فيديو الدرس: خواص وتفاعلات الحديد وأكاسيده الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على خواص الحديد وأكاسيده. وسنلقي نظرة على بعض تفاعلاتهما. لنبدأ بالحديد.

الحديد فلز شديد الأهمية للاقتصاد، ويستخدم في العديد من التطبيقات. نادرًا ما يستخدم الحديد في صورة فلز نقي، وإنما يسبك عادة مع عناصر أخرى، مثل الكربون في الصلب. يتكون حوالي خمسة بالمائة من القشرة الأرضية من هذا العنصر الانتقالي. يوجد الحديد في الخامات الموجودة في القشرة الأرضية. وتشمل الخامات المهمة التي نستخلص منها فلز الحديد الهيماتيت، والليمونيت، والمجنيتيت، وهو الخام المغناطيسي، والسيدريت.

والآن بعد أن عرفنا بعض المعلومات عن الحديد، لنلق نظرة على بعض خواصه. الحديد النقي لين ومنخفض الصلادة نسبيًّا. نميل عادة إلى التفكير في الحديد على أنه متين وصلد. لكن تذكر أنه يسبك بشكل شبه دائم مع عناصر أخرى لتحسين متانته وخواصه الأخرى. ومثل الفلزات الأخرى، الحديد قابل للطرق إلى حد ما ويمكن طرقه على شكل صفائح مستوية. ويمكن سحب الحديد على شكل أسلاك رفيعة، لذا نقول إنه قابل للسحب.

الحديد مغناطيسي. فهو يتفاعل مع المجال المغناطيسي وينجذب إليه. والحديد مغناطيس دائم، ما يعني أن له مجالًا مغناطيسيًّا في حد ذاته. ينصهر الحديد عند 1538 درجة سلزية، وهي درجة انصهار أعلى كثيرًا من درجة انصهار العديد من الفلزات النقية الأخرى، وأعلى كثيرًا من درجة انصهار العديد من السبائك. ماذا عن كثافته؟ تساوي كثافة الحديد 7.87 جرامات لكل سنتيمتر مكعب وهو أشد كثافة كثيرًا من الألومنيوم، على سبيل المثال، الذي تساوي كثافته 2.7 جرام لكل سنتيمتر مكعب، لكنه أقل كثافة من النحاس.

والآن، دعونا نناقش الخواص الكيميائية للحديد وكيفية تفاعله. تعتمد كيفية تفاعل أي عنصر على تركيبه الإلكتروني أو توزيعه الإلكتروني. هذا هو التوزيع الإلكتروني للحديد. يفقد الحديد إلكترونات عندما يتفاعل مع المواد الأخرى. حالتا التأكسد الشائعتان اللتان يكونهما الحديد عندما يتفاعل هما موجب اثنين وموجب ثلاثة. ها هو التوزيع الإلكتروني لـ ‪Fe2+‬‏. فقد إلكترونا الغلاف الفرعي 4s. وها هو التوزيع الإلكتروني لـ ‪Fe3+‬‏. فقد إلكترونا الغلاف الفرعي 4s، وإلكترون بالغلاف الفرعي 3d. في كثير من الأحيان، تجعل أيونات ‪Fe2+‬‏ في المحلول لون المحلول أخضر باهتًا، بينما تظهر أيونات ‪Fe3+‬‏ في المحلول عادة باللون البني المائل إلى البرتقالي أو البني المحمر.

والآن، لنفرغ بعض المساحة لنتناول الخواص الكيميائية للحديد أو تفاعلاته بتعمق أكثر. عند تسخين الحديد إلى درجة الاحمرار، فإنه يتفاعل مع الأكسجين. ويكون الناتج مركب ‪Fe3O4‬‏ المغناطيسي الأسود. ويمكن أن يكون هذا الأكسجين أكسجينًا نقيًّا أو من الهواء الجاف. مع الماء الغازي أو الماء في صورته البخارية، ينتج الحديد الأحمر الساخن أيضًا أكسيد الحديد المغناطيسي، هذا بالإضافة إلى غاز الهيدروجين. مع اللافلزات، مثل الكلور والكبريت، لا بد من توفير طاقة لهذه التفاعلات. وينتج الكلوريد أو الكبريتيد المناظر.

مع الكلور، يكون التفاعل هو اثنان ‪Fe‬‏ صلب زائد ثلاثة ‪Cl2‬‏ غاز يسخنان لينتجا اثنين ‪FeCl3‬‏ صلب. حالة تأكسد الحديد هنا هي موجب ثلاثة. والاسم الشائع لهذا الناتج هو كلوريد الحديد‪‎‬‏يك. في حالة التفاعل مع الكبريت، تكون المعادلة هي ‪Fe‬‏ صلب زائد ‪S‬‏ صلب يسخنان لينتجا ‪FeS‬‏ صلب. حالة تأكسد الحديد في الناتج هي موجب اثنين. والاسم الشائع لهذا الناتج هو كبريتيد الحديدوز. غالبًا ما تستخدم اللاحقتان «ـيك» و«ـوز» مع حالات التأكسد هذه.

يمكن أن يتفاعل الحديد مع الأحماض المعدنية المخففة. والمعادلة العامة هي فلز زائد حمض مخفف يعطيان ملحًا وغاز الهيدروجين. مع حمض الهيدروكلوريك المخفف، ينتج ملح الكلوريد المناظر، بالإضافة إلى الحديد في حالة التأكسد موجب اثنين، وهو كلوريد الحديدوز. مع حمض الكبريتيك المخفف، مرة أخرى يكون ناتج الحديد في حالة التأكسد موجب اثنين، وهذا يسمى كبريتات الحديدوز، أو كبريتات الحديد الثنائي وفقًا لنظام تسمية الأيوباك ‪(IUPAC)‬‏.

لكن عندما يتفاعل الحديد النقي مع حمض الكبريتيك المركز الساخن، تتكون نواتج مختلفة قليلًا. فينتج ملحا حديد مختلفان، أحدهما في حالة التأكسد موجب اثنين، والآخر في حالة التأكسد موجب ثلاثة. ومعادلة التفاعل هي ثلاثة ‪Fe‬‏ صلب زائد ثمانية ‪H2SO4‬‏ سائل يسخنان لينتجا ‪FeSO4‬‏ مائي زائد ‪Fe2(SO4)3‬‏ مائي زائد أربعة ‪SO2‬‏ غاز زائد ثمانية ‪H2O‬‏ غاز. وسبب وجود ناتجين مختلفين من الحديد مع حمض الكبريتيك المركز الساخن، ولكن ناتجًا واحدًا فقط من الحديد مع حمض الكبريتيك المخفف يرجع إلى الطبيعة المؤكسدة لحمض الكبريتيك. يتأكسد الحديد إلى ‪Fe2+‬‏ بحمض الكبريتيك المخفف. لكن مع حمض الكبريتيك المركز الساخن، يكون الحمض مؤكسدًا بدرجة كبيرة لدرجة أن بعض ‪Fe2+‬‏ يمكن أن يتأكسد أيضًا إلى ‪Fe3+‬‏.

لنلق نظرة على تفاعل أخير للحديد النقي. عندما يتفاعل الحديد النقي مع حمض النيتريك المركز، تتكون طبقة على سطح الحديد. وتكون طبقة السطح غير نشطة أو غير تفاعلية. ينتج التفاعل طبقة أكسيد رقيقة تطلي سطح الفلز. وتمنع هذه الطبقة الفلز الموجود تحتها من التفاعل أكثر من ذلك. عملية معالجة سطح الفلز هذه، التي تجرى باستخدام حمض عادة لجعله غير نشط أو غير تفاعلي، تسمى التخميل. ونقول إن سطح الفلز قد جرى تخميله أو جعله خاملًا. لن نتناول المعادلة الكيميائية الخاصة بهذا التفاعل. ويعد التخميل مفيدًا في منع الصدأ أو إبطائه.

تعرفنا حتى الآن على الحديد وخواصه، وتناولنا بعض تفاعلاته. لنوجه تركيزنا الآن إلى أكاسيد الحديد. أكاسيد الحديد الثلاثة التي سنناقشها هي ‪FeO‬‏، الذي يسمى وفقًا لنظام تسمية الأيوباك بأكسيد الحديد الثنائي، والاسم الشائع له هو أكسيد الحديدوز؛ و‪Fe2O3‬‏، الذي يسمى وفقًا لنظام تسمية الأيوباك بأكسيد الحديد الثلاثي، والاسم الشائع له هو أكسيد الحديديك؛ و‪Fe3O4‬‏، الذي يعرف بأكسيد الحديد الثنائي والثلاثي، ويسمى أحيانًا أكسيد الحديدوز-حديديك.

نعلم أن الحديد في أكسيد الحديدوز يكون في حالة التأكسد موجب اثنين. وهو مادة صلبة سوداء توجد عادة في صورة مسحوق. وهو غير قابل للذوبان في الماء، ويسمى الخام المعدني الذي يوجد فيه ويستيت. الويستيت ليس بالقدر نفسه من الأهمية الاقتصادية مثل خامات الحديد الأخرى. ويرجع ذلك إلى أن معظمه موجود في وشاح الأرض وليس في القشرة. ووشاح الأرض أعمق كثيرًا من القشرة، ومن ثم يصعب الوصول إليه بشكل أكبر.

أكسيد الحديديك مادة صلبة لونها بني محمر. وهو المكون الرئيسي للصدأ. كما أنه غير قابل للذوبان في الماء. وهو واسع الانتشار في الطبيعة في خام الهيماتيت. والهيماتيت لونه أسود محمر. وهذا الخام هو المصدر الرئيسي للحديد في صناعة الصلب، ومن ثم فهو خام شديد الأهمية. ونظرًا للون البني المحمر الجميل لأكسيد الحديد هذا، فإنه يستخدم عادة في صبغات الدهان. ونعرف أن حالة تأكسد الحديد في هذا المركب هي موجب ثلاثة.

أكسيد الحديد الأخير الذي سنتناوله مثير للاهتمام. في ‪Fe3O4‬‏، يكون لأيونات الحديد حالتا تأكسد مختلفتان: موجب اثنان وموجب ثلاثة. وينظر إليه غالبًا باعتباره أكسيد ‪Fe2+‬‏ وأكسيد ‪Fe3+‬‏ مخلوطين معًا في صورة مركب متحد. وتكتب صيغته أحيانًا على الصورة ‪FeOFe2O3‬‏. لكننا سنبسطها ونقول ‪Fe3O4‬‏. هذا الأكسيد مادة سوداء صلبة، ويستخدم صبغة سوداء. وهو مغناطيسي بقوة، ويوجد في الطبيعة في خام المجنيتيت، وهو خام الحديد الأكثر شيوعًا.

أصبحنا الآن نعرف بعض المعلومات عن أكاسيد الحديد وكذلك بعض خواصها الفيزيائية. لنلق الآن نظرة على تفاعلاتها الكيميائية. وسنناقش أيضًا كيفية تحضيرها. لنبدأ بأكسيد الحديد الثنائي. كيف يحضر؟ يحضر ‪FeO‬‏ بالتحلل الحراري لأكسالات الحديد الثنائي في وسط خامل، أي في غياب الهواء. هذا هو تركيب أكسالات الحديد الثنائي، والنواتج الثانوية هي غازا أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.

يمكن أيضًا تحضير ‪FeO‬‏ عند اختزال بعض أكاسيد الحديد الأخرى. لنلق نظرة على هذا. في هذا التفاعل، يستخدم غاز الهيدروجين عاملًا مختزلًا لتحويل الحديد من حالة التأكسد موجب ثلاثة إلى حالة التأكسد موجب اثنين. وأحيانًا يكون العامل المختزل المستخدم هو أول أكسيد الكربون. معادلة تفاعل اختزال الحديد من حالة التأكسد موجب ثلاثة إلى حالة التأكسد موجب اثنين هي ‪Fe2O3‬‏ صلب زائد ‪H2‬‏ غاز يسخنان لينتجا اثنين ‪FeO‬‏ صلب زائد ‪H2O‬‏ غاز.

والآن لنلق نظرة على هذا التفاعل. مرة أخرى يستخدم غاز الهيدروجين عاملًا مختزلًا. لكن في هذه الحالة، الأكسيد المتفاعل هو أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي. ونحصل على نفس الناتج، وهو أكسيد الحديد الثنائي أو أكسيد الحديدوز. معادلة هذا التفاعل مطابقة للمعادلة السابقة، باستثناء أن الأكسيد المتفاعل مختلف، ومن ثم يكون وزن المعادلة مختلفًا. إذن، هذه ثلاث طرق لتحضير أكسيد الحديد الثنائي.

والآن لنلق نظرة على بعض تفاعلات أكسيد الحديد الثنائي. عندما يكون أكسيد الحديد الثنائي في وجود غاز الأكسجين، ويسخن نظام التفاعل، ينتج ‪Fe2O3‬‏ أو أكسيد الحديد الثلاثي. ومعادلة التفاعل هي أربعة أكسيد الحديدوز يتفاعل مع الأكسجين في وجود حرارة لإنتاج اثنين أكسيد الحديديك. يؤدي الأكسجين إلى تأكسد الحديد من حالة التأكسد موجب اثنين إلى حالة التأكسد موجب ثلاثة. يمكن أن يتفاعل أكسيد الحديد الثنائي مع الأحماض المعدنية المخففة وفقًا للمعادلة العامة الآتية: أكسيد فلز زائد حمض مخفف يعطي ملحًا وماء. على سبيل المثال، يمكن أن يتفاعل أكسيد الحديد الثنائي مع حمض الكبريتيك المخفف. وينتج ملح الكبريتات المناظر بالإضافة إلى الماء السائل.

والآن لننتقل إلى الأكسيد التالي، ‪Fe2O3‬‏. لتحضير أكسيد الحديد الثلاثي، يتفاعل الحديد الثلاثي زائد ملح، مثل كلوريد الحديد الثلاثي، في محلول مع هيدروكسيد، مثل هيدروكسيد الأمونيوم الذي يعرف أيضًا بمحلول الأمونيا. يخرج هيدروكسيد الحديد الثلاثي من المحلول في صورة راسب. إذا سخن هذا الراسب بعد ذلك، فإنه يتفكك ليكون الناتج المطلوب والماء في الصورة الغازية أو بخار الماء.

توجد طريقة أخرى لتحضير أكسيد الحديد الثلاثي، وهي تسخين كبريتات الحديد الثنائي الذي يتفكك ليعطي أكسيد الحديديك بالإضافة إلى أكسيدي كبريت، وهما غاز ثاني أكسيد الكبريت وغاز ثالث أكسيد الكبريت. سنلقي نظرة على تفاعل سريع لأكسيد الحديد الثلاثي، وهو تفاعله مع حمض معدني مركز ساخن. لنأخذ حمض الكبريتيك في هذا المثال. يتفاعل أكسيد الحديد الثلاثي وحمض الكبريتيك معًا في وجود حرارة لينتجا ملح كبريتات الحديد الثلاثي بالإضافة إلى الماء. ومعادلة التفاعل هي ‪Fe2O3‬‏ صلب زائد ثلاثة ‪H2SO4‬‏ سائل يسخنان لينتجا ‪Fe2(SO4)3‬‏ مائي زائد ثلاثة ‪H2O‬‏ غاز.

تناولنا حتى الآن عدة معادلات لتحضير وتفاعل أول أكسيدين من أكاسيد الحديد، وهما أكسيد الحديد الثنائي وأكسيد الحديد الثلاثي. لنلق نظرة الآن على ثلاث معادلات إضافية، وهذه المعادلات تخص الأكسيد الأخير، أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي. بخلاف استخلاصه من خامه، كيف يمكننا تحضير أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي؟

يمكننا تحضير هذا الأكسيد بتفاعل ‪Fe2O3‬‏ أو أكسيد الحديد الثلاثي مع غاز أول أكسيد الكربون. يجب تسخين نظام التفاعل حتى درجة حرارة تصل إلى 300 درجة سلزية تقريبًا. وينتج غاز ثاني أكسيد الكربون بالإضافة إلى أكسيد الحديد المطلوب. لعلك تتساءل عما إذا كان من الأسهل إنتاج هذا الأكسيد بتفاعل الحديد مع الأكسجين من الهواء. نعم، يمكن ذلك، لكننا لن نتناول معادلة هذا التفاعل هنا.

آخر معادلتين سنتناولهما في هذا الفيديو هما معادلتا تفاعل أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي. التفاعل الأول هو تفاعله مع حمض الكبريتيك المركز الساخن، والتفاعل الأخير هو تفاعله مع الأكسجين. فيما يأتي معادلة التفاعل مع حمض الكبريتيك المركز الساخن. لن أقرأ معادلة التفاعل بالكامل مرة أخرى هذه المرة. لكن لاحظ أن هناك ناتجين مختلفين يحتويان على الحديد. كما أن أيونات الحديد في هذين الملحين لها حالات تأكسد مختلفة، وكلاهما يحتوي على أيونات الكبريتات؛ لأن حمض الكبريتيك هو أحد المتفاعلات.

لنتناول التفاعل الأخير. عندما يتفاعل أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي مع الأكسجين ويسخن النظام، ينتج أكسيد الحديديك. لاحظ أن أيونات الحديد الموجودة في حالة التأكسد موجب ثلاثة تظل كما هي. لكن غاز الأكسجين يؤدي إلى تأكسد أيونات الحديد الموجودة في حالة التأكسد موجب اثنين، ويحولها إلى حالة التأكسد موجب ثلاثة. ومن ثم يصبح الحديد كله في حالة التأكسد موجب ثلاثة.

والآن حان الوقت لتلخيص كل ما تعلمناه. تعرفنا على بعض الخواص الفيزيائية للحديد النقي، مثل ليونته النسبية، وقدراته المغناطيسية، ودرجة انصهاره العالية. تعرفنا أيضًا على ثلاث أكاسيد للحديد، وهي أكسيد الحديد الثنائي وأكسيد الحديد الثلاثي وأكسيد الحديد الثنائي والثلاثي، وعرفنا أن الأكسيدين الأخيرين يوجدان في خامات مهمة. وتناولنا العديد من التفاعلات التي يتعذر سردها هنا، لكننا رأينا أن العديد من تفاعلات الحديد وأكاسيده تتطلب وجود طاقة حرارية لتحدث، وأن الحديد وأكاسيده يتفاعلان مع الأحماض لإنتاج أملاح الحديد.