هل الحديد عنصر .. خصائص الحديد وأنواعه وإستخداماته
يؤدي الحديد دورًا هامًا في تشكيل القشرة الأرضية حيث يمثل 5% منها، بالإضافة إلى تواجده في المجموعة الثامنة في الجدول الدوري في خانة الفلزات، ويعتبر الحديد أحد المكونات الهامة في هيموغلوبين الدم. لذلك، سنناقش في مقالنا على موسوعة ونعرف هل الحديد عنصرًا.
تعتبر الحديد ضروريًا للكائنات الحية والنباتات، حيث يؤثر على إنتاج الكلوروفيل في النباتات، ويتواجد في دم الكائنات الحية على شكل بروتين لا يمكن الاستغناء عنه، كما يتواجد بكثرة في الطبيعة، ويعتبر في المستوى الثاني من العناصر الوفيرة بعد الألمنيوم، وفي المستوى الرابع بعد الأكسجين والسيليكون والألومنيوم.
تم اكتشاف الحديد منذ 5000 سنة عن طريق النيازك، وهو أكثر المعادن اكتشافًا، إذ يعتبر اللب الداخلي للأرض، كما يستخدم الحديد في العديد من الصناعات وله استخدامات عديدة، ويُعد مصدرًا هامًا للأعمال الهندسية والمعمارية، حيث يتم بناء المنازل والمصانع والجوامع وغيرها من المباني باستخدامه، كما يستخدم في العديد من الصناعات المصرية، ولذلك يجب استغلال هذه الثروة الموجودة في مصر بشكل صحيح وأكثر إنتاجية للتقدم نحو المستقبل.
هل الحديد عنصر
يعتبر الحديد عنصراً كيميائياً ينتمي إلى المجموعة الثامنة في الجدول الدوري الحديث، ويتميز بأنه واحد من المعادن الأكثر شهرة وانتشارًا في الصناعات. فهو يأتي في المرتبة الرابعة في القشرة الأرضية، ويتواجد في الطبيعة بصورة أكاسيد وسبائك معدنية، ويختلط بعناصر أخرى لتصنيع العديد من المنتجات التي نستخدمها يوميًا.
تاريخ تكوين الحديد
- تمكن الإنسان من اكتشاف الحديد من خلال النيازك، وتم اكتشاف النجوم بكثرة قبل 5000 سنة.
- يقال أن الحيثيين هم أول من عرفوا الحديد في عام 1400 قبل الميلاد، وقاموا بابتكار طرق وأساليب عدة لتحسينه واستخدامه في الأسلحة الحربية القديمة للدفاع عن أنفسهم، وكذلك قدمت الصين والهند في ذلك الوقت العديد من الأساليب والطرق لاستخراج الحديد واستخلاصه.
- عرفت الحضارات القديمة المعدن الحديد وتوصلت إلى طرق تصنيعه واستخدامه بشكل صحيح، وذلك في بداية القرن العاشر قبل الميلاد.
- توصلت البشرية إلى طريقة لإعادة تسخين وتبريد الحديد وتشكيله المستخلص لإنتاج الحديد المطاوع والتخلص من الشوائب وخصوصًا الكربون، وذلك عن طريق تسخين خام الحديد مع عنصر الفحم النباتي في فرن مجمرة تسبه الطبق، وبعد ساعات من عملية التسخين يفقد الحديد الأكسجين ويتحول إلى كربون يتطاير في الهواء، وحينئذ يتحول الحديد إلى فلز الحديد ويصبح ذو مظهر لامع.
- تم تطوير هذا الفرن من قبل سكان منطقة كتالونيا، وتم تحقيق تقدم كبير في الإنتاج والصناعة عن طريق الوصول إلى فرن يقوم بضغط الهواء إلى الداخل عند قاعدته، ويدفع الهواء الداخلي بواسطة الطاقة المائية.
- في القرن الثامن عشر الميلادي، كان البريطانيون يعانون من نقص في الأخشاب، لذلك بدأوا في استخدام الكوك بدلاً من الفحم النباتي، في حين لم تكن دول أوروبا متقدمة في صناعة الحديد واكتشاف طرق جديدة لاستخراجه.
أنواع الحديد
تختلف صورة تواجد الحديد من مكان إلى آخر، ففي جسم الإنسان يوجد على شكل بروتين، وفي النبات يلعب دورًا هامًا حيث يساعد الكلوروفيل المسؤول عن عملية البناء الضوئي على امتصاص أشعة الشمس، ويستخدم في عدة صناعات ومجالات مختلفة، حيث تنتج المصانع أنواعًا مختلفة من الحديد مثل حديد السبائك وحديد الصلب وحديد المشغول.
حديد السبائك
يسمى حديد الزهر هذا النوع بسبب احتوائه على نسبة عالية من الحديد، ويتكون من عناصر أخرى مثل الكربون والماغنسيوم والفسفور، ويتم صبه في قوالب ثم يترك حتى يبرد ويصبح صلباً بعد أن كان في حالة سائلة، ويتوفر في أربعة أنواع وهي حديد زهر رمادي وحديد زهر أبيض وحديد زهر مطاوع وحديد زهر مرن.
يتميز حديد السبائك عن غيره في العديد من المميزات أهمها:
- يستخدم على نطاق واسع في البناء بسبب هيئته وشكله، حيث يمكن استخدامه لبناء جسور حديدية.
- يستخدم في صناعة الفولاذ، حيث يتم صهر الحديد في الفرن وعند درجة حرارة محددة يتحول الحديد إلى الفولاذ.
- تم استخدامه في بناء مبنى الكابيتول في العاصمة واشنطن.
- يمكن استخدامه في صناعة الأدوات التي لا تتحمل الكسر، نظراً لأنه هش وغير مقاوم للصدأ، مثل أنابيب المياه وأنابيب الغاز.
الحديد المطاوع
يتضمن الحديد المطاوع نسبة 0.15٪ من الكربون، وهو نوع من الحديد غير النقي، وقد كان المعماري غوستاف إيفل أول من استخدم الحديد المطاوع في البناء.
يتم صهر حديد الزهر مع الجير عند درجة حرارة معينة للحصول على الحديد المطاوع، ثم يُصب الخليط في قوالب للحصول على الحديد المشغول الذي يتميز بخصائصه الخاصة:
- يستخدم الحديد المطاوع في العديد من التطبيقات، بما في ذلك صناعة المواد المعدنية والمسامير التي نستخدمها يوميًا، والتي تدخل في صناعة مواد أخرى، بالإضافة إلى استخدامه في صناعة الأبواب.
- يمكن تشكيل الحديد المطاوع بسهولة لأنه يتميز بقوة شد عالية تتجاوز قوة شد حديد السبائك، حيث يتراوح إجهاد الشد فيه بين 3000-3400 كجم/سم2.
- تستخدم قضبان التسليح التي تُستخدم في البناء في صناعتها.
- يستخدم في صناعة المغناطيسات الكهربائية في الأجهزة الكهربائية.
حديد الصلب
يعرف الحديد الخام بأنه الفولاذ أو الحديد الخام، ويتم الحصول عليه عن طريق تسخين خام الحديد في فرن على شكل أسطوانة يصل ارتفاعه إلى 30-60 مترًا، ويسمى بذلك لأنه يتم صبه عند إنتاجه بشكل محدد، ويصنف كأحد أنواع الحديد الأكثر صعوبة في التشكيل، ومن خصائصه:
- يحتوي على عنصر الكربون بنسبة 3-5%.
- يستخدم الحديد الصلب في صناعة الصمامات والأنابيب.
- يتم تنقية الحديد من الشوائب الموجودة داخله عن طريق خلط الحديد الصلب مع الحجر الجيري.
هل الفولاذ عنصر
يُعرَفُ الفولاذ بأنه سبيكة تتألف من عنصري الكربون والحديد بنسب مختلفة، حيث تتراوح نسبة الكربون فيه بين 0.2% و 2.1%، ولا يوجد له عنصر كيميائي يمكن أن يمثله. وهناك أنواع مختلفة من الفولاذ مثل الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي والستانلس وفولاذ الأدوات، وقد سبق لنا أن ذكرنا أن الحديد هو عنصر، ولكن عند خلطه مع الكربون يتحول إلى نوعٍ من أنواع الفولاذ. ومن بين خصائص الفولاذ:
- كثافته: تقدر كثافته بنحو (1.0519) kg/dm3
- التوصيل الحراري له:11.2 ÷ 48.3 W/mK
خصائص الحديد
يوجد في القشرة الأرضية عدد لا يحصى من العناصر المعدنية، حيث تتميز المعادن بخصائصها الكهربائية والحرارية، وبالتالي فإنها تستخدم في العديد من التطبيقات. ومثل أي عنصر آخر في الجدول الدوري، تتميز الحديد بخواص ميكانيكية وكيميائية وفيزيائية:
الخواص الميكانيكية للحديد
تعني الخواص الميكانيكية تأثير الضغط والإجهاد على المادة وكيفية استجابتها لهما، مثل:
المرونة
يُعرف المرونة بأنها القدرة التي يمتلكها الحديد على تغيير شكله عند تعرضه لقوة خارجية أو إجهاد خارجي، وعندما يتم إزالة هذه القوة يعود إلى وضعه الأصلي.
الصلابة والمتانة
تشير صلابة الحديد إلى قدرته على مقاومة الإجهاد الخارجي وعدم تلفه أو تآكله.
اللدونة
قابلية الحديد على الطرق والتشكيل.
المقاومة
هي القدرة الخاصة بالحديد على التحمل والمقاومة للقوى الخارجية مثل الحمل أو الضغط دون تغير حالته أو تحطمه.
معالجة حرارية
يتم استجابة الحديد لبعض العمليات التي تتم عليه مثل التبريد والتسخين، وذلك لإكساب الحديد صفات جديدة.
الخواص الكيميائية للحديد
تعني الخواص الكيميائية الخصائص التي تظهر على المادة عندما تتفاعل مع مواد أخرى ويحدث تغيير في تركيبها الداخلي، بالإضافة إلى معرفة سلوك المادة ووصفها عند تعرضها لبعض المواد التي يمكن أن تتفاعل معها مثل الماء والقواعد والحوامض والأكاسيد وغيرها:
- عندما يتفاعل الحديد مع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون الموجودين في الهواء، يتكون ما يسمى بصدأ الحديد.
- يتفاعل الحديد مع الأحماض المخففة، مثل حمض Hcl، ويذوب فيها.
- يتفاعل الحديد مع الكلور والسيليكون والألومنيوم لتشكيل سبائك الحديد.
- تنتج الصناعة أكاسيد الحديد الثلاثة المستخدمة من اتحاد الحديد مع عدد من ذرات الأكسجين.
الخواص الفيزيائية للحديد
هي الخصائص التي يمكن استخدامها لوصف المادة، وتُقدَّر بدون حدوث أي تغيير في المادة، مثل:
- كتلته: 55.845 جرام/مول.
- العدد الذري له: 26
- درجة الانصهار: ينصهر الحديد عند 1.538 درجة مئوية.
- كثافته: 7.874 جرام/سم3
- درجة الغليان: يغلي الحديد عند 2.861 درجة مئوية.
- تكافؤ الحديد: يتراوح بين -2 و +6
استخدامات الحديد
“أظهرت الإحصاءات في العديد من الدول المتقدمة ارتباطًا سلبيًا بين كمية استهلاك المجتمع من الحديد واستخداماته والتقدم الاقتصادي، حيث يزداد التقدم الاقتصادي كلما زاد معدل إنتاج الحديد، ويلعب الحديد دورًا هامًا في الصناعة بسبب تعدد استخداماته وسهولة تشكيله
تُعَدُّ صناعة الحديد والصلب من أهم الصناعات الاستراتيجية، حيث تلعب دورًا رئيسيًا في التنمية الصناعية والاقتصادية. وتشير البيانات الإحصائية لفترات زمنية في العديد من الدول ذات المستوى الاقتصادي المتفاوت إلى وجود علاقة طردية بين كمية استهلاك منتجات الصلب ونمو الاقتصاد الدولي. ومن بين أهم استخدامات الصلب:
استخدام حديد السبائك في الصناعة
- يتم استخدام حديد السبائك المقاوم المتين في العديد من الصناعات الهامة، مثل الصناعات المنزلية، حيث يستخدم في صناعة المزاريب المستخدمة لطرد المياه والمواقد، ويستخدم في تركيب أعمدة الإنارة.
الحديد في مجالات متنوعة
- تستخدم الحديد في الصناعات الرياضية، حيث يتم استخدامه في صنع الألعاب الرياضية والمعدات والأجهزة المساعدة لفقدان الوزن.
- بالإضافة إلى استخدام الحديد في صناعة وسائل النقل مثل السيارات والحافلات والدراجات.
- يعتبر الحديد ضروريًا في المصانع، حيث لا يمكن استخدام الآلات بكفاءة ومتانة وقوة تتحمل القوى والتأثيرات الكبيرة المحيطة بها دونه.
- يتم صنع المغناطيس الذي يستخدم في الأدوات الكهربائية من الحديد وسبائكه.
- تصنع كراسي الحدائق العامة المريحة من الحديد لتتحمل الاستخدام الشديد والتغيرات المناخية التي يتعرضون لها.
- يستخدم الحديد في صناعة المعالم الأثرية مثل التماثيل والمباني القديمة ذات التراث العريق، حيث يتم الحفاظ عليها من التلف.
استخدامات أكاسيد الحديد
- يلعب أكسيد الحديد الثلاثي دورًا هامًا في صناعة المركبات الكيميائية الصناعية، كما يستخدم في تركيب بعض أنواع الطلاء، ويمكن استخدامه أيضًا في صناعة شرائط الكاسيت.
- يتم الحصول على الصبغة الخضراء المستخدمة في تلوين الزجاج عن طريق استخدام أكسيد الحديد الثنائي، الذي يجعل الزجاج يبدو مريحًا للنظر من خلاله، ويتم استخدامه في زجاج البيوت بشكل آمن وسلسلة.
صناعة الفولاذ
- يتم استخدام الحديد في صناعة الفولاذ المتعدد الاستخدامات، حيث يتميز بمقاومته للتآكل والصدأ، ولذلك يتم استخدامه بكثرة في صناعة المجوهرات وأدوات المطبخ، بالإضافة إلى أدوات الجراحة والمحامل.
- يُعَدّ الفولاذ الكربوني عنصرًا مهمًا في مجال الهندسة، حيث يتألف من سبيكة الحديد والكربون، ويمكن خلطه بالكروم أو النيكل واستخدامه مباشرة في الأعمدة الكهربائية وصناعة أدوات القطع.
عنصر الحديد في الجسم
- لونه: لونه يختلف بين الرمادي والفضي.
- يحمل الحديد أهمية كبرى في جسم الكائن الحي حيث يعمل على نقل الأكسجين المتنفس له من الرئتين ونقله عبر الدم إلى الخلايا المختلفة في الجسم، وعند وصول الأكسجين إلى الخلايا، يترك الحديد الأكسجين ويحمل ثاني أكسيد الكربون وينقله إلى الرئتين للتخلص منه خارج الجسم.
- إضافة إلى إنتاج الخلايا الحمراء في الجسم، يحتاج الجسم إلى الحديد بكميات محدودة وتختلف تلك الكميات من شخص لآخر.
- نقص الحديد في الجسم يسبب العديد من الأمراض والمشاكل الصحية، مما يستدعي تدخل الطبيب، حيث تشمل بعض المشاكل التي يسببها هذا النقص الشعور بالتعب والإرهاق الشديد، مما يؤدي إلى حدوث هبوط مفاجئ، بالإضافة إلى فقر الدم وضعف المناعة.
- الحديد يلعب دورًا هامًا في تكوين الهيموجلوبين في الدم، ويتحمل مسؤولية نقل الأكسجين الضروري إلى أجزاء الجسم الأخرى.
- يتمثل الرمز الكيميائي للحديد داخل الجدول الدوري بالحروف fe وهي اختصار للكلمة اللاتينية ferrum.
قمنا في مقالنا بشرح كل ما يتعلق بالحديد، وهو العنصر الضروري الذي لا يمكن للبشرية الاستغناء عنه، حيث يمتلك أهمية كبيرة للكائنات الحية وغيرها، وتم استعراض أهمية الحديد كعنصر في الجدول الدوري والتأثير الذي يلعبه في حياة الإنسان والكائنات الحية، كما تم شرح استخداماته المتعددة في مجالات مختلفة، وذلك من خلال الموسوعة العربية الشاملة.
كيفية تحويل الحديد إلى فولاذ والفرق بين كل منهما
