الحديد في صوره لامعه . ولم يكن يستخدم فلز الحديد الناتج مباشره ، ولكن يعاد تسخينه مرارا وفي كل مره يطرق للتخلص من بقيه الشوائب القصيفه الصلده وعل الاخص الكربون الذي يجعل الحديد هشا. وتمكن صناع الحديد نحو عام 1200م من اعاده تسخين وتشكيل وتبريد الحديد المستخلص لانتاج وتصنيع الحديد المطاوع. وقد كانت خواص الحديد المطاوع الناتج تشبه الى حد بعيد خواص الفولاذ الكربوني المنتج في العصور الحديثه حيث يحتوي على كميه قليله من الكربون.
وسرعان ما تعلم صناع الحديد ان نفث الهواء خلال قصبات او ودنات الى الفرن، ترفع الى حد كبير درجه الحراره ، وكان لذلك الاكتشاف اثره الكبير في تحسين نوعيه الحديد المنتج. وفيما بعد استخدم صناع الحديد اداه او جهازا اطلق عليه الكير يقوم بدفع الهواء خلال القصبات الى الفرن. وتمكن صناع الحديد نحو عام 700م في منطقه قطالونيا وهي تقع الان في شمال شرقي اسبانيا من التوصل الى افضل صوره لمجمره فرن استخلاص الحديد. وعرف ذلك الفرن عندئذ باسم كوركتلان، وكان الهواء يضغط عند قاعده الفرن ويدفع الى الداخل باستخدام الطاقه المائيه . وبلغت طاقه انتاج كوركتلان حوالي 160 كجم من الحديد المليف كل خمس ساعات. وهذا الانتاج اكبر بكثير من انتاج الافران السابقه .
حضر يعقوب بن اسحاق الكندي (ت 260ه، 873م) انواعا من الحديد الفولاذ باسلوب المزج والصهر، فقد مزج كميه من الحديد المطاوع، وكان يسمى الزماهن، وكميه اخرى من الحديد الصلب (الشبرقان) وصهرهما معا ثم سخنهما الى درجه حراره معلومه بحيث نتج عن ذلك حديد يحتوي على نسبه من الكربون تتراوح بين 0,5 و 1,5%. وعندما تحدث ابن سينا (ت 428ه، 1037م) عن النيازك قسمها الى نوعين حجري، وحديدي وهو نفس التقسيم المتبع في الوقت الراهن.
اما في اوروبا لم تتطور طرق واساليب تشكيل الحديد المنصهر في صوره منتجات استهلاكيه مناسبه بصوره مرضيه حتى حلول عام 1500م. وفي بدايه القرن الثامن عشر الميلادي بدا صناع الحديد البريطانيون في استخدام الكوك بدلا من الفحم النباتي في الافران العاليه نظرا لنقص الاخشاب، وهي المصدر الاساسي للفحم النباتي.
يعد ابراهام داربي اول من تمكن من تكويك الفحم الحجري وانتاج الكوك، ومن ثم استخدم الكوك في انتاج الحديد عام 1709م في بلده كولبروكديل في مقاطعه شروبشاير في انجلترا. وفي اواخر القرن الثامن عشر تمكن كل من ابن ابراهام داربي وحفيده من تحسين اسلوب التكويك الذي بداه رب الاسره . وقد ادت اعمال هذه العائله الى قيام الثوره الصناعيه التي بدات في بريطانيا بانتاج الحديد الزهر ومن ثم استخدامه في المباني والالات. وقد نقل المهاجرون الاوروبيون هذه الصناعات ونشروها بعد ذلك في ارجاء العالم.
اول انتاج من الفولاذ[عدل]
انتجت اول كميه من الفولاذ في العصر الحديدي، ولو ان الكميه المنتجه كانت صغيره . وعلى سبيل المثال فقد صنع مواطنو منطقه هيا التي تقع في شرق السودان الفولاذ في افران اسطوانيه خاصه . كما صنعت في الهند نحو عام 300 قبل الميلاد كتل ضخمه من الحديد الاسفنجي التي اعيد تشكيلها ثم تسخينها لانتاج مايسمى بفولاذ ووتز. ومع بدايه القرن الخامس الميلادي تمكن الصينيون ايضا من انتاج الفولاذ.
وفي العصور الوسطى انتج الاوروبيون كميات صغيره من الفولاذ، لكن الكميات كانت شحيحه بدرجه كبيره اضافه الى ارتفاع التكلفه . وفي عام 1740م تمكن صانع ساعات بريطاني يدعى بنجامين هنتسمان من اختراع اسلوب البوتقه لصناعه الفولاذ، وهي تشبه الى حد بعيد الاسلوب الذي كان متبعا في انتاج فولاذ ووتز. وقام هونتسمان باعاده صهر وتنقيه قضبان من الحديد المطاوع عاليه النوعيه في بواتق (مراجل صهر). وكانت طريقه هنتسمان لانتاج الفولاذ بطيئه ، وتتطلب قدرا كبيرا من العمل الشاق، اضافه الى ان اضخم البواتق لا يمكنها انتاج اكثر من 45 كجم من الفولاذ في المره الواحده .
ميلاد صناعه الفولاذ الحديثه [عدل]
لم تطبق اولى الطرق الحديثه لانتاج الفولاذ بكميات كبيره وبتكلفه مقبوله الا في منتصف القرن التاسع عشر. وعرفت هذه الطريقه باسم طريقه بسمر ، وذلك على اسم مخترعها ومطورها هنري بسمر، وهو صانع فولاذ بريطاني. ولقد تمكن صانع حديد امريكي اسمه وليم كلي، في الفتره نفسها تقريبا، من تطوير اسلوب مماثل لاسلوب بسمر في انتاج الفولاذ دون علم بنتائج ابحاث بسمر. وعلى الرغم من نجاح كل من بسمر وكيلي في انتاج الفولاذ، الا ان جهودهما لم يكن ليكللها النجاح دون الاستفاده من اختراع روبرت موشيه الذي توصل اليه في عام 1857م. وموشيه عالم فلزات بريطاني، وجد ان اضافه سبيكه الحديد الكربون المنجنيز المعروفه باسم تماسيح الحديد المنجنيزي، اثناء عمليه تنقيه الحديد تساعد على ازاله الاكسجين وضبط نسبه الكربون في الفولاذ المنتج.
قامت طريقه بسمر لتصنيع الفولاذ على صب حديد التمساح المنصهر الناتج من الفرن العالي في وعاء كمثري الشكل يعرف باسم المحول، ثم حقن الهواء في الحديد المنصهر من خلال قصبات مثبته في قاع المحول. وبمجرد تلامس الهواء المدفوع في المحول مع الحديد المنصهر، فان اكسجين الهواء يتفاعل بسرعه مع شوائب الحديد. وتؤدي تفاعلات الاكسجين مع الشوائب، بالاضافه الى مفعول تماسيح الحديد المنجنيزي الى تحويل حديد التمساح الى فولاذ.
وقد سجلت براءه اختراع تصنيع الفولاذ باسلوب «بسمر» باسم مخترعها في بريطانيا عام 1860م. وفي عام 1870م بدا انتاج الفولاذ فعليا بهذه الطريقه في جميع انحاء اوروبا والولايات المتحده الامريكيه .
ظهرت طريقه فرن المجمره المكشوفه لانتاج وتصنيع الفولاذ بعد انتشار طريقه بسمر مباشره . ففي عام 1856م تمكن اثنان من العلماء، المانيا المولد ولكنهما نشا وعاشا في بريطانيا، هما الاخوان وليم وفريدريك سيمنز، من اختراع فرن اعاده توليد الغاز. ويستخدم هذا الفرن المخلفات الغازيه لتسخين كل من الوقود والهواء قبل دخولهما الى الفرن. وفي عام 1864م تمكن اخوان فرنسيان هما بيير واميل مارتن، من تصنيع وانتاج الفولاذ في فرن بناه مهندسو شركه سيمنز، ولهذا يطلق على اسلوب انتاج الفولاذ بهذه الكيفيه طريقه سيمنز مارتن لتصنيع الفولاذ، وهي الطريقه التي عرفت بعد ذلك باسم فرن المجمره المكشوفه . وقد تميزت طريقه المجمره المكشوفه لانتاج الفولاذ عن طريقه بسمر لانتاج الفولاذ، بعدد من السمات اهمها امكانيه استخدامها لانتاج الفولاذ من الخرده ، بالاضافه الى امكانيه التحكم بدرجه كبيره في التركيب الكيميائي للفولاذ الناتج. ونتيجه لمميزات طريقه فرن المجمره المكشوفه لانتاج الفولاذ، فقد بدا عدد وحدات محولات بسمر في التناقص منذ عام 1910م واصبحت محدوده العدد، وان ظلت الوحدات التي انشئت قديما في الانتاج حتى الستينيات من القرن العشرين.
وفي عام 1878م اثبت وليم سيمنز امكانيه انتاج الفولاذ في فرن القوس الكهربائي. ونظرا لان كميه الكهرباء المتوفره في ذلك الوقت كانت محدوده كما انها كانت باهظه التكلفه ، فلم يستخدم هذا الاسلوب لتصنيع الفولاذ بكميات تجاريه في ذلك الوقت. وفي عام 1899م انشا بول هيرولت في فرنسا اول وحده لانتاج الفولاذ فعليا بصوره تجاريه من افران القوس الكهربائي.
نمو صناعه الفولاذ[عدل]
بعد ظهور طريقتي بسمر وفرن المجمره المكشوفه لتصنيع وانتاج الفولاذ، توسعت صناعه الفولاذ ونمت بسرعه كبيره . ولان بريطانيا كانت تمتلك ترسبات غنيه من خام الحديد، فقد كانت اكبر دول العالم في صناعه الحديد والفولاذ، في منتصف القرن التاسع عشر، كما انها كانت اكثر دول العالم في التقدم التقني في هذا المجال.
ومع بدايه الثمانينيات من القرن التاسع عشر وحتى الان، بدات بعض الدول الاخرى في الظهور في مجال بناء صناعه الفولاذ، حيث اكتشف الجيولوجيون في منتصف القرن التاسع عشر الميلادي ترسبات غنيه من خامات الحديد في منطقه البحيرات العظمى في الولايات المتحده الامريكيه . وادى ذلك الاكتشاف الى تطور ضخم في صناعه الفولاذ في الولايات المتحده . وقد انشا اندرو كارنيجي في عام 1873م اول مصنع ضخم لانتاج الفولاذ في الولايات المتحده الامريكيه ، كما بدات كل من فرنسا والمانيا وروسيا وبعض الدول الاوروبيه الاخرى في بناء مصانع كبيره لانتاج الفولاذ. وبحلول بدايات القرن العشرين كانت كل من الولايات المتحده الامريكيه والمانيا تتصدران دول العالم المنتجه للفولاذ، وكان انتاج كل دوله منهما اكثر من انتاج بريطانيا.
وبحلول عام 1901م ظهرت دول اخرى منتجه للفولاذ في كل من اسيا والامريكتين كما بدات استراليا عام 1915م في انتاج الفولاذ.
استخدم معظم الفولاذ المنتج في نهايه القرن التاسع عشر في صناعه قضبان السكك الحديديه . وفي بدايه القرن العشرين زاد انتاج الفولاذ كثيرا لمقابله الزياده في الطلب عليه ونجاحه في صناعه السيارات التي نمت بسرعه كبيره بالاضافه الى حاجه الكثير من المنتجات الاخرى الى الفولاذ. وصاحب زياده انتاج الفولاذ تطوير طرق حديثه لانتاجه روعي فيها زياده الانتاجيه . كما شمل التطور ايضا التوصل الى طرق جديده لعمليات الدلفنه وتشكيل الفولاذ اضافه الى استنباط العديد من سبائك الفولاذ الجديده ذات الخواص المتفوقه .
واثناء الحرب العالميه الثانيه (1939-1945م)، دمرت معظم مصانع الفولاذ في العالم فيما عدا مصانع الولايات المتحده الامريكيه . ونتيجه لذلك احتكرت شركات الفولاذ الامريكيه انتاج الفولاذ واسواقه في العالم كله لفتره بعد انتهاء الحرب العالميه الثانيه . وعلى الرغم من ذلك فقد اعادت اليابان وايضا الكثير من الدول الاوروبيه بناء مصانعها لانتاج الفولاذ في الخمسينيات من القرن العشرين. وتميزت وحدات الفولاذ حديثه الانشاء باستخدام احدث التقنيات لانتاج الفولاذ بما فيها اسلوب الاكسجين القاعدي واستخدام طريقه صبات الجديله . ونتيجه تحديث مصانع الفولاذ التي انشئت حديثا تفوقت المصانع اليابانيه ومصانع دول وسط اوروبا في نوعيه وكميه الانتاج على مصانع الفولاذ في الولايات المتحده الامريكيه وبريطانيا اللتين استمرتا في استخدام الاساليب القديمه والمعدات متدنيه الكفاءه .
وتقلصت صناعه الفولاذ في بريطانيا بصوره كبيره على الرغم من انها كانت الدوله المطوره لاساليب انتاج الفولاذ والمصنعه له بكميات كبيره قبل اي دوله اخرى في العالم. وتتحكم الحكومه البريطانيه في هيئه الفولاذ البريطانيه ، والاخيره هي المالك الاساسي لصناعه الفولاذ في بريطانيا. وقد اغلقت الهيئه في بدايه الثمانينيات من القرن العشرين عددا كبيرا من المصانع الضخمه لانتاج الفولاذ. وفي الفتره نفسها تقريبا، فقدت بريطانيا ايضا افضل ترسبات خامات الحديد بعد استنزافها. وعلى الرغم من المصاعب التي تواجه صناعه الفولاذ في بريطانيا، الا ان هيئه الفولاذ البريطانيه بدات في فتره الثمانينيات من القرن العشرين تحديث اساليب واستخدام افضل التقنيات لانتاج الفولاذ تمهيدا لنقل ملكيه صناعه الفولاذ الى القطاع الخاص تحت اسم الفولاذ البريطاني. وعلى الرغم من كل هذه المصاعب الا ان الفولاذ لا يزال يؤدي دورا بالغ الاهميه ويمثل جزءا مهما من حجم التجاره البريطانيه .
التطورات الحديثه في صناعه الفولاذ[عدل]
انخفض معدل انتاج الفولاذ في الدول المتقدمه بشده في السبعينيات من القرن العشرين نتيجه الكساد الاقتصادي العالمي في هذه الفتره . ورغم المصاعب التي واجهت انتاج الفولاذ في الدول المتقدمه ، الا ان الانتاج العالمي من الفولاذ استمر في الزياده ، ويرجع ذلك اساسا الى توسع الدول الناميه في اقامه مصانع الفولاذ والتوسع في انتاجه في كل من امريكا الجنوبيه واسيا.
وقبل منتصف الخمسينيات من القرن العشرين، كانت جميع الدول الناميه في العالم تستورد جميع حاجاتها من الفولاذ من الولايات المتحده الامريكيه ومن بعض الدول الصناعيه الكبرى الاخرى. ولكن مع بدايه خمسينيات القرن العشرين انشات كثير من الدول الناميه مصانعها الخاصه لانتاج ما تحتاجه من الفولاذ. ولقد اثر نمو صناعه الفولاذ بلا شك، على الدول الناميه تاثيرا كبيرا، وبخاصه الدول التي تمتلك احتياطيا كبيرا من الغاز الطبيعي وخامات الحديد، ومن امثله ذلك المكسيك وفنزويلا ومصر. فقد اقامت الدول التي تمتلك احتياطيا كبيرا من الغاز الطبيعي وخامات الحديد الغنيه مصانع لانتاج الحديد بطرق الاختزال المباشر، ومن ثم انتجت الفولاذ من ذلك الحديد باستخدام افران القوس الكهربائي. وحتى الدول الفقيره التي لاتمتلك خامات حديد، ساهمت حكوماتها في انشاء مصانع حديثه لانتاج الفولاذ.
وتميزت مصانع الفولاذ التي انشئت في الثمانينيات من القرن العشرين بالاليه التامه كما انها مجهزه بمعدات ذات انتاجيه عاليه تتحكم في تشغيلها مختلف انواع الحواسيب الاليه . وقد جاء تطوير المعدات الحديثه المتقدمه المستخدمه في مصانع الفولاذ نتيجه للتزاوج بين كفاءه علماء الفلزات والمهندسين والمتخصصين في الاجهزه ، ومبرمجي الحاسوب. كما عمل الباحثون في صناعه الفولاذ على تطوير طرق جديده واستنباط اساليب حديثه لتحويل الفحم الحجري الى كوك. ويامل الباحثون ايضا ان تثمر جهودهم للتوصل الى اساليب جديده للاختزال المباشر وتطوير طرق تؤدي الى استخدام الفحم الحجري في انتاج غاز الاختزال حتى يصبح الفحم بديلا عن الغاز الطبيعي. وبالاضافه الى هذه الجهود ما زال العلماء والمهندسون مستمرين في جهودهم وابحاثهم لتطوير طرق افضل لصناعه الفولاذ واستنباط سبائك جديده من الفولاذ.
معادن الحديد[عدل]
مغنتيت او مگنتيت Magnetite هو معدن حديدي المغناطيسيه وصيغته الكيميائيه Fe3O4, وهو احد اكسيدات حديد متعدده وعضو في مجموعه spinel group. اسم ايوپاك له هو iron(II,III) oxide والاسم الكيميائي الشائع له هو اكسيد الحديدوز-حديديك. صيغه المگنتيت يمكن ايضا كتابتها كالتالي FeO·Fe2O3, وهي جزء wüstite (FeO) والجزء الاخر هماتيت (Fe2O3). وهذا يشير الى المراحل المختلفه من اكسده الحديد في نفس البنيه , ولا يعني انه محلول صلب.
المگنتيت (Fe2O4)هو احد الخامات التي يستخلص منهاالحديد. ويستخدم في صناعه المغنطيسات الدائمه وهناك خامات اخرى يستخلص منها الحديد مثل الهيماتيت والسيدرايت
الهماتيت معدن لونه اسود الى صلبي (فضي-رمادي)، بني الى بني محمر، او احمر. ويستخرج بصفته الخام الرئيسي للحديد. اصنافه تتضمن خام الكليه , مارتيت (pseudomorphs اخذوا اسمهم من المگنتيت), زهره الحديد و specularite (specular hematite). وبينما تختلف صيغ الهماتيت, الا انهم جميعا يشتركون في ان لديهم تعريق صدا-احمر. والهماتيت اشد صلاده من الحديد النقي, الا انه اشد انقصافا.
وقد عثر على رواسب هائله من الهماتيت في banded iron formations. الهماتيت الرمادي عاده ما يوجد في الاماكن التي بها مياه ساكنه او ينابيع مياه دافئه معدنيه , كما هو الحال في يلوستون. ويمكن للمعدن ان يترسب خارج الماء ويتجمع في طبقات في قاع بحيره , نبع, او اي مياه ساكنه اخرى. ويمكن للهماتيت ان يتواجد ايضا بدون الماء, الا انه في تلك الحاله عاده ما يكون نتيجه نشاط بركاني.
كيفيه تكونه[عدل]
يتكون الحديد في داخل النجوم العملاقه عند نهايه دوره حياتها، في عمليه تسمى بعمليه احتراق السيليكون. تبدا العمليه عندما تندمج نواه ذره كالسيوم مستقره مع نواه ذره هليوم، لتتكون ذره تيتانيوم غير مستقره . وقبل ان تتحلل ذره التيتانيوم الغير مستقره ، تندمج مع ذره هليوم اخرى، لتتكون ذره كروم غير مستقره . ثم قبل ان تتحلل ذره الكروم الغير مستقره ، تتحد مع ذره هليوم اخرى، لتكوين ذره حديد غير مستقره . وقبل ان تتحلل ذره الحديد الغير مستقره ، تتحد مع ذره هليوم اخرى، لتكوين ذره نيكل غير مستقره .
تتحلل ذره النيكل الغير مستقره الى ذره كوبالت غير مستقره ، والتي تتحلل اخيرا الى ذره حديد مستقره 56Fe. وعندئذ لا تندمج ذرات الحديد المستقره مع اي عنصر اخر، فتشكل بذلك قلب النجم، ويبدا النجم عندئذ بالتجمد ويتجه للاستقرار.
الانتاج الصناعي[عدل]
سبائك حديديه :
السبائك الحديديه ）Ferrous Alloys（ هي عائله السبائك التي تعتمد علي عنصر الحديد كالمكون الرئيسي لها او العنصر الغالب فيها، وتضم هذه العائله عدد كبير من السبائك ،وتنقسم الي مجموعتين رئيسيتين وهما سبائك الصلب (Steels) وسبائك الحديد الزهر (Cast Iron).
سبائك الصلب:
مقدمه الصلب Steel هو سبيكه تصنع اساسا من الحديد بمحتوى كربون يتراوح بين 0.2 و 2.04% بالوزن (ك:1000–10,8.67حد), حسب الدرجه . والكربون هو اكثر العناصر السبائكيه فاعليه من حيث التكلفه في سبائك الحديد, الا انه تستعمل العديد من العناصر السابكه الاخرى مثل المنگنيز، الكروم، الڤناديوم، والتنگستن.[1] ويعمل الكربون والعناصر الاخرى كعوامل تصليد (تقسيه ), لمنع الانخلاعات في العقد البلوري لذرات الحديد من الانزلاق امام بعضهم البعض. ويتحكم مقدار العناصر السابكه وشكل وجودهم في الصلب (solute elements, precipitated phase) في صفات مثل الصلاده , والمطيليه ومقاومه الشد للصلب الناتج. فالصلب ذو المحتوى المرتفع من الكربون يمكن ان يصنع ليكون اكثر صلاده واقوى من الحديد، الا انه اكثر قصافه .
قابليه الذوبان العظمى للكربون في الحديد (في منطقه الاوستنتيت) هي 2.14% بالوزن, تحدث عند درجه حراره 1149 °م; التركزات الاعلى من الكربون او درجات الحراره الاقل ستنتج سمنتيت.
السبائك ذات محتوى الكربون الاعلى من ذلك تعرف باسم حديد زهر بسبب درجه انصهارهم الاقل وقابليتهم للصب.[1] ويجب ايضا تمييز الصلب عن الحديد المطاوع المحتوي فقط على كميه ضئيله جدا من العناصر الاخرى, الا انه يحتوي على 1–3% بالوزن من خبث في صيغه حبيبات مستطاله في اتجاه واحد, مما يعطي الحديد «grain» مميزه . فهو اكثر مقاومه للصدا من الصلب ويمكن لحمه بسهوله .
ومن الشائع اليوم الحديث عن ‘صناعه الحديد والصلب’ كما لو كانت شيئا واحدا, ولكنهما تاريخيا كانا منتجين منفصلين.
بالرغم من ان الصلب كان ينتج بالعديد من الطرق غير الفعاله قبل عصر النهضه بوقت طويل, فان استعماله اصبح اكثر شيوعا بعد تطوير طرق اكثر فاعليه لانتاجه في القرن السابع عشر. وباختراع عمليه بسمر في منتصف القرن التاسع عشر, اصبح الصلب سلعه تنتج بكميات كبيره بتكلفه ارخص نسبيا. التحسينات اللاحقه على العمليه , مثل basic oxygen steelmaking, خفضت تكلفه الانتاج بدرجه اكبر بينما رفعت من جوده المعدن.
واليوم, الصلي هو احد اكثر المواد شيوعا في العالم وهو مكون رئيسي في المباني والمعدات والسيارات, والاجهزه المنزليه الرئيسيه . الصلب المعاصر يتم تمييزه عموما حسب درجات الصلب المتعدده التي توصفها هيئات التوصيف القياسى.
– تصنيف سبائك الصلب (يسمى ايضا الفولاذ) :
يسمى الصلب ايضا الفولاذ ويفهم من بعض الكتابات العربيه ان الفولاذ هو لفظ يطلق على الاصلاب السبائكيه خلافا وتمييزا لها عن الاصلاب الكربونيه العاديه .
تعتبر سبائك الصلب (الاصلاب) اكثر المواد الفلزيه انتشارا واستخداما نظرا لرخص تكلفه انتاجها بالاضافه الى امكانيه انتاجها طبقا لمواصفات مختلفه وكذلك القدره الكبيره علي التحكم في تركيباتها الكيميائيه .
وتنقسم الاصلاب عامه الى عده فئات تتباين في خو اصها الميكانيكيه والوظيفيه وقابليتها للتصنيع واللحام والمعالجه الحراريه ومقاومتها للتاكل تباينا كبيرا ملبيه لطيف واسع من المتطلبات والاستخدامات التي لا تتوافر لغيرها من المواد الهندسيه .
– اصلاب كربونيه (Carbon Steels)
– اصلاب سبائكيه (Alloy Steels)
– اصلاب منخفضه السبائكيه عاليه المقاومه (High-Strength Low-Alloy Steels)
– اصلاب العدد (Tool Steels)
– اصلاب تقسى بتعتيق المرتنزيت (Maraging Steels)
– اصلاب المنجنيز الاوستنيتيه (Austenitic Manganese Steels)
– اصلاب مقاومه للصدا (Stainless Steels)
حديد زهر :
الحديد الزهر يسمى ايضا حديد السبك او حديد الصب (Cast Iron)، ويعرف بحسب مجمع اللغه العربيه بالقاهره كما يلى:
– الحديد الناتج من صهر الخام في الافران العاليه وهو حديد غير نقي سهل الكسر ولا يقبل التشكيل، يبدا في الانصهار عند 1270 درجه مئويه .
– اشابه من الحديد معده للصب، تشتمل على بعض العناصر الاخرى.
– الحديد الناتج من الافران العاليه وتبلغ كثافته 7.86 جم/سم3، ودرجه انصهاره ما بين 1275 الى 1505م، وهو سهل الكسر ولا يقبل التشكيل.
– حديد يحتوي على نسبه كربون تفوق حد ذوبانه في طور الاوستنيت عند درجه حراره اليوتكتي فينفصل الكربون في صوره قشور او شبه كريات (حديد زهر رمادي) او قد يكون سمنتيتا (حديد زهر ابيض).
– نوع من الحديد غير النقى ينتج بصهر حديد الزهر مع الجير ثم صبه في قوالب، وهو قصيف ولكنه يتميز بصلادته.
خصائص الحديد[عدل]
الخواص الميكانيكيه [عدل]
تفيم الخواص الميكانيكيه للحديد وسبائكه باستخدام مجموعه متنوعه من الاختبارات، مثل اختبار برينل واختبار روكويل وكلاهما لقياس صلاده الحديد، واختبار قوه الشد وغيرها؛ نتائج هذه الاختبارات على الحديد دقيقه للغايه ، بما يسمح باستخدام الحديد لمعايره او الربط بين نتائج الاختبارات المختلفه .[2][3] تعتمد نتائج تلك الاختبارات على درجه نقاء الحديد: فبللورات الحديد في صورته النقيه اكثر ليونه من الالمونيوم، ومع اضافه بعض اجزاء من المليون من وزن سبيكه الحديد من عنصر الكربون، فانها تضاعف من قوه الحديد.[4] تزداد صلاده الحديد بسرعه بزياده محتوى الكربون في سبيكه الحديد حتى تصل نسبته الى 0.2 ٪ من وزن السبيكه ، وبعد ذلك يتزايد بمعدلات اقل ويصل الى الذروه عندما يصل محتوى الكربون الى 0.6 ٪ تقريبا من وزن السبيكه .[5] الحديد النقي المنتج صناعيا (حوالي 99.99 ٪) لديه صلاده تقدر ب 20-30 HB.[6]
التاصل في الحديد[عدل]
Crystal Clear app kdict.png مقاله مفصله : التاصل في الحديد
يمثل الحديد افضل مثال لظاهره التاصل في المعادن، فالحديد يتواجد في ثلاثه اطوار تاصليه وهي (α-Fe، γ-Fe، δ-Fe). يعد فهم ظاهره التاصل في الحديد هو المفتاح لانتاج سبائك صلب ذات خصائص محدده للاغراض المختلفه .
اولها تكونا عندما يتجمد الحديد من حالته السائله عند 1538 درجه مئويه هو (δ-Fe)، يعد الفيريت (α-Fe) هو الطور الاكثر استقرارا للحديد في درجات الحراره العاديه .[7] اما 912 درجه مئويه وحتى 1400 درجه مئويه ، يتحول الحديد تدريجيا من طور الفيريت الى طور الاوستنيت (γ-Fe)، ويستخدم هذا الطور من الحديد في انتاج الصلب الذي لا يصدا، والذي يستخدم في صناعه ادوات المائده والمستشفيات ومعدات الصناعات الغذائيه .[8]
نظائر الحديد[عدل]
Crystal Clear app kdict.png مقاله مفصله : نظائر الحديد
يوجد الحديد في الطبيعه في هيئه اربعه نظائر مستقره ، تكون موزعه كالاتي 5.845% 54Fe و 91.754% 56Fe و 2.119% 57Fe و 0.282% 58Fe. من المتوقع ان يخضع النظير 54Fe لعمليه تحلل بيتا المزدوج، لكن هذه العمليه لم تلاحظ بالتجربه بالنسبه لهذه الجسيمات. وحده النظير 57Fe من بين النظائر المستقره للحديد لديه لف مغزلي ومقداره (−1/2).
يعد نظير الحديد 56Fe اكثر نظائر الحديد وفره واكثرها ثباتا. من غير الممكن اجراء عمليه انشطار او اندماج نووي لهذا النظير مع حدوث اصدار للطاقه . يتشكل هذا النظير من نظير النيكل 56Ni الذي يتشكل من نوى اخف من خلال عمليه الفا داخل المستعرات العظمى (اقرا عمليه احتراق السيليكون). يشكل النظير 56 للنيكل نهايه سلسله تفاعل الاندماج النووي داخل النجوم العملاقه ، لان اضافه جسيم الفا اخر سيشكل الزنك-60، والذي يتطلب تشكيله طاقه عاليه جدا، لذلك فان النيكل-56، والذي عمر النصف له 6 ايام، يوجد بكثره في هذه النجوم. اثناء عمليه اضمحلال المستعر الاعظم الى بقايا، تحدث للنيكل-56 عمليتي اصدار بوزيتروني متلاحقتين، يتحول من خلالها اولا الى الكوبالت-56، ومن ثم الى الحديد-56 المستقر، مما يفسر الوفره الكبيره للحديد في الكون مقارنه مع فلزات اخرى مقاربه في الكتله الذريه . يوجد نظير الحديد-56 في قلب العملاق الاحمر وفي النيازك الحديديه وفي جوف الكره الارضيه .
هنالك نظير مشع منقرض للحديد 60Fe له عمر نصف كبير يبلغ 2.6 مليون سنه .[9] ان اغلب الدراسات السابقه حول قياس نسبه نظائر الحديد كانت مركزه حول تحديد نسبه الاختلافات في النظير 60Fe، وذلك نتيجه للعمليات المرافقه لحدوث التخليق النووي وفي تشكل الخامات. ساعد التطور الكبير والمتسارع في تقنيه مطيافيه الكتله على كشف وتحديد نسب النظائر المستقره للحديد، وذلك نتيجه وجود العديد من الفروع العلميه المهتمه بهذا المجال، من بينها علوم الارض وعلم الكواكب بالاضافه الى التطبيقات الحيويه والصناعيه .[10]
اظهرت الدراسات لبعض النيازك الحديديه ان العلاقه بين تركيز النيكل-60، والذي يمثل ناتج اضمحلال للحديد-60، ووفره نظائر الحديد المستقره يمكن ان تعطي دلاله على وجود الحديد-60 60Fe اثناء تشكل وتطور النظام الشمسي. من المحتمل ان تكون الطاقه المتحرره اثناء اضمحلال نظير الحديد-60، بالاضافه الى الطاقه المتحرره عن نظير الالومنيوم المشع 26Al، قد ساهمت في حدوث اعاده انصهار واعاده تشكيل وتمايز الكويكيبات قبل نشوئها من 4.6 مليار سنه .
تمتاز نوى نظائر الحديد بان لها طاقه ارتباط عاليه لكل نويه ، ولا يفوقها بذلك الا نظير النيكل 62Ni، والذي يتشكل في تفاعلات الاندماج النووي في النجوم. اما بالنسبه لتوزع عنصري الحديد والنيكل، فان نسبه نظائر الحديد في الكره الارضيه تفوق نظائر النيكل، ومن المتوقع انها تفوقها ايضا اثنائ تشكل العناصر في المستعرات العظمى.[11]
قطعه من الحديد النقي
مركبات الحديد[عدل]
تكافؤ مركبات الحديد غالبا ما يكون +2 او +3، ويطلق على مركبات الحديد ثنائيه التكافؤ (حديدوز) مثل اكسيد الحديدوز (FeO)، وعلى مركبات الحديد ثلاثيه التكافؤ (حديديك) مثل اكسيد الحديديك (Fe2O3). قد يصبح تكافؤ مركبات الحديد سداسي التكافؤ كحاله رابع حديدات البوتاسيوم (K2FeO4). كما ان مركبات الحديد التي تشارك في تفاعلات الاكسده البيوكيميائيه ، رباعيه التكافؤ.[12][13] كما تتواجد مركبات عضويه معدنيه للحديد ذات تكافؤ احادي موجب او احادي سالب او ثنائي سالب. بل ويتواجد الحديد احيانا في حالته العنصريه داخل جسم الانسان.
كما يتواجد مركبات للحديد يكون فيها الحديد ذا تكافؤ ثنائي وثلاثي في الوقت ذاته كاكسيد الحديد الاسود (الماغنتيت) ومركب ازرق بروسيا (Fe4(Fe[CN]6)3)،[13] والذي يستخدم بعض انواع اوراق الطباعه التي تستخدم في بعض الرسومات الهندسيه .[14]
تعد كبريتات الحديدوز المائيه (FeSO4•7H2O) وكلوريد الحديديك (FeCl3) من اكثر مركبات الحديد انتاجا صناعيا. وتعتبر كبريتات الحديدوز المائيه من اكثر المصادر المتاحه للحصول على اكسيد الحديدوز (FeO)، لكنه اكثر عرضه للتاكسد في الهواء من ملح موهر ((NH4)2Fe(SO4)2•6H2O)، وبصفه عامه تميل مركبات الحديد ثنائيه التكافؤ للتاكسد في الهواء لتصبح مركبات حديد ثلاثيه التكافؤ.[13]
Some canary-yellow powder sits, mostly in lumps, on a laboratory watch glass.
مسحوق كناري اللون من كلوريد الحديديك المائي
اكاسيده وكبريتيداته[عدل]
يتفاعل الحديد مع الاكسجين في الهواء مكونا اكاسيد الحديد واشهرها: اكسيد الحديد الاسود (Fe3O4) واكسيد الحديديك (Fe2O3) واكسيد الحديدوز (FeO)، وان كان غير مستقر في درجات الحراره العاديه . هذه الاكاسيد هي الخامات الاساسيه لانتاج الحديد. اما اشهر كبريتيدات الحديد فهو البيريت (FeS2) والذي يعرف ب الذهب الكاذب.[13]
هاليداته[عدل]
عرفت هاليدات الحديد الثنائيه والثلاثيه منذ القدم باستثناء يوديد الحديديك، وهي تنشا عن طريق تفاعل معدن الحديد مع حامض هالوجيني لكي ينتج عن ذلك التفاعل احد الاملاح المائيه .[13]
Fe + 2 HX → FeX2 + H2
يتفاعل الحديد مع الفلور الكلور البروم وينتج عن ذلك هاليدات الحديديك، واشهرها كلوريد الحديديك:
