الحديد عنصر كيميائي، رمزه Fe (من الكلمة اللاتينية ferrum التي تعني "حديد") وعدده الذري 26. وهو فلز ينتمي إلى السلسلة الانتقالية الأولى والمجموعة الثامنة من الجدول الدوري. يُعد الحديد، من حيث الكتلة، أكثر العناصر وفرةً على سطح الأرض، إذ يُشكّل جزءًا كبيرًا من لبّها الخارجي والداخلي. وهو رابع أكثر العناصر وفرةً في قشرة الأرض، حيث يترسب بشكل رئيسي من النيازك في حالته المعدنية.

يتطلب استخلاص المعادن القابلة للاستخدام من خامات الحديد أفرانًا قادرة على الوصول إلى درجة حرارة 1500 درجة مئوية (2730 درجة فهرنهايت)، أي أعلى بنحو 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت) من درجة الحرارة اللازمة لصهر النحاس. بدأ الإنسان بإتقان هذه العملية في أوراسيا خلال الألفية الثانية قبل الميلاد، وبدأ استخدام الأدوات والأسلحة الحديدية يحل محل سبائك النحاس - في بعض المناطق، حوالي عام 1200 قبل الميلاد فقط. يُعتبر هذا الحدث بمثابة الانتقال من العصر البرونزي إلى العصر الحديدي. في العالم الحديث، تُعد سبائك الحديد، مثل الفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ والحديد الزهر وأنواع الفولاذ الخاصة، أكثر المعادن الصناعية شيوعًا، نظرًا لخصائصها الميكانيكية وتكلفتها المنخفضة. ولذلك، تُعد صناعة الحديد والصلب ذات أهمية اقتصادية بالغة، ويُعد الحديد أرخص المعادن، حيث يبلغ سعره بضعة دولارات للكيلوغرام أو الرطل.

تتميز أسطح الحديد النقية والناعمة بلون فضي رمادي لامع يشبه المرآة. يتفاعل الحديد بسهولة مع الأكسجين والماء مُنتجًا أكاسيد حديد مائية بنية إلى سوداء، تُعرف باسم الصدأ. على عكس أكاسيد بعض المعادن الأخرى التي تُشكّل طبقات واقية، يشغل الصدأ حجمًا أكبر من المعدن، وبالتالي يتقشر، كاشفًا المزيد من الأسطح الجديدة للتآكل. كيميائيًا، أكثر حالات أكسدة الحديد شيوعًا هي الحديد الثنائي (II) والحديد الثلاثي (III). يشترك الحديد في العديد من خصائص المعادن الانتقالية الأخرى، بما في ذلك عنصري المجموعة الثامنة، الروثينيوم والأوزميوم. يُشكّل الحديد مركبات في نطاق واسع من حالات الأكسدة، من -4 إلى 7. كما يُشكّل الحديد العديد من المركبات التناسقية؛ بعضها، مثل الفيروسين، وأكسالات الحديد، والأزرق البروسي، له تطبيقات صناعية وطبية وبحثية هامة.

يحتوي جسم الإنسان البالغ على نحو 4 غرامات من الحديد (0.005% من وزن الجسم)، يوجد معظمها في الهيموغلوبين والميوغلوبين. ويؤدي هذان البروتينان دورًا أساسيًا في نقل الأكسجين عبر الدم وتخزينه في العضلات. وللحفاظ على المستويات اللازمة، يحتاج أيض الحديد لدى الإنسان إلى حد أدنى من الحديد في الغذاء. كما يوجد الحديد في الموقع النشط للعديد من إنزيمات الأكسدة والاختزال المهمة، التي تشارك في التنفس الخلوي وعمليات الأكسدة والاختزال لدى النباتات والحيوانات.[10]

المتآصلات

من المعروف أن هناك أربعة أشكال متآصلة على الأقل من الحديد (ترتيبات ذرية مختلفة في المادة الصلبة)، ويشار إليها تقليديًا بالرموز α و γ و δ و ε.

تُلاحَظ الأشكال الثلاثة الأولى عند الضغوط العادية. عندما يبرد الحديد المنصهر إلى ما دون درجة تجمده البالغة 1538 درجة مئوية، يتبلور إلى شكله المتآصل دلتا (δ)، ذي البنية البلورية المكعبة مركزية الجسم (bcc). وعندما يبرد أكثر إلى 1394 درجة مئوية، يتحول إلى شكله المتآصل غاما (γ)، ذي البنية البلورية المكعبة مركزية الأوجه (fcc)، أو الأوستنيت. عند 912 درجة مئوية وما دونها، تعود البنية البلورية إلى شكلها المتآصل ألفا (α) ذي البنية المكعبة مركزية الجسم (bcc).[11]

دُرست الخصائص الفيزيائية للحديد عند ضغوط ودرجات حرارة عالية جدًا على نطاق واسع،[12][13] نظرًا لأهميتها في النظريات المتعلقة بنوى الأرض والكواكب الأخرى. عند ضغوط تزيد عن 10 جيجا باسكال ودرجات حرارة لا تتجاوز بضع مئات من الكلفن، يتحول حديد ألفا إلى بنية سداسية متراصة (hcp)، تُعرف أيضًا باسم حديد إبسيلون. كما يتحول طور جاما، الذي يتشكل عند درجات حرارة أعلى، إلى حديد إبسيلون،[13] ولكن عند ضغوط أعلى.

توجد بعض الأدلة التجريبية المثيرة للجدل على وجود طور β مستقر عند ضغوط أعلى من 50 جيجا باسكال ودرجات حرارة لا تقل عن 1500 كلفن. ومن المفترض أن يكون له بنية معينية قائمة أو بنية سداسية مزدوجة.[14] (ومن المثير للارتباك أن مصطلح "حديد β" يستخدم أحيانًا للإشارة إلى حديد α فوق نقطة كوري الخاصة به، عندما يتحول من كونه مغناطيسيًا حديديًا إلى مغناطيسي مساير، على الرغم من أن بنيته البلورية لم تتغير.[11])

يفترض عمومًا أن اللب الداخلي للأرض يتكون من سبيكة من الحديد والنيكل ذات بنية ε (أو β).[15]

نقاط الانصهار والغليان

تقلّ درجتا انصهار الحديد وغليانه، وكذلك إنثالبيّة تذريته، عن قيم العناصر السابقة له في سلسلة 3d، من السكانديوم إلى الكروم، ما يبيّن تراجع مساهمة إلكترونات 3d في الرابطة الفلزية كلما انجذبت أكثر نحو اللب الخامل بفعل النواة؛[16] ومع ذلك، تظل هذه القيم أعلى من نظيراتها في المنغنيز، العنصر السابق له، لأن للمنغنيز غلافًا فرعيًا 3d نصف ممتلئ، ومن ثم لا يسهل نزع تمركز إلكتروناته d. ويظهر الاتجاه نفسه في الروثينيوم، لا في الأوزميوم.[17]

تم تحديد درجة انصهار الحديد تجريبيًا بدقة عند ضغوط تقل عن 50 GPa. أما عند الضغوط الأعلى، فما تزال البيانات المنشورة (حتى عام 2007) تختلف بعشرات الغيغاباسكال وأكثر من ألف كلفن.[18]

الخصائص المغناطيسية

تحت نقطة كوري البالغة 770 °C (1,420 °F؛ 1,040 K)، يتحول الحديد α من بارامغناطيسي إلى فرومغناطيسي: إذ تصطف عادةً لفّتا الإلكترونين غير المقترنين في كل ذرة مع لفّات الإلكترونات في الذرات المجاورة، فتتولد محصلة مجال مغناطيسي.[20] ويحدث ذلك لأن مداري هذين الإلكترونين (dz2 وdx2 − y2) لا يتجهان نحو الذرات المجاورة في الشبكة البلورية، ولذلك لا يشاركان في الترابط الفلزي.[11]

في غياب مصدر خارجي للمجال المغناطيسي، تتوزع الذرات تلقائيًا في نطاقات مغناطيسية، يبلغ قطر كل منها حوالي 10 ميكرومترات،[21] بحيث يكون للذرات في كل نطاق دوران متوازي، ولكن بعض النطاقات لها اتجاهات مختلفة. وبالتالي، فإن قطعة كبيرة من الحديد سيكون لها مجال مغناطيسي إجمالي يكاد يكون معدومًا.

يؤدي تطبيق مجال مغناطيسي خارجي إلى نمو المجالات المغناطيسية التي تتجه في نفس الاتجاه العام على حساب المجالات المجاورة لها التي تتجه في اتجاهات أخرى، مما يعزز المجال الخارجي. يُستغل هذا التأثير في الأجهزة التي تحتاج إلى توجيه المجالات المغناطيسية لأداء وظيفتها التصميمية، مثل المحولات الكهربائية ورؤوس التسجيل المغناطيسي والمحركات الكهربائية. يمكن للشوائب أو عيوب الشبكة البلورية أو حدود الحبيبات والجسيمات أن "تثبت" المجالات المغناطيسية في مواقعها الجديدة، بحيث يستمر التأثير حتى بعد إزالة المجال الخارجي، مما يحول الجسم الحديدي إلى مغناطيس (دائم).[20]

تُظهر بعض مركبات الحديد سلوكًا مشابهًا، مثل الفريتات التي تشمل معدن الماغنيتيت، وهو شكل بلوري من أكسيد الحديد المختلط (II،III) Fe3O4 (على الرغم من اختلاف آلية المغناطيسية الحديدية على المستوى الذري نوعًا ما). وقد وفرت قطع الماغنيتيت ذات المغنطة الدائمة الطبيعية (أحجار المغناطيس) أقدم البوصلات للملاحة. واستُخدمت جزيئات الماغنيتيت على نطاق واسع في وسائط التسجيل المغناطيسي مثل الذاكرة الأساسية، والأشرطة المغناطيسية، والأقراص المرنة، والأقراص الصلبة، إلى أن استُبدلت بمواد أساسها الكوبالت.

النظائر

للحديد أربعة نظائر مستقرة: 54Fe (5.845% من الحديد الطبيعي)، و56Fe (91.754%)، و57Fe (2.119%)، و58Fe (0.282%). كما صُنّع أربعة وعشرون نظيرًا اصطناعيًا. ومن بين هذه النظائر المستقرة، يمتلك 57Fe وحده لفًّا نوويًا (−1⁄2). ويمكن نظريًا أن يخضع النويد 54Fe لالتقاط إلكترون مزدوج ليتحول إلى 54Cr، لكن هذه العملية لم تُرصد قط، ولم يُحدَّد سوى حد أدنى لعمر النصف يبلغ 4.4×1020 سنة.[22]

الحديد-60 هو نظير مشع منقرض ذو عمر نصف طويل (2.6 مليون سنة).[23] لا يوجد على الأرض، لكن ناتج تحلله النهائي هو نظيرته المستقرة، النيكل-60.[9] ركزت معظم الدراسات السابقة حول التركيب النظائري للحديد على التخليق النووي للحديد-60 من خلال دراسة النيازك وتكوين الخامات. في العقد الماضي، سمحت التطورات في قياس الطيف الكتلي بالكشف عن الاختلافات الدقيقة الطبيعية في نسب النظائر المستقرة للحديد وتحديد كميتها. يقود معظم هذا العمل مجتمعات علوم الأرض والكواكب، على الرغم من ظهور تطبيقات في الأنظمة البيولوجية والصناعية.[24]

في مراحل نيزكي سيماركونا وشيرفوني كوت، وفّرت العلاقة بين تركيز النيكل-60، وهو نظير الحديد-60، ووفرة نظائر الحديد المستقرة، دليلاً على وجود الحديد-60 وقت تكوّن النظام الشمسي. ويُحتمل أن الطاقة المنبعثة من تحلّل الحديد-60، إلى جانب الطاقة المنبعثة من الألومنيوم-26، ساهمت في إعادة انصهار وتمايز الكويكبات بعد تكوّنها قبل 4.6 مليار سنة. وقد تُسهم وفرة النيكل-60 في المواد الفضائية في فهم أعمق لأصل النظام الشمسي وتاريخه المبكر.[25]

يحظى نظير الحديد الأكثر وفرةً، 56Fe، باهتمام خاص لدى علماء الفيزياء النووية، لأنه يمثل الناتج النهائي الأكثر شيوعًا للتخليق النووي.[26] وبما أن 56Ni (14 جسيم ألفا) يتكوّن بسهولة من نوى أخف في عملية ألفا خلال التفاعلات النووية في المستعرات العظمى (انظر عملية احتراق السيليكون)، فإنه يمثل نهاية سلاسل الاندماج داخل النجوم فائقة الكتلة.

على الرغم من إمكانية إضافة المزيد من جسيمات ألفا، إلا أن التسلسل ينتهي فعليًا عند نظير النيكل-56 (56Ni) لأن الظروف داخل النجوم تجعل التنافس بين التفكك الضوئي وعملية ألفا يميل لصالح التفكك الضوئي حول نظير النيكل-56.[27][28] يتكون هذا النيكل-56، الذي يبلغ عمر النصف له حوالي 6 أيام، بكميات كبيرة في هذه النجوم، ولكنه سرعان ما يتحلل بانبعاثين متتاليين من البوزيترونات ضمن نواتج تحلل المستعر الأعظم في سحابة الغاز المتبقية، أولًا إلى الكوبالت-56 المشع، ثم إلى الحديد-56 المستقر. ولذلك، يُعد الحديد العنصر الأكثر وفرة في لبّ العمالقة الحمراء، وهو المعدن الأكثر وفرة في النيازك الحديدية وفي النوى المعدنية الكثيفة للكواكب مثل الأرض.[29] كما أنه شائع جدًا في الكون، مقارنةً بالمعادن المستقرة الأخرى ذات الوزن الذري نفسه تقريبًا.[29][30] يُعد الحديد سادس أكثر العناصر وفرة في الكون، وأكثر العناصر المقاومة للحرارة شيوعًا.[31]

على الرغم من إمكانية استخلاص مكسب طاقة ضئيل إضافي عن طريق تصنيع النيكل-62، الذي يتمتع بطاقة ربط أعلى قليلاً من الحديد-56، إلا أن الظروف في النجوم غير ملائمة لهذه العملية. يُفضل إنتاج العناصر في المستعرات العظمى الحديد على النيكل بشكل كبير، وعلى أي حال، لا يزال الحديد-56 يمتلك كتلة أقل لكل نيوكليون من النيكل-62 نظرًا لارتفاع نسبة البروتونات الأخف فيه.[32] لذا، تتطلب العناصر الأثقل من الحديد حدوث مستعر أعظم لتكوينها، وهو ما يتضمن التقاطًا سريعًا للنيوترونات بواسطة نوى الحديد-56 الأولية.[29]

في المستقبل البعيد للكون، وبافتراض عدم حدوث تحلل البروتون، فإن الاندماج البارد الذي يحدث عبر النفق الكمومي سيؤدي إلى اندماج النوى الخفيفة في المادة العادية لتكوين نوى 56Fe. ثم سيؤدي الانشطار وانبعاث جسيمات ألفا إلى تحلل النوى الثقيلة إلى حديد، مما يحول جميع الأجسام ذات الكتلة النجمية إلى كرات باردة من الحديد النقي.[33]

للمزيد عن الحديد /
https://en.wikipedia.org/wiki/Iron

-------------

المراجع

1. "الأوزان الذرية القياسية: الحديد". CIAAW. 1993.
2. ^ بروهاسكا، توماس؛ إيرجيهير، جوهانا؛ بينيفيلد، جاكلين؛ بوهلكه، جون ك.؛ تشيسون، ليزلي أ.؛ كوبلين، تايلر ب.؛ دينغ، تيبينغ؛ دان، فيليب جيه إتش؛ غرونينغ، مانفريد؛ هولدن، نورمان إي.؛ ماير، هارو إيه جيه (4 مايو 2022). "الأوزان الذرية القياسية للعناصر 2021 (تقرير فني من الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية)". الكيمياء البحتة والتطبيقية. doi:10.1515/pac-2019-0603. ISSN 1365-3075.
3. ^ انتقل إلى:
4. a b c Arblaster, John W. (2018). Selected Values of the Crystallographic Properties of Elements. Materials Park, Ohio: ASM International. ISBN 978-1-62708-155-9.
5. ^ انتقل إلى:
6. أ ب ج د هـ غرينوود، نورمان ن.؛ إيرنشو، آلان (1997). كيمياء العناصر (الطبعة الثانية). باتروورث-هاينمان. ص 28. ISBN 978-0-08-037941-8.
7. ^ Ram, R. S.; Bernath, P. F. (2003). "Fourier transform emission spectroscopy of the g4Δ–a4Δ system of FeCl". Journal of Molecular Spectroscopy. 221 (2): 261. Bibcode:2003JMoSp.221..261R. doi:10.1016/S0022-2852(03)00225-X.
8. ^ Demazeau, G.; Buffat, B.; Pouchard, M.; Hagenmuller, P. (1982). "Recent developments in the field of high oxidation states of transition elements in oxides stabilization of six-coordinated Iron(V)". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 491: 60–66. doi:10.1002/zaac.19824910109.
9. ^ لو، ج.؛ جيان، ج.؛ هوانغ، و.؛ لين، هـ.؛ لي، ج.؛ تشو، م. (2016). "التحديد التجريبي والنظري لحالة أكسدة الحديد (VII) في FeO4−". الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية. 18 (45): 31125–31131. Bibcode:2016PCCP...1831125L. doi:10.1039/C6CP06753K. PMID 27812577.
10. ^ Cardarelli, François (2008). Materials Handbook: A Concise Desktop Reference. London: Springer. ص 65. ISBN 1-84628-668-9.
11. ^ انتقل إلى:
12. كونديڤ، إف جي؛ وانغ، إم؛ هوانغ، دبليو جي؛ نعيمي، إس؛ أودي، جي (2021). "تقييم NUBASE2020 للخواص النووية" (ملف PDF). الفيزياء الصينية ج. 45 (3): 030001. doi:10.1088/1674-1137/abddae.
13. ^ انتقل إلى:
14. أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن ه و ي "الحديد". مركز معلومات المغذيات الدقيقة، معهد لينوس باولينغ، جامعة ولاية أوريغون، كورفاليس، أوريغون. أبريل 2016. تم الاطلاع عليه في 6 مارس 2018.
15. ^ انتقل إلى:
16. أ ب ج د هـ و ز ح غرينوود وإيرنشو 1997، ص 1075-79.
17. ^ تاتينو إس، هيروسي ك (2010). "بنية الحديد في اللب الداخلي للأرض". مجلة ساينس. 330 (6002). الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم: 359-361. Bibcode:2010Sci...330..359T. doi:10.1126/science.1194662. PMID 20947762. S2CID 206528628.
18. ^ انتقل إلى:
19. أ. ب. شاماتي، غامينشيف (2014). "الاستقرار الديناميكي للحديد تحت ضغط عالٍ". مجلة الفيزياء. 558 (1). دار نشر IOP: 012013. Bibcode:2014JPhCS.558a2013G. doi:10.1088/1742-6596/558/1/012013.
20. ^ بوهلر، راينهارد (2000). "تجارب الضغط العالي ومخطط الطور لمواد الوشاح السفلي واللب". مراجعات الجيوفيزياء. 38 (2). الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي: 221-245. Bibcode:2000RvGeo..38..221B. doi:10.1029/1998RG000053. S2CID 33458168.