ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك

مقدمة الدرس

يتناول هذا الدرس الحديد، أهم فلزات السلسلة الانتقالية الأولى وعصب الصناعات الثقيلة، من حيث وجوده في الطبيعة، وطرق استخلاصه من خاماته، وإنتاج الصلب والسبائك، وخواص أكاسيده وتفاعلاته.
عند دراسة الحديد اربط كل مرحلة صناعية بالتفاعل الكيميائي الذي يحدث فيها، فأغلب الأسئلة تطلب معادلة أو سببًا أو مقارنة.
فكرة الدرس الجوهرية الحديد يُستخلص من أكاسيده بالاختزال باستخدام أول أكسيد الكربون، ويُنتج الصلب بإزالة الشوائب وإضافة عناصر أخرى.

يوضح فرن الصهر العالي الصناعي كيف تُشحن من الأعلى خامات الحديد والحجر الجيري وفحم الكوك، بينما يُدفع الهواء الساخن إلى القاع عبر فتحات جانبية.
يحترق الكوك بالهواء الساخن فيتكون ثاني أكسيد الكربون، ثم يختزل الكوك الساخن هذا الغاز إلى أول أكسيد الكربون الذي يصعد إلى أعلى بين مواد الشحنة الهابطة.
تحدث عملية الاختزال في المنطقة الوسطى الساخنة وفق المعادلة Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂، فينزع أول أكسيد الكربون الأكسجين من أكسيد الحديد III.
يتجمع الحديد المنصهر في القاع ويُسحب من فتحة الصب، بينما يطفو الخبث فوقه، وهو مخلفات الشوائب المنصهرة مع الحجر الجيري.
الهواء الساخن يوفر الحرارة اللازمة لاحتراق الكوك، والكوك يمد الفرن بالحرارة وبغاز أول أكسيد الكربون الذي يقوم بعملية الاختزال.

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 1 / 13

المصطلحات الأساسية

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	مثال	كلمات مفتاحية
الخام	صخر طبيعي يحتوي على نسبة من المركب المعدني المراد استخلاصه مختلطًا بشوائب	—	طبيعييحتوينسبةالمركب
التحميص		الكبريت والفوسفور	تسخينالخامبشدةالهواء
الاختزال	اكتساب المركب للإلكترونات وفي استخلاص الحديد يتحول أكسيد الحديد إلى حديد حر	—	اكتسابالمركبللإلكتروناتاستخلاص
السبيكة		الكربون	خليطمتجانسيتكونعادة
الحديد الزهر	أحد أنواع الحديد الناتج من الفرن العالي وما زال يحتوي على نسبة من الشوائب	—	أنواعالناتجالفرنالعالي
المادة البارامغناطيسية	مادة تنجذب نحو المجال المغناطيسي بسبب وجود إلكترونات مفردة	—	تنجذبالمجالالمغناطيسيبسبب
المادة الديامغناطيسية	مادة تتنافر مع المجال المغناطيسي لأن جميع إلكتروناتها مزدوجة	—	تتنافرالمجالالمغناطيسيجميع

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 2 / 13

خواص الحديد

يتميز الحديد بأنه قابل للطرق والسحب، ويتأثر في خواصه الفيزيائية بنقائه وبطبيعة الشوائب الموجودة فيه.
يتصهر عند الدرجة 1538 °C، وكثافته 7.87 g/cm³.
يحتل الترتيب الرابع بين العناصر الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، بعد الأكسجين والسيليكون والألومنيوم، بنسبة تقارب 5% من وزن القشرة.
لا يوجد الحديد حرًا في الطبيعة إلا في النيازك، ويوجد غالبًا في خامات تحتوي على أكاسيده.
له خواص مغناطيسية، ومعظم مركباته البارامغناطيسية لوجود إلكترونات مفردة في أوربيتالات d.
تركيبه الإلكتروني [Ar] 3d⁶ 4s²، ويكتسب حالات التأكسد +2 و+3 بصورة أساسية.
حالات التأكسد الأعلى من +3 ليست ذات أهمية، ولا يُظهر الحديد حالة تأكسد تعني فقد جميع إلكترونات المستويين الفرعيين 4s و3d (ثمانية إلكترونات).

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 3 / 13

خامات الحديد الأهم

الخام	الصيغة الكيميائية	نسبة الحديد التقريبية	لون الخام
الهيماتيت	Fe₂O₃	50 – 60%	أحمر داكن
الليمونيت	Fe₂O₃·3H₂O	20 – 60%	أصفر
المجنتيت (المغناطيسي)	Fe₃O₄	45 – 70%	أسود
السيدريت	FeCO₃	30 – 42%	—

المجنتيت أغنى الخامات بالحديد بين هذه الخامات (حتى 70%)
أما الهيماتيت فهو الأوفر في الاستخدام الصناعي المعتاد.

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 4 / 13

مراحل استخلاص الحديد من خاماته

أولًا←تجهيز الخام

التكسيرتصغير حجم الخام للحصول على الحجم المناسب لعمليات الاختزال.

التلبيدربط الحبيبات الدقيقة الناتجة عن التكسير والطحن وتجميعها في كتل أكبر، لأن الخام الناعم لا يصلح للأفران العالية مباشرة.

التركيززيادة نسبة الحديد بفصل الشوائب عن الخام، ويتم ذلك بخاصية التوتر السطحي أو الفصل المغناطيسي أو الفصل الكهربي.

ثانيًاتحسين الخواص الكيميائية (التحميص)

يُسخن الخام بشدة في الهواء لتجفيفه والتخلص من الرطوبة، ولرفع نسبة الحديد فيه.
تُؤكسَد الشوائب مثل الكبريت والفوسفور إلى أكاسيد تتطاير أو تنفصل عن الحديد.
تنبيه التحميص تسخين في الهواء لإزالة الرطوبة وأكسدة الشوائب، وليس مرحلة اختزال.
ثالثًا الاختزال في الفرن العالي أو فرن مدركس

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
بأول أكسيد الكربون	الناتج من فحم الكوك في الفرن العالي	الناتجالكوكالفرنالعالي
بخليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين	(الغاز المائي) الناتج من الغاز الطبيعي الذي تبلغ نسبة الميثان فيه حوالي 93% ويتم ذلك في فرن مدركس	الغازالمائيالناتجالطبيعي
•	معادلات الاختزال	معادلاتالاختزال

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (في الفرن العالي)

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (تحضير الغاز المائي من الغاز الطبيعي)
2Fe₂O₃ + 3CO + 3H₂ → 4Fe + 3CO₂ + 3H₂O (في فرن مدركس)

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 5 / 13

إنتاج الصلب والأنواع المختلفة من الحديد

بعد الاختزال يُنتج الحديد على صورة الحديد الزهر أو الصلب، وتعتمد صناعة الصلب على عمليتين: التخلص من الشوائب الموجودة في الحديد الناتج من الاختزال، ثم إضافة بعض العناصر للحديد لإكسابه الخواص المطلوبة للاستخدامات الصناعية.
تُصنع الصلب في ثلاثة أنواع من الأفران المحولات الأكسجينية، والفرن المفتوح، والقوس الكهربي.

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 6 / 13

السبائك

تعريف السبيكة خليط يتكون عادة من فلزين أو أكثر (مثل الحديد والكروم، والحديد والمنجنيز، والحديد والنيكل)، أو من فلز وعنصر لا فلزي (مثل الكربون).
طرق تحضير السبائك:

صهر الفلزات مع بعضها ثم ترك المنصهر ليبرد تدريجيًا.
الترسيب الكهربي لفلزين أو أكثر في الوقت نفسه، مثل طلاء المقابض الحديدية بالنحاس الأصفر (نحاس + خارصين) من محلول يحتوي أيونات النحاس والخارصين.
لماذا تكون السبيكة أصلب من الفلز النقي؟ الفلز النقي تتكون بلورته من ذرات مرصوصة، وعند الطرق تنزلق طبقات الذرات فوق بعضها. عند إدخال ذرات فلز أصغر في المسافات البينية تُعوق هذه الانزلاقات فتزداد الصلابة.

نوع السبيكة	ما يحدث في التركيب	أمثلة
بينية	ذرات عنصر صغير الحجم تشغل المسافات البينية في شبكة الفلز الأصلي	الصلب (حديد + كربون)
استبدالية	ذرات فلز آخر تحل محل ذرات الفلز الأصلي ولها نفس القطر تقريبًا والشكل البلوري والخواص الكيميائية	الصلب الذي لا يصدأ (حديد + كروم) الذهب والنحاس الحديد والنيكل
مركبات بينفلزية	العناصر تتحد اتحادًا كيميائيًا وتكون مركبًا صلبًا صيغته لا تخضع لقوانين التكافؤ المعروفة والفلزات فيها ليست في مجموعة واحدة بالجدول الدوري	الألومنيوم والنيكل الألومنيوم والنحاس (الديور ألومين) الرصاص والذهب السيمنتيت

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 7 / 13

أكاسيد الحديد وأملاحه الأساسية

المركب	اللون والخواص	طريقة التحضير الأساسية
FeO (أكسيد الحديد II)	أسود لا يذوب في الماء يتأكسد بسهولة في الهواء الساخن	تسخين أوكسالات الحديد II بمعزل عن الهواء أو اختزال الأكاسيد الأعلى بالهيدروجين أو أول أكسيد الكربون عند 400 – 700 °C
Fe₂O₃ (أكسيد الحديد III)	أحمر بني لا يذوب في الماء يُستخدم كلون أحمر في الدهانات يوجد في خام الهيماتيت	تسخين Fe(OH)₃ فوق 200 °C أو تسخين كبريتات الحديد II تسخينًا شديدًا
Fe₃O₄ (أكسيد الحديد المغناطيسي)	أسود مغناطيسي قوي أكسيد مختلط من FeO وFe₂O₃ ويوجد في الطبيعة باسم المجنتيت	تسخين الحديد لدرجة الاحمرار في الهواء أو بخار الماء أو اختزال Fe₂O₃ بأول أكسيد الكربون عند 230 – 300 °C
Fe(OH)₃ (هيدروكسيد الحديد III)	راسب بني محمر	إضافة محلول قلوي إلى محلول أملاح الحديد III

ملاحظة مهمة Fe₃O₄ ليس أكسيد حديد II فقط، بل أكسيد مختلط يحتوي على Fe²⁺ وFe³⁺ معًا.
عند تسخين Fe(OH)₃ إلى أعلى من 200 °C يتحول إلى Fe₂O₃ حسب المعادلة: 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 8 / 13

التفاعلات الكيميائية للحديد

تفاعل الحديد مع العناصر والمواد
3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (عند الاحمرار مع الهواء أو الأكسجين)
3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ (مع بخار الماء عند درجة الاحمرار)

Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (يعطي كلوريد الحديد III)

Fe + S → FeS (يتحد مع الكبريت مكونًا كبريتيد الحديد II)
تفاعل الحديد مع الأحماض

مع الأحماض المعدنية المخففة يعطي أملاح الحديد II فقط، لأن الهيدروجين الناتج يختزل أملاح الحديد III.
Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

مع حمض الكبريتيك المركز الساخن ينتج كبريتات الحديد II وكبريتات الحديد III وثاني أكسيد الكبريت والماء.
3Fe + 8H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + FeSO₄ + 4SO₂ + 8H₂O

حمض النيتريك المركز يسبب خمولًا ظاهريًا للحديد، إذ يكوّن طبقة رقيقة من الأكسيد على السطح تحميه من استمرار التفاعل. ويمكن إزالة هذه الطبقة بالتسخين أو بحمض هيدروكلوريك مخفف.
ثالثًا تفاعلات أكاسيد الحديد مع الأحماض

FeO + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂O

Fe₃O₄ + 4H₂SO₄ → FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O (مع الحمض المركز الساخن
ويدل على أنه أكسيد مركب)

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 9 / 13

قوانين ومعادلات الحساب

النسبة المئوية للحديد في مركب% Fe = (عدد ذرات Fe × الكتلة الذرية للحديد ÷ الكتلة المولية للمركب) × 100 — وحدة الكتلة المولية g/mol.

كتلة الحديد الناتجة من كتلة مركب نقيكتلة الحديد = كتلة المركب × (عدد ذرات Fe × 56) ÷ الكتلة المولية للمركب.

الكتلة الذرية والمولية المستخدمةFe = 56 g/mol، O = 16 g/mol، C = 12 g/mol، وCO = 28 g/mol.

قاعدة المغناطيسيةالمادة تكون بارامغناطيسية إذا كانت بها إلكترونات مفردة، وديامغناطيسية إذا كانت جميع إلكتروناتها مزدوجة.

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 10 / 13

أمثلة ومسائل محلولة بالخطوات

مثال 1 حساب النسبة المئوية للحديد في أكسيد الحديد III
نص المسألة احسب النسبة المئوية للحديد في Fe₂O₃.
الكتلة المولية لـ Fe₂O₃ = (2 × 56) + (3 × 16) = 160 g/mol.
كتلة الحديد في المول = 2 × 56 = 112 g.
النسبة = (112 ÷ 160) × 100 = 70%.
مثال 2 كتلة الحديد الناتجة من خام الهيماتيت النقي
نص المسألة ما كتلة الحديد النقي الناتجة من 800 kg من Fe₂O₃ نقي؟
كتلة الحديد = 800 × 112 ÷ 160 = 560 kg.
مثال 3 كمية أول أكسيد الكربون اللازمة لاختزال Fe₂O₃
نص المسألة ما كتلة CO اللازمة لاختزال 320 g من Fe₂O₃ حسب المعادلة Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂؟
عدد مولات Fe₂O₃ = 320 ÷ 160 = 2 mol.
من المعادلة 1 mol من Fe₂O₃ يحتاج 3 mol من CO، إذن 2 mol تحتاج 6 mol من CO.
كتلة CO = 6 × 28 = 168 g، وكتلة الحديد الناتجة = 4 × 56 = 224 g.

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
مثال 4	تحديد نوع المادة المغناطيسية	تحديدالمادةالمغناطيسية
نص المسألة	أي المواد الآتية ديامغناطيسية وأيها بارامغناطيسية: ذرة الخارصين Zn وأيون النيكل Ni²⁺ وأيون الحديد Fe³⁺ في كلوريد الحديد III؟	الموادالآتيةديامغناطيسيةوأيها
Zn	[Ar] 3d¹⁰ 4s² تكون جميع الإلكترونات مزدوجة إذن ديامغناطيسية	3d¹⁰تكونجميعالإلكترونات
Ni²⁺	[Ar] 3d⁸ بها إلكترونان مفردان إذن بارامغناطيسية	إلكترونانمفردانبارامغناطيسية
Fe³⁺	[Ar] 3d⁵ بها خمسة إلكترونات مفردة إذن بارامغناطيسية	خمسةإلكتروناتمفردةبارامغناطيسية
مثال 5	النسبة المئوية للحديد في أكسيد الحديد المغناطيسي	النسبةالمئويةللحديدأكسيد
•	الكتلة المولية لـ Fe₃O₄ = (3 × 56) + (4 × 16) = 232 g/mol	الكتلةالموليةFe₃O₄
•	النسبة = (168 ÷ 232) × 100 ≈ 72.4% وهي أعلى من نسبة الحديد في Fe₂O₃ (70%)	النسبةأعلىنسبةالحديد

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 11 / 13

أخطاء شائعة وتصحيحها

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
الخطأ 1	كتابة أن الحديد مع حمض HCl المخفف يعطي FeCl₃	كتابةالحديدالمخففيعطي
التصحيح	الصحيح Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ لأن الهيدروجين الناتج يختزل أملاح الحديد III إلى أملاح الحديد II	الصحيح2HClFeCl₂الهيدروجين
الخطأ 2	اعتبار السبيكة مركبًا كيميائيًا ثابت التركيب	اعتبارالسبيكةمركبكيميائي
التصحيح	السبيكة خليط. الاستثناء هو المركبات البينفلزية وهي مركبات صلبة لها صيغة كيميائية محددة	السبيكةخليطالاستثناءالمركبات
الخطأ 3	اعتبار Fe₃O₄ أكسيد حديد II فقط	اعتبارFe₃O₄أكسيدحديد
التصحيح	Fe₃O₄ أكسيد مختلط يحتوي على Fe²⁺ وFe³⁺ لذلك يتفاعل مع الحمض المركز الساخن معطيًا أملاح الحديد II والحديد III معًا	Fe₃O₄أكسيدمختلطيحتوي
الخطأ 4	اعتبار التحميص مرحلة اختزال للخام	اعتبارالتحميصمرحلةاختزال
التصحيح	التحميص تسخين في الهواء لتجفيف الخام وأكسدة الكبريت والفوسفور. الاختزال مرحلة مستقلة تتم بأول أكسيد الكربون أو خليط CO وH₂	التحميصتسخينالهواءلتجفيف

الخطأ 5القول بأن حمض النيتريك المركز يذيب الحديد بسهولة.

التصحيححمض النيتريك المركز يسبب خمولًا ظاهريًا للحديد بتكوين طبقة رقيقة من الأكسيد تحميه من استمرار التفاعل.

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 12 / 13

مراجعة سريعة

الحديد رابع أوفر العناصر في القشرة الأرضية، وأهم خاماته الهيماتيت والمجنتيت والليمونيت والسيدريت.
مراحل الاستخلاص تجهيز الخام (تكسير، تلبيد، تركيز)، ثم التحميص، ثم الاختزال بأول أكسيد الكربون.
الحديد الزهر والصلب ينتجان بعد الاختزال، والصلب يحتاج إلى إزالة الشوائب وإضافة العناصر.
السبائك البينية صغيرة الذرات في الفراغات، والاستبدالية تحل ذراتها محل ذرات الفلز، والمركبات البينفلزية لها صيغة محددة لا تخضع للتكافؤ المعروف.
FeO أسود، Fe₂O₃ أحمر بني، Fe₃O₄ أسود مغناطيسي وهو أكسيد مختلط.
مع الأحماض المخففة يعطي الحديد أملاح الحديد II، ومع الكلور يعطي الحديد III.

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك · 13 / 13

المناهج الدراسية

الكيمياء

الباب الأول - العناصر الانتقالية

الباب الثاني - التحليل الكيميائي

الباب الثالث - الاتزان الكيميائي

الباب الرابع - الكيمياء الكهربية

الباب الخامس - الكيمياء العضوية

دروس إضافية

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك

ملخص الدرس 2: خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك

مقدمة الدرس

المصطلحات الأساسية

خواص الحديد

خامات الحديد الأهم

مراحل استخلاص الحديد من خاماته

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (في الفرن العالي)

إنتاج الصلب والأنواع المختلفة من الحديد

السبائك

أكاسيد الحديد وأملاحه الأساسية

التفاعلات الكيميائية للحديد

Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (يعطي كلوريد الحديد III)

FeO + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂O

قوانين ومعادلات الحساب

أمثلة ومسائل محلولة بالخطوات

أخطاء شائعة وتصحيحها

مراجعة سريعة

أحسنت! أنهيت هذا الدرس