أهداف الدرس

• • أن يتعرف الطالب على أهم استخدامات عناصر السلسلة الانتقالية الأولى.
• • أن يربط بين خاصية العنصر واستخدامه الصناعي.
• • أن يفسر سهولة أكسدة الحديد الثنائي وصعوبة أكسدة الحديد الثلاثي.

الحديد Fe

• أكثر العناصر الانتقالية أهمية اقتصادية.
• يستخدم في صناعة الصلب الذي يدخل في المباني والكباري والسيارات والسكك الحديدية.
• ويحضر في الأفران العالية باختزال خام الهيماتيت بالكوك.
• يُستخلص الحديد في ثلاث مراحل تجهيز الخام، ثم الاختزال، ثم إنتاج الصلب. والتحميص بالتسخين الشديد في الهواء يحول الليمونيت والسيدريت إلى الهيماتيت فترتفع نسبة الحديد، وتتأكسد شوائب الكبريت إلى غاز ثاني أكسيد الكبريت المتطاير.
• في الفرن العالي يولد فحم الكوك غاز أول أكسيد الكربون بالتفاعلين: C + O2 → CO2 ثم CO2 + C → 2CO، ويختزل هذا الغاز الهيماتيت فوق 700°C وفق المعادلة: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2.
• ويطفو خبث السيليكات فوق الحديد المنصهر ليحميه من إعادة الأكسدة.

• وفي فرن مدركس يُستخدم الغاز المائي في دورة مغلقة لإنتاج حديد إسفنجي عالي النقاوة: 2Fe₂O₃ + 3CO + 3H₂ → 4Fe + 3CO₂ + 3H₂O، ويُحضّر الغاز المائي من الميثان بإمرار بخار الماء وثاني أكسيد الكربون عليه: 2CH₄ + CO₂ + H₂O → 3CO + 5H₂.
• ثم يُنقّى الحديد ويُضاف إليه عناصر السبائك في المحول الأكسجيني أو الفرن الكهربي لإنتاج الصلب.

سهولة أكسدة الحديد الثنائي إلى الحديد الثلاثي

• أيون Fe2+ تركيبه 3d6، وأيون Fe3+ تركيبه 3d5.
• التركيب 3d5 نصف ممتلئ، وهو تركيب أكثر استقراراً وطاقة أقل، لذلك يفقد أيون الحديد الثنائي إلكتروناً بسهولة ويتأكسد إلى الحديد الثلاثي.
• أما أكسدة الحديد الثلاثي إلى حالة أعلى فتحتاج إلى طاقة كبيرة لأنها تكسر استقرار التركيب نصف الممتلئ.

• القاعدة المفيدة في الامتحانات التحول إلى التراكيب 3d0 أو 3d5 أو 3d10 يحدث بسهولة لأنه يقود إلى الاستقرار، أما التحول بعيداً عن هذه التراكيب فيحتاج إلى طاقة كبيرة.
• على هذا الأساس يصعب أكسدة Mn²⁺ إلى Mn³⁺ لأن تركيبه 3d⁵ نصف الممتلئ شديد الاستقرار ويقاوم فقد أي إلكترون إضافي، بينما يتأكسد Fe²⁺ إلى Fe³⁺ بسهولة فائقة بمجرد التعرض للهواء الجوي لأن هذا التحول يصل به إلى التركيب 3d⁵.

النحاس Cu

• موصل جيد للكهرباء والحرارة، يستخدم في الأسلاك الكهربائية وأدوات المطبخ والسبائك مثل البرونز (نحاس + قصدير) والنحاس الأصفر (نحاس + زنك).
• يشذ التوزيع الإلكتروني للنحاس فيكون [Ar] 4s1 3d10 بدلاً من [Ar] 4s2 3d9، لأن امتلاء المستوى 3d بعشرة إلكترونات مزدوجة يمنح الذرة تماثلاً إلكترونياً واستقراراً أعلى.
• وهو أول فلز عرفه الإنسان تاريخياً.

• يوجد للنحاس حالتا تأكسد شائعتان هما (+1) و(+2)، والأكثر استقراراً هي (+2).
• ويكون أيون Cu+ عديم اللون، بينما يكون أيون Cu2+ بارامغناطيسياً أزرق اللون.
• ويُستخدم محلول فهلنج، وهو محلول أزرق، في الكشف عن سكر الجلوكوز.

التيتانيوم Ti

• خفيف الوزن، مقاوم للتآكل، شديد الصلابة.
• يستخدم في صناعة الطائرات والمفاصل الصناعية وأدوات الجراحة، وفي صناعة الأصباغ البيضاء (ثاني أكسيد التيتانيوم).
• يُعد التيتانيوم أخف من الصلب بنحو 45%، لكنه يحتفظ بمتانته في درجات الحرارة المرتفعة التي ينهار عندها الألومنيوم، ولذلك يُخلط مع الألومنيوم في صناعة صواريخ الفضاء والطائرات الأسرع من الصوت.
• وهو خامل حيوياً لا يسبب تسمماً ولا يلفظه الجسم البشري، فيُستخدم في زراعة الأسنان والمفاصل.
• ويُستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم بصورة نانوية في كريمات الوقاية من الشمس، لأن دقائقه تمنع نفاذ الأشعة فوق البنفسجية إلى الجلد.

الكروم Cr

• يستخدم في الطلاء الكهربي لحماية الحديد من الصدأ، وفي صناعة الصلب الذي لا يصدأ (ستانلس ستيل) بنسبة 18% كروم و8% نيكل.
• مركباته تستخدم في دباغة الجلود والأصباغ.
• الكروم فلز نشط كيميائياً، لكنه يقاوم العوامل الجوية لأنه يكوّن على سطحه طبقة أكسيد مجهرية متماسكة وغير مسامية، حجم جزيئاتها أكبر من حجم ذرات الفلز، فتمنع استمرار الأكسدة.
• وتُعرف هذه الظاهرة بالخمول الكيميائي.
• ومن مركباته المهمة أكسيد الكروم الثلاثي Cr₂O₃ الذي يدخل في صناعة الأصباغ، وثاني كرومات البوتاسيوم K₂Cr₂O₇ البرتقالية، وهي مادة مؤكسدة قوية تُستخدم في المعامل.

المنجنيز Mn

1. يستخدم في صناعة سبائك الصلب المقاوم للصدمات
2. وفي صناعة البطاريات الجافة
3. وفي إزالة اللون الأخضر من الزجاج.

• لا يُستخدم المنجنيز نقياً لهشاشته الشديدة، بل يُستعمل دائماً في صورة سبائك أو مركبات.
• فسبيكة الحديد مع المنجنيز (الفيرومنجنيز) أصلب من الصلب وتدخل في خطوط السكك الحديدية، وسبيكة المنجنيز مع الألومنيوم تُستخدم في علب المشروبات لمقاومتها التآكل.
• ثاني أكسيد المنجنيز MnO₂ عامل مؤكسد قوي في العمود الجاف، وبرمنجانات البوتاسيوم KMnO₄ مادة مؤكسدة ومطهرة شهيرة ذات لون بنفسجي.

الكوبالت Co

• يستخدم في السبائك المغناطيسية القوية، وفي صناعة بطاريات الليثيوم، وفي الأصباغ الزرقاء.
• يشبه الكوبالت الحديد في خواصه المغناطيسية وقابليته للتمغنط، لذلك يدخل في صناعة مغناطيسات حديثة قوية.
• وللكوبالت نظائر مشعة أهمها الكوبالت-60 الذي يطلق أشعة جاما ذات نفاذية عالية، وتُستخدم هذه الأشعة في حفظ الأغذية وعلاج الأورام الخبيثة والكشف عن عيوب لحام المعادن.

النيكل Ni

• يستخدم في السبائك المقاومة للتآكل والحرارة، وفي طلاء المعادن، وفي العملة المعدنية.
• النيكل فلز لامع يقاوم الصدأ والأحماض.
• وتدخل سبائك النيكل مع الكروم في صناعة ملفات التسخين والأفران الكهربية لتحملها الحرارة العالية.
• ومن استخداماته أيضاً بطاريات النيكل-كادميوم القابلة لإعادة الشحن.
• أيون Ni²⁺ يحتوي على إلكترونين مفردين في المستوى 3d، فهو بارامغناطيسي ومُلوّن.

الخارصين Zn

• يستخدم في جلفنة الحديد لحمايته من الصدأ، وفي صناعة البطاريات، وفي السبائك مثل النحاس الأصفر.
• يدخل أكسيد الخارصين ZnO في صناعة الدهانات والمطاط ومستحضرات التجميل، أما كبريتيد الخارصين ZnS فيُستخدم في شاشات الأشعة السينية والطلاءات المضيئة.

الفاناديوم V

1. يضاف إلى الصلب لزيادة صلابته ومقاومته للصدمات
2. ويستخدم أكسيده حفازاً في تحضير حمض الكبريتيك.

• يُضاف الفاناديوم بنسبة ضئيلة إلى الصلب فيكسبه قساوة ومقاومة للتآكل والإجهاد الميكانيكي، ولذلك يدخل في صناعة الزنبركات وممتصات صدمات السيارات.
• أشهر مركباته خامس أكسيد الفاناديوم V2O5، وهو يدخل أيضاً في صباغة السيراميك والزجاج.
• وتتراوح حالات تأكسد الفاناديوم بين (+2) و(+5)، فأيون V3+ بارامغناطيسي أخضر، بينما أيون V5+ ديامغناطيسي.

تقييم سريع

• 1- فسر يستخدم الكروم في طلاء الحديد.
• 2- لماذا يعتبر الحديد الثلاثي أكثر استقراراً من الحديد الثنائي؟
• 3- اذكر استخدامين صناعيين للتيتانيوم مع ذكر السبب.