ماهو زواقات الحديد
الحديد عنصر كيميائى فلزي، و هو احد اقدم المعادن اكتشافا. رمزة Fe (من اللاتينية :ferrum) و عددة الذرى 26. يقع بالمجموعة الثامنة و الدورة الرابعة من الجدول الدوري.
هو ضرورى لحياة الانسان و الحيوان كونة يدخل فتركيب خضاب الدم، و ايضا لحياة النباتات كونة احد العناصر الضرورية لتكوين الكلوروفيل[1]، و يدخل فكل شيء تقريبا.
هو رابع العناصر تواجدا فالقشرة الارضية ، غالبا ما يتواجد فالطبيعة فصورة اكاسيد. فهيئتة العنصرية هو فلز قابل للطرق و السحب. و يعتبر الحديد و سبائكة اكثر المواد المعدنية استخداما علي الاطلاق. كما يعتبر الحديد اكثر العناصر الكيميائية استقرارا علي الاطلاق بسبب توازن القوة الكهرومغناطيسية و القوة النووية القوية داخل نواة الذرة ، فالعناصر الاخف و زنا يمكنها من اثناء الاندماج النووى – و العناصر الاثقل و زنا من اثناء الانشطار النووى – ان يصبحوا اقرب فصفاتهم للحديد. تحتوى النيازك الساقطة علي الارض علي كميات من الحديد ربما تصل الي 90% من كتلة النيازك.
الحديد فالاصل فضى اللون، الا انه يتاكسد فالهواء. و يعد الحديد اقوي الفلزات علي الاطلاق و اكثرها اهمية للاغراض الهندسية شرط حمايتة من الصدا (اى التفاعل مع الاكسجين). و هنالك عدة طرق لحماية الحديد من الصدا و ابسطها علي الاطلاق منع تماس الاكسجين او الرطوبة عن الحديد و هذا بتغليف الحديد بمادة عازلة كاستعمال الاصباغ او عوازل PVC مثلا. و من اروع الطرق المستخدمة لحمايتة هى استعمال نظام الحماية الكاثودية لحماية الحديد من الصدا و التاكل.
الحديد فحالتة النقية اكثر ليونة من الالومنيوم، و تزداد صلادتة باضافة بعض العناصر السبائكية كالكربون بنسب معينة ، فيتكون سبيكة الصلب، و هى اقوي الف مرة من الحديد النقي. يتراوح تكافؤ الحديد بين (2-) و (6+)، الا انه فاشهر حالاتة يصبح تكافؤة (2+) او (3+).
محتويات [اخف]
1 تاريخ
1.1 العصر الحديدي
1.2 اول انتاج من الفولاذ
1.3 ميلاد صناعة الفولاذ الحديثه
1.4 نمو صناعة الفولاذ
1.5 التطورات الجديدة فصناعة الفولاذ
2 معادن الحديد
3 طريقة تكونه
4 الانتاج الصناعي
5 خصائص الحديد
5.1 الخواص الميكانيكيه
5.2 التاصل فالحديد
5.3 نظائر الحديد
6 مركبات الحديد
6.1 اكاسيدة و كبريتيداته
6.2 هاليداته
6.3 سيانيداته
7 الحديد عبر التاريخ
8 الحديد فالقران
9 الحديد فالاحياء
9.1 القبط و التخزين
9.2 تاثيرات الحديد البيولوجيه
9.2.1 مصادر الحديد
10 الحديد فالطبيعه
11 انتاج الحديد
11.1 كيفية الفرن اللافح
11.2 انتاج الحديد بالاختزال المباشر
11.3 طرق اخرى
12 المعالجات الحرارية للمنتجات الحديديه
13 منتجات الحديد الرئيسيه
14 استخدامات مركبات الحديد
15 الاعباء البيئية لصناعة الحديد
16 الحد من التلوث
17 انظر ايضا
18 مصادر
19 هوامش و مراجع
تاريخ[عدل]
العصر الحديدي[عدل]
حصل انسان ما قبل التاريخ علي الحديد من النيازك، و من بعدها استعملة فصناعة العدد و الاسلحة و مكونات اخرى. و كلمة حديد تعنى فالكثير من اللغات القديمة فلز من السماء. و لقد استعمل حديد النيازك ففترات قديمة جدا جدا يعتقد انها تصل الي اربعة الاف عام قبل الميلاد. و لكن لا توجد اي ادلة مؤكدة تبين بداية استعمال الحديد المستخلص بالصهر و الاختزال من الخامات الارضية ، او تشير الي المكان الذي بدا استخلاص الحديد فية لاول مرة .
ويعتقد ان الحيثيين هم اول من عرف الحديد بكميات ضخمة . و ربما عاشوا فيما يعرف الان باسم تركيا. و فعام 1400 ق.م. اكتشف الحيثيون طريقة تصنيع الحديد و اساليب تصليد العدد و الاسلحة الحديدية . و حول هذة الفترة نفسها تقريبا طور سكان جميع من الصين و الهند طرقا و اساليب لاستخلاص الحديد. و عندما و صل العالم الي القرن العاشر قبل الميلاد كانت معظم الحضارات القديمة حينذاك ربما توصلت الي تقنيات تصنيع الحديد، و كذا بدا العصر الحديدي.
اتسمت افران استخلاص الحديد الاولية بالضحالة و عدم العمق. و كانت مجمراتها تشبة الطبق، و كان يسخن خام الحديد مع الفحم النباتى فمجمرة الفرن. و بعد مرور عدة ساعات علي بدء التسخين يفقد خام الحديد اكسجينة الي الكربون الساخن المحيط به، و يتحول الخام الي فلز الحديد فصورة لامعة . و لم يكن يستعمل فلز الحديد الناتج مباشرة ، و لكن يعاد تسخينة مرارا و فكل مرة يطرق للتخلص من بقية الشوائب القصيفة الصلدة و عل الاخص الكربون الذي يجعل الحديد هشا. و تمكن صناع الحديد نحو عام 1200م من اعادة تسخين و تشكيل و تبريد الحديد المستخلص لانتاج و تصنيع الحديد المطاوع. و ربما كانت خواص الحديد المطاوع الناتج تشبة الي حد بعيد خواص الفولاذ الكربونى المنتج فالعصور الجديدة حيث يحتوى علي كمية قليلة من الكربون.
وسرعان ما تعلم صناع الحديد ان نفث الهواء اثناء قصبات او و دنات الي الفرن، ترفع الي حد كبير درجة الحرارة ، و كان لذا الاكتشاف اثرة الكبير فتحسين نوعية الحديد المنتج. و فيما بعد استعمل صناع الحديد اداة او جهازا اطلق علية الكير يقوم بدفع الهواء اثناء القصبات الي الفرن. و تمكن صناع الحديد نحو عام 700م فمنطقة قطالونيا و هى تقع الان فشمال شرقى اسبانيا من التوصل الي اروع صورة لمجمرة فرن استخلاص الحديد. و عرف هذا الفرن عندئذ باسم كوركتلان، و كان الهواء يضغط عند قاعدة الفرن و يدفع الي الداخل باستعمال الطاقة المائية . و بلغت طاقة انتاج كوركتلان حوالى 160 كجم من الحديد المليف جميع خمس ساعات. و ذلك الانتاج اكبر بعديد من انتاج الافران السابقة .
حضر يعقوب بن اسحاق الكندى (ت 260ه، 873م) نوعياتا من الحديد الفولاذ باسلوب المزج و الصهر، فقد مزج كمية من الحديد المطاوع، و كان يسمي الزماهن، و كمية اخري من الحديد الصلب (الشبرقان) و صهرهما معا بعدها سخنهما الي درجة حرارة معلومة بحيث نتج عن هذا حديد يحتوى علي نسبة من الكربون تتراوح بين 0,5 و 1,5%. و عندما تحدث ابن سينا (ت 428ه، 1037م) عن النيازك قسمها الي نوعين حجري، و حديدى و هو نفس التقسيم المتبع فالوقت الراهن.
اما فاوروبا لم تتطور طرق و اساليب تشكيل الحديد المنصهر فصورة منتجات استهلاكية مناسبة بصورة مرضية حتي حلول عام 1500م. و فبداية القرن الثامن عشر الميلادى بدا صناع الحديد البريطانيون فاستعمال الكوك بدلا من الفحم النباتى فالافران العالية نظرا لنقص الاخشاب، و هى المصدر الاساسى للفحم النباتي.
يعد ابراهام داربى اول من تمكن من تكويك الفحم الحجرى و انتاج الكوك، و من بعدها استعمل الكوك فانتاج الحديد عام 1709م فبلدة كولبروكديل فمقاطعة شروبشاير فانجلترا. و فاواخر القرن الثامن عشر تمكن جميع من ابن ابراهام داربى و حفيدة من تحسين اسلوب التكويك الذي بداة رب الاسرة . و ربما ادت اعمال هذة العائلة الي قيام الثورة الصناعية التي بدات فبريطانيا بانتاج الحديد الزهر و من بعدها استخدامة فالمبانى و الالات. و ربما نقل المهاجرون الاوروبيون هذة الصناعات و نشروها بعد هذا فارجاء العالم.
اول انتاج من الفولاذ[عدل]
انتجت اول كمية من الفولاذ فالعصر الحديدي، و لو ان الكمية المنتجة كانت صغار . و علي سبيل المثال فقد صنع مواطنو منطقة هيا التي تقع فشرق السودان الفولاذ فافران اسطوانية خاصة . كما صنعت فالهند نحو عام 300 قبل الميلاد كتل ضخمة من الحديد الاسفنجى التي اعيد تشكيلها بعدها تسخينها لانتاج ما يسمي بفولاذ و وتز. و مع بداية القرن الخامس الميلادى تمكن الصينيون كذلك من انتاج الفولاذ.
وفى العصور الوسطي انتج الاوروبيون كميات صغار من الفولاذ، لكن الكميات كانت شحيحة بدرجة كبار اضافة الي ارتفاع التكلفة . و فعام 1740م تمكن صانع ساعات بريطانى يدعي بنجامين هنتسمان من اختراع اسلوب البوتقة لصناعة الفولاذ، و هى تشبة الي حد بعيد الاسلوب الذي كان متبعا فانتاج فولاذ و وتز. و قام هونتسمان باعادة صهر و تنقية قضبان من الحديد المطاوع عالية النوعية فبواتق (مراجل صهر). و كانت كيفية هنتسمان لانتاج الفولاذ بطيئة ، و تتطلب قدرا كبيرا من العمل الشاق، اضافة الي ان اضخم البواتق لا يمكنها انتاج اكثر من 45 كجم من الفولاذ فالمرة الواحدة .
ميلاد صناعة الفولاذ الجديدة [عدل]
لم تطبق اولي الطرق الجديدة لانتاج الفولاذ بكميات كبار و بتكلفة مقبولة الا فمنتصف القرن التاسع عشر. و عرفت هذة الكيفية باسم كيفية بسمر ، و هذا علي اسم مخترعها و مطورها هنرى بسمر، و هو صانع فولاذ بريطاني. و لقد تمكن صانع حديد امريكى اسمة و ليم كلي، فالفترة نفسها تقريبا، من تطوير اسلوب مماثل لاسلوب بسمر فانتاج الفولاذ دون علم بنتائج ابحاث بسمر. و علي الرغم من نجاح جميع من بسمر و كيلى فانتاج الفولاذ، الا ان جهودهما لم يكن ليكللها النجاح دون الاستفادة من اختراع روبرت موشية الذي توصل الية فعام 1857م. و موشية عالم فلزات بريطاني، و جد ان اضافة سبيكة الحديد الكربون المنجنيز المعروفة باسم تماسيح الحديد المنجنيزي، خلال عملية تنقية الحديد تساعد علي ازالة الاكسجين و ضبط نسبة الكربون فالفولاذ المنتج.
قامت كيفية بسمر لتصنيع الفولاذ علي صب حديد التمساح المنصهر الناتج من الفرن العالى فو عاء كمثرى الشكل يعرف باسم المحول، بعدها حقن الهواء فالحديد المنصهر من اثناء قصبات مثبتة فقاع المحول. و بمجرد تلامس الهواء المدفوع فالمحول مع الحديد المنصهر، فان اكسجين الهواء يتفاعل بسرعة مع شوائب الحديد. و تؤدى تفاعلات الاكسجين مع الشوائب، بالاضافة الي مفعول تماسيح الحديد المنجنيزى الي تحويل حديد التمساح الي فولاذ.
وقد سجلت براءة اختراع تصنيع الفولاذ باسلوب «بسمر» باسم مخترعها فبريطانيا عام 1860م. و فعام 1870م بدا انتاج الفولاذ فعليا بهذة الكيفية فجميع انحاء اوروبا و الولايات المتحدة الامريكية .
ظهرت كيفية فرن المجمرة المكشوفة لانتاج و تصنيع الفولاذ بعد انتشار كيفية بسمر مباشرة . ففى عام 1856م تمكن اثنان من العلماء، المانيا المولد و لكنهما نشا و عاشا فبريطانيا، هما الاخوان و ليم و فريدريك سيمنز، من اختراع فرن اعادة توليد الغاز. و يستعمل ذلك الفرن المخلفات الغازية لتسخين جميع من الوقود و الهواء قبل دخولهما الي الفرن. و فعام 1864م تمكن اخوان فرنسيان هما بيير و اميل ما رتن، من تصنيع و انتاج الفولاذ ففرن بناة مهندسو شركة سيمنز، و لهذا يطلق علي اسلوب انتاج الفولاذ بهذة الطريقة كيفية سيمنز ما رتن لتصنيع الفولاذ، و هى الكيفية التي عرفت بعد هذا باسم فرن المجمرة المكشوفة . و ربما تميزت كيفية المجمرة المكشوفة لانتاج الفولاذ عن كيفية بسمر لانتاج الفولاذ، بعدد من السمات اهمها امكانية استخدامها لانتاج الفولاذ من الخردة ، بالاضافة الي امكانية التحكم بدرجة كبار فالتركيب الكيميائى للفولاذ الناتج. و نتيجة لمميزات كيفية فرن المجمرة المكشوفة لانتاج الفولاذ، فقد بدا عدد و حدات محولات بسمر فالتناقص منذ عام 1910م و اصبحت محدودة العدد، و ان ظلت الوحدات التي انشئت قديما فالانتاج حتي الستينيات من القرن العشرين.
وفى عام 1878م اثبت و ليم سيمنز امكانية انتاج الفولاذ ففرن القوس الكهربائي. و نظرا لان كمية الكهرباء المتوفرة فذلك الوقت كانت محدودة كما انها كانت باهظة التكلفة ، فلم يستعمل ذلك الاسلوب لتصنيع الفولاذ بكميات تجارية فذلك الوقت. و فعام 1899م انشا بول هيرولت ففرنسا اول و حدة لانتاج الفولاذ فعليا بصورة تجارية من افران القوس الكهربائي.
نمو صناعة الفولاذ[عدل]
بعد ظهور طريقتى بسمر و فرن المجمرة المكشوفة لتصنيع و انتاج الفولاذ، توسعت صناعة الفولاذ و نمت بسرعة كبار . و لان بريطانيا كانت تمتلك ترسبات غنية من خام الحديد، فقد كانت اكبر دول العالم فصناعة الحديد و الفولاذ، فمنتصف القرن التاسع عشر، كما انها كانت اكثر دول العالم فالتقدم التقنى فهذا المجال.
ومع بداية الثمانينيات من القرن التاسع عشر و حتي الان، بدات بعض الدول الاخري فالظهور فمجال بناء صناعة الفولاذ، حيث اكتشف الجيولوجيون فمنتصف القرن التاسع عشر الميلادى ترسبات غنية من خامات الحديد فمنطقة البحيرات العظمي فالولايات المتحدة الامريكية . و ادي هذا الاكتشاف الي تطور ضخم فصناعة الفولاذ فالولايات المتحدة . و ربما انشا اندرو كارنيجى فعام 1873م اول مصنع ضخم لانتاج الفولاذ فالولايات المتحدة الامريكية ، كما بدات جميع من فرنسا و المانيا و روسيا و بعض الدول الاوروبية الاخري فبناء مصانع كبار لانتاج الفولاذ. و بحلول بدايات القرن العشرين كانت جميع من الولايات المتحدة الامريكية و المانيا تتصدران دول العالم المنتجة للفولاذ، و كان انتاج جميع دولة منهما اكثر من انتاج بريطانيا.
وبحلول عام 1901م ظهرت دول اخري منتجة للفولاذ فكل من اسيا و الامريكتين كما بدات استراليا عام 1915م فانتاج الفولاذ.
استخدم معظم الفولاذ المنتج فنهاية القرن التاسع عشر فصناعة قضبان السكك الحديدية . و فبداية القرن العشرين زاد انتاج الفولاذ كثيرا لمقابلة الزيادة فالطلب علية و نجاحة فصناعة السيارات التي نمت بسرعة كبار بالاضافة الي حاجة العديد من المنتجات الاخري الي الفولاذ. و صاحب زيادة انتاج الفولاذ تطوير طرق جديدة لانتاجة روعى بها زيادة الانتاجية . كما شمل التطور كذلك التوصل الي طرق حديثة لعمليات الدلفنة و تشكيل الفولاذ اضافة الي استنباط الكثير من سبائك الفولاذ الحديثة ذات الخواص المتفوقة .
وخلال الحرب العالمية الثانية = (1939-1945م)، دمرت معظم مصانع الفولاذ فالعالم فيما عدا مصانع الولايات المتحدة الامريكية . و نتيجة لذا احتكرت شركات الفولاذ الامريكية انتاج الفولاذ و اسواقة فالعالم كلة لفترة بعد انتهاء الحرب العالمية الثانية =. و علي الرغم من هذا فقد اعادت اليابان و كذلك العديد من الدول الاوروبية بناء مصانعها لانتاج الفولاذ فالخمسينيات من القرن العشرين. و تميزت و حدات الفولاذ جديدة الانشاء باستعمال اخر التقنيات لانتاج الفولاذ بما بها اسلوب الاكسجين القاعدى و استعمال كيفية صبات الجديلة . و نتيجة تحديث مصانع الفولاذ التي انشئت حديثا تفوقت المصانع اليابانية و مصانع دول و سط اوروبا فنوعية و كمية الانتاج علي مصانع الفولاذ فالولايات المتحدة الامريكية و بريطانيا اللتين استمرتا فاستعمال الاساليب القديمة و المعدات متدنية الكفاءة .
وتقلصت صناعة الفولاذ فبريطانيا بصورة كبار علي الرغم من انها كانت الدولة المطورة لاساليب انتاج الفولاذ و المصنعة له بكميات كبار قبل اي دولة اخري فالعالم. و تتحكم الحكومة البريطانية فهيئة الفولاذ البريطانية ، و الاخيرة هى المالك الاساسى لصناعة الفولاذ فبريطانيا. و ربما اغلقت الهيئة فبداية الثمانينيات من القرن العشرين عددا كبيرا من المصانع الضخمة لانتاج الفولاذ. و فالفترة نفسها تقريبا، فقدت بريطانيا كذلك اروع ترسبات خامات الحديد بعد استنزافها. و علي الرغم من المصاعب التي تواجة صناعة الفولاذ فبريطانيا، الا ان هيئة الفولاذ البريطانية بدات ففترة الثمانينيات من القرن العشرين تحديث اساليب و استعمال اروع التقنيات لانتاج الفولاذ تمهيدا لنقل ملكية صناعة الفولاذ الي القطاع الخاص تحت اسم الفولاذ البريطاني. و علي الرغم من جميع هذة المصاعب الا ان الفولاذ لا يزال يؤدى دورا بالغ الاهمية و يمثل جزءا مهما من حجم التجارة البريطانية .
التطورات الجديدة فصناعة الفولاذ[عدل]
انخفض معدل انتاج الفولاذ فالدول المتقدمة بشدة فالسبعينيات من القرن العشرين نتيجة الكساد الاقتصادى العالمى فهذة الفترة . و رغم المصاعب التي و اجهت انتاج الفولاذ فالدول المتقدمة ، الا ان الانتاج العالمى من الفولاذ استمر فالزيادة ، و يرجع هذا اساسا الي توسع الدول النامية فاقامة مصانع الفولاذ و التوسع فانتاجة فكل من امريكا الجنوبية و اسيا.
وقبل منتصف الخمسينيات من القرن العشرين، كانت كل الدول النامية فالعالم تستورد كل حاجاتها من الفولاذ من الولايات المتحدة الامريكية و من بعض الدول الصناعية الكبري الاخرى. و لكن مع بداية خمسينيات القرن العشرين انشات كثير من الدول النامية مصانعها الخاصة لانتاج ما تحتاجة من الفولاذ. و لقد اثر نمو صناعة الفولاذ بلا شك، علي الدول النامية تاثيرا كبيرا، و بخاصة الدول التي تمتلك احتياطيا كبيرا من الغاز الطبيعى و خامات الحديد، و من امثلة هذا المكسيك و فنزويلا و مصر. فقد اقامت الدول التي تمتلك احتياطيا كبيرا من الغاز الطبيعى و خامات الحديد الغنية مصانع لانتاج الحديد بطرق الاختزال المباشر، و من بعدها انتجت الفولاذ من هذا الحديد باستعمال افران القوس الكهربائي. و حتي الدول الفقيرة التي لاتمتلك خامات حديد، ساهمت حكوماتها فانشاء مصانع جديدة لانتاج الفولاذ.
وتميزت مصانع الفولاذ التي انشئت فالثمانينيات من القرن العشرين بالالية التامة كما انها مجهزة بمعدات ذات انتاجية عالية تتحكم فتشغيلها مختلف نوعيات الحواسيب الالية . و ربما جاء تطوير المعدات الجديدة المتقدمة المستخدمة فمصانع الفولاذ نتيجة للتزاوج بين كفاءة علماء الفلزات و المهندسين و المتخصصين فالاجهزة ، و مبرمجى الحاسوب. كما عمل الباحثون فصناعة الفولاذ علي تطوير طرق حديثة و استنباط اساليب جديدة لتحويل الفحم الحجرى الي كوك. و يامل الباحثون كذلك ان تثمر جهودهم للتوصل الي اساليب حديثة للاختزال المباشر و تطوير طرق تؤدى الي استعمال الفحم الحجرى فانتاج غاز الاختزال حتي يكون الفحم بديلا عن الغاز الطبيعي. و بالاضافة الي هذة الجهود ما زال العلماء و المهندسون مستمرين فجهودهم و ابحاثهم لتطوير طرق اروع لصناعة الفولاذ و استنباط سبائك حديثة من الفولاذ.
معادن الحديد[عدل]
مغنتيت او مگنتيت Magnetite هو معدن حديدى المغناطيسية و صيغتة الكيميائية Fe3O4, و هو احد اكسيدات حديد متعددة و عضو فمجموعة spinel group. اسم ايوپاك له هو iron(II,III) oxide و الاسم الكيميائى الشائع له هو اكسيد الحديدوز-حديديك. صيغة المگنتيت ممكن كذلك كتابتها كالتالي FeO·Fe2O3, و هى جزء wüstite (FeO) و الجزء الاخر هماتيت (Fe2O3). و ذلك يشير الي المراحل المختلفة من اكسدة الحديد فنفس البنية , و لا يعنى انه محلول صلب.
المگنتيت (Fe2O4)هو احد الخامات التي يستخلص منهاالحديد. و يستعمل فصناعة المغنطيسات الدائمة و هنالك خامات اخري يستخلص منها الحديد كالهيماتيت و السيدرايت
الهماتيت معدن لونة اسود الي صلبى (فضي-رمادي)، بنى الي بنى محمر، او احمر. و يستخرج بصفتة الخام الرئيسى للحديد. اصنافة تتضمن خام الكلية , ما رتيت (pseudomorphs اخذوا اسمهم من المگنتيت), زهرة الحديد و specularite (specular hematite). و بينما تختلف صيغ الهماتيت, الا انهم جميعا يشتركون فان لديهم تعريق صدا-احمر. و الهماتيت اشد صلادة من الحديد النقي, الا انه اشد انقصافا.
وقد عثر علي رواسب هائلة من الهماتيت فbanded iron formations. الهماتيت الرمادى عادة ما يوجد فالاماكن التي فيها مياة ساكنة او ينابيع مياة دافئة معدنية , كما هو الحال فيلوستون. و ممكن للمعدن ان يترسب خارج الماء و يتجمع فطبقات فقاع بحيرة , نبع, او اي مياة ساكنة اخرى. و ممكن للهماتيت ان يتواجد كذلك بدون الماء, الا انه فتلك الحالة عادة ما يصبح نتيجة نشاط بركاني.
طريقة تكونه[عدل]
يتكون الحديد فداخل النجوم العملاقة عند نهاية دورة حياتها، فعملية تسمي بعملية احتراق السيليكون. تبدا العملية عندما تندمج نواة ذرة كالسيوم مستقرة مع نواة ذرة هليوم، لتتكون ذرة تيتانيوم غير مستقرة . و قبل ان تتحلل ذرة التيتانيوم الغير مستقرة ، تندمج مع ذرة هليوم اخرى، لتتكون ذرة كروم غير مستقرة . بعدها قبل ان تتحلل ذرة الكروم الغير مستقرة ، تتحد مع ذرة هليوم اخرى، لتكوين ذرة حديد غير مستقرة . و قبل ان تتحلل ذرة الحديد الغير مستقرة ، تتحد مع ذرة هليوم اخرى، لتكوين ذرة نيكل غير مستقرة .
تتحلل ذرة النيكل الغير مستقرة الي ذرة كوبالت غير مستقرة ، و التي تتحلل اخيرا الي ذرة حديد مستقرة 56Fe. و عندئذ لا تندمج ذرات الحديد المستقرة مع اي عنصر اخر، فتشكل بذلك قلب النجم، و يبدا النجم عندئذ بالتجمد و يتجة للاستقرار.
الانتاج الصناعي[عدل]
سبائك حديدية :
السبائك الحديدية ）Ferrous Alloys（ هى عائلة السبائك التي تعتمد على عنصر الحديد كالمكون الرئيسى لها او العنصر الغالب فيها، و تضم هذة العائلة عدد كبير من السبائك ،وتنقسم الى مجموعتين رئيسيتين و هما سبائك الصلب (Steels) و سبائك الحديد الزهر (Cast Iron).
سبائك الصلب:
مقدمة الصلب Steel هو سبيكة تصنع اساسا من الحديد بمحتوي كربون يتراوح بين 0.2 و 2.04% بالوزن (ك:1000–10,8.67حد), حسب الدرجة . و الكربون هو اكثر العناصر السبائكية فاعلية من حيث التكلفة فسبائك الحديد, الا انه تستخدم الكثير من العناصر السابكة الاخري كالمنگنيز، الكروم، الڤناديوم، و التنگستن.[1] و يعمل الكربون و العناصر الاخري كعوامل تصليد (تقسية ), لمنع الانخلاعات فالعقد البلورى لذرات الحديد من الانزلاق امام بعضهم البعض. و يتحكم مقدار العناصر السابكة و شكل و جودهم فالصلب (solute elements, precipitated phase) فصفات كالصلادة , و المطيلية و مقاومة الشد للصلب الناتج. فالصلب ذو المحتوي المرتفع من الكربون ممكن ان يصنع ليصبح اكثر صلادة و اقوي من الحديد، الا انه اكثر قصافة .
قابلية الذوبان العظمي للكربون فالحديد (فى منطقة الاوستنتيت) هى 2.14% بالوزن, تحدث عند درجة حرارة 1149 °م; التركزات الاعلي من الكربون او درجات الحرارة الاقل ستنتج سمنتيت.
السبائك ذات محتوي الكربون الاعلي من هذا تعرف باسم حديد زهر بسبب درجة انصهارهم الاقل و قابليتهم للصب.[1] و يجب كذلك تمييز الصلب عن الحديد المطاوع المحتوى فقط علي كمية ضئيلة جدا جدا من العناصر الاخرى, الا انه يحتوى علي 1–3% بالوزن من خبث فصيغة حبيبات مستطالة فاتجاة و احد, مما يعطى الحديد «grain» متميزة . فهو اكثر مقاومة للصدا من الصلب و ممكن لحمة بسهولة .
ومن الشائع اليوم الحديث عن ‘صناعة الحديد و الصلب’ كما لو كانت شيئا و احدا, و لكنهما تاريخيا كانا منتجين منفصلين.
بالرغم من ان الصلب كان ينتج بالكثير من الطرق غير الفعالة قبل عصر النهضة بوقت طويل, فان استعمالة اصبح اكثر شيوعا بعد تطوير طرق اكثر فاعلية لانتاجة فالقرن السابع عشر. و باختراع عملية بسمر فمنتصف القرن التاسع عشر, اصبح الصلب سلعة تنتج بكميات كبار بتكلفة ارخص نسبيا. التحسينات اللاحقة علي العملية , كbasic oxygen steelmaking, خفضت تكلفة الانتاج بدرجة اكبر بينما رفعت من جودة المعدن.
واليوم, الصلى هو احد اكثر المواد شيوعا فالعالم و هو مكون رئيسى فالمبانى و المعدات و السيارات, و الاجهزة البيتية الرئيسية . الصلب المعاصر يتم تمييزة عموما حسب درجات الصلب المتعددة التي توصفها هيئات التوصيف القياسى.
– تصنيف سبائك الصلب (يسمي كذلك الفولاذ) :
يسمي الصلب كذلك الفولاذ و يفهم من بعض الكتابات العربية ان الفولاذ هو لفظ يطلق علي الاصلاب السبائكية خلافا و تمييزا لها عن الاصلاب الكربونية العادية .
تعتبر سبائك الصلب (الاصلاب) اكثر المواد الفلزية انتشارا و استخداما نظرا لرخص تكلفة انتاجها بالاضافة الي امكانية انتاجها طبقا لمواصفات مختلفة و ايضا القدرة ال كبار على التحكم فتركيباتها الكيميائية .
وتنقسم الاصلاب عامة الي عدة فئات تتباين فخو اصها الميكانيكية و الوظيفية و قابليتها للتصنيع و اللحام و المعالجة الحرارية و مقاومتها للتاكل تباينا كبيرا ملبية لطيف و اسع من المتطلبات و الاستخدامات التي لا تتوافر لغيرها من المواد الهندسية .
– اصلاب كربونية (Carbon Steels)
– اصلاب سبائكية (Alloy Steels)
– اصلاب منخفضة السبائكية عالية المقاومة (High-Strength Low-Alloy Steels)
– اصلاب العدد (Tool Steels)
– اصلاب تقسي بتعتيق المرتنزيت (Maraging Steels)
– اصلاب المنجنيز الاوستنيتية (Austenitic Manganese Steels)
– اصلاب مقاومة للصدا (Stainless Steels)
حديد زهر :
الحديد الزهر يسمي كذلك حديد السبك او حديد الصب (Cast Iron)، و يعرف بحسب مجمع اللغة العربية بالقاهرة كما يلى:
– الحديد الناتج من صهر الخام فالافران العالية و هو حديد غير نقى سهل الكسر و لا يقبل التشكيل، يبدا فالانصهار عند 1270 درجة مئوية .
– اشابة من الحديد معدة للصب، تشتمل علي بعض العناصر الاخرى.
– الحديد الناتج من الافران العالية و تبلغ كثافتة 7.86 جم/سم3، و درجة انصهارة ما بين 1275 الي 1505م، و هو سهل الكسر و لا يقبل التشكيل.
– حديد يحتوى علي نسبة كربون تفوق حد ذوبانة فطور الاوستنيت عند درجة حرارة اليوتكتى فينفصل الكربون فصورة قشور او شبة كريات (حديد زهر رمادي) او ربما يصبح سمنتيتا (حديد زهر ابيض).
– نوع من الحديد غير النقي ينتج بصهر حديد الزهر مع الجير بعدها صبة فقوالب، و هو قصيف و لكنة يتميز بصلادته.
خصائص الحديد[عدل]
الخواص الميكانيكية [عدل]
تفيم الخواص الميكانيكية للحديد و سبائكة باستعمال مجموعة متنوعة من الاختبارات، كاختبار برينل و اختبار روكويل و كلاهما لقياس صلادة الحديد، و اختبار قوة الشد و غيرها؛ نتائج هذة الاختبارات علي الحديد دقائق للغاية ، بما يسمح باستعمال الحديد لمعايرة او الربط بين نتائج الاختبارات المختلفة .[2][3] تعتمد نتائج تلك الاختبارات علي درجة نقاء الحديد: فبللورات الحديد فصورتة النقية اكثر ليونة من الالمونيوم، و مع اضافة بعض اجزاء من المليون من و زن سبيكة الحديد من عنصر الكربون، فانها تضاعف من قوة الحديد.[4] تزداد صلادة الحديد بسرعة بزيادة محتوي الكربون فسبيكة الحديد حتي تصل نسبتة الي 0.2 ٪ من و زن السبيكة ، و بعد هذا يتزايد بمعدلات اقل و يصل الي الذروة عندما يصل محتوي الكربون الي 0.6 ٪ تقريبا من و زن السبيكة .[5] الحديد النقى المنتج صناعيا (حوالى 99.99 ٪) لدية صلادة تقدر ب 20-30 HB.[6]
التاصل فالحديد[عدل]
Crystal Clear app kdict.png مقالة مفصلة : التاصل فالحديد
يمثل الحديد اروع مثال لظاهرة التاصل فالمعادن، فالحديد يتواجد فثلاثة اطوار تاصلية و هى (α-Fe، γ-Fe، δ-Fe). يعد فهم ظاهرة التاصل فالحديد هو المفتاح لانتاج سبائك صلب ذات خصائص محددة للاغراض المختلفة .
اولها تكونا عندما يتجمد الحديد من حالتة السائلة عند 1538 درجة مئوية هو (δ-Fe)، يعد الفيريت (α-Fe) هو الطور الاكثر استقرارا للحديد فدرجات الحرارة العادية .[7] اما 912 درجة مئوية و حتي 1400 درجة مئوية ، يتحول الحديد تدريجيا من طور الفيريت الي طور الاوستنيت (γ-Fe)، و يستعمل ذلك الطور من الحديد فانتاج الصلب الذي لا يصدا، و الذي يستعمل فصناعة ادوات المائدة و المستشفيات و معدات الصناعات الغذائية .[8]
نظائر الحديد[عدل]
Crystal Clear app kdict.png مقالة مفصلة : نظائر الحديد
يوجد الحديد فالطبيعة فهيئة اربعة نظائر مستقرة ، تكون موزعة كالاتى 5.845% 54Fe و 91.754% 56Fe و 2.119% 57Fe و 0.282% 58Fe. من المتوقع ان يخضع النظير 54Fe لعملية تحلل بيتا المزدوج، لكن هذة العملية لم تلاحظ بالتجربة بالنسبة لهذة الجسيمات. و حدة النظير 57Fe من بين النظائر المستقرة للحديد لدية لف مغزلى و مقدارة (−1/2).
يعد نظير الحديد 56Fe اكثر نظائر الحديد و فرة و اكثرها ثباتا. من غير الممكن اجراء عملية انشطار او اندماج نووى لهذا النظير مع حدوث اصدار للطاقة . يتشكل ذلك النظير من نظير النيكل 56Ni الذي يتشكل من نوي اخف من اثناء عملية الفا داخل المستعرات العظمي (اقرا عملية احتراق السيليكون). يشكل النظير 56 للنيكل نهاية سلسلة تفاعل الاندماج النووى داخل النجوم العملاقة ، لان اضافة جسيم الفا احدث سيشكل الزنك-60، و الذي يتطلب تشكيلة طاقة عالية جدا، لذا فان النيكل-56، و الذي عمر النصف له 6 ايام، يوجد بكثرة فهذة النجوم. خلال عملية اضمحلال المستعر الاعظم الي بقايا، تحدث للنيكل-56 عمليتى اصدار بوزيترونى متلاحقتين، يتحول من خلالها اولا الي الكوبالت-56، و من بعدها الي الحديد-56 المستقر، مما يفسر الوفرة ال كبار للحديد فالكون مقارنة مع فلزات اخري مقاربة فالكتلة الذرية . يوجد نظير الحديد-56 فقلب العملاق الاحمر و فالنيازك الحديدية و فجوف الكرة الارضية .
هناك نظير مشع منقرض للحديد 60Fe له عمر نص كبير يبلغ 2.6 مليون سنة .[9] ان اغلب الدراسات السابقة حول قياس نسبة نظائر الحديد كانت مركزة حول تحديد نسبة الاختلافات فالنظير 60Fe، و هذا نتيجة للعمليات المرافقة لحدوث التخليق النووى و فتشكل الخامات. ساعد التطور الكبير و المتسارع فتقنية مطيافية الكتلة علي كشف و تحديد نسب النظائر المستقرة للحديد، و هذا نتيجة و جود الكثير من الفروع العلمية المهتمة بهذا المجال، من بينها علوم الارض و علم الكواكب بالاضافة الي التطبيقات الحيوية و الصناعية .[10]
اظهرت الدراسات لبعض النيازك الحديدية ان العلاقة بين تركيز النيكل-60، و الذي يمثل ناتج اضمحلال للحديد-60، و وفرة نظائر الحديد المستقرة ممكن ان تعطى دلالة علي و جود الحديد-60 60Fe خلال تشكل و تطور النظام الشمسي. من المحتمل ان تكون الطاقة المتحررة خلال اضمحلال نظير الحديد-60، بالاضافة الي الطاقة المتحررة عن نظير الالومنيوم المشع 26Al، ربما ساهمت فحدوث اعادة انصهار و اعادة تشكيل و تمايز الكويكيبات قبل نشوئها من 4.6 مليار سنة .
تمتاز نوي نظائر الحديد بان لها طاقة ارتباط عالية لكل نوية ، و لا يفوقها بذلك الا نظير النيكل 62Ni، و الذي يتشكل فتفاعلات الاندماج النووى فالنجوم. اما بالنسبة لتوزع عنصرى الحديد و النيكل، فان نسبة نظائر الحديد فالكرة الارضية تفوق نظائر النيكل، و من المتوقع انها تفوقها كذلك اثنائ تشكل العناصر فالمستعرات العظمى.[11]
قطعة من الحديد النقي
مركبات الحديد[عدل]
تكافؤ مركبات الحديد غالبا ما يصبح +2 او +3، و يطلق علي مركبات الحديد ثنائية التكافؤ (حديدوز) كاكسيد الحديدوز (FeO)، و علي مركبات الحديد ثلاثية التكافؤ (حديديك) كاكسيد الحديديك (Fe2O3). ربما يكون تكافؤ مركبات الحديد سداسى التكافؤ كحالة رابع حديدات البوتاسيوم (K2FeO4). كما ان مركبات الحديد التي تشارك فتفاعلات الاكسدة البيوكيميائية ، رباعية التكافؤ.[12][13] كما تتواجد مركبات عضوية معدنية للحديد ذات تكافؤ احادى موجب او احادى سالب او ثنائى سالب. بل و يتواجد الحديد احيانا فحالتة العنصرية داخل جسم الانسان.
كما يتواجد مركبات للحديد يصبح بها الحديد ذا تكافؤ ثنائى و ثلاثى فالوقت ذاتة كاكسيد الحديد الاسود (الماغنتيت) و مركب ازرق بروسيا (Fe4(Fe[CN]6)3)،[13] و الذي يستعمل بعض نوعيات اوراق الطباعة التي تستعمل فبعض الرسومات الهندسية .[14]
تعد كبريتات الحديدوز المائية (FeSO4•7H2O) و كلوريد الحديديك (FeCl3) من اكثر مركبات الحديد انتاجا صناعيا. و تعتبر كبريتات الحديدوز المائية من اكثر المصادر المتاحة للحصول علي اكسيد الحديدوز (FeO)، لكنة اكثر عرضة للتاكسد فالهواء من ملح موهر ((NH4)2Fe(SO4)2•6H2O)، و بصفة عامة تميل مركبات الحديد ثنائية التكافؤ للتاكسد فالهواء لتصبح مركبات حديد ثلاثية التكافؤ.[13]
Some canary-yellow powder sits, mostly in lumps, on a laboratory watch glass.
مسحوق كنارى اللون من كلوريد الحديديك المائي
اكاسيدة و كبريتيداته[عدل]
يتفاعل الحديد مع الاكسجين فالهواء مكونا اكاسيد الحديد و اشهرها: اكسيد الحديد الاسود (Fe3O4) و اكسيد الحديديك (Fe2O3) و اكسيد الحديدوز (FeO)، و ان كان غير مستقر فدرجات الحرارة العادية . هذة الاكاسيد هى الخامات الاساسية لانتاج الحديد. اما اشهر كبريتيدات الحديد فهو البيريت (FeS2) و الذي يعرف ب الذهب الكاذب.[13]
هاليداته[عدل]
عرفت هاليدات الحديد الثنائية و الثلاثية منذ القدم باستثناء يوديد الحديديك، و هى تنشا عن طريق تفاعل معدن الحديد مع حامض هالوجينى لكى ينتج عن هذا التفاعل احد الاملاح المائية .[13]
Fe + 2 HX → FeX2 + H2
يتفاعل الحديد مع الفلور الكلور البروم و ينتج عن هذا هاليدات الحديديك، و اشهرها كلوريد الحديديك:
