الدرس الرابع: خواص الحديد وتفاعلات أكاسيده الكيميائية

• ليس للحديد النقي أهمية صناعية، فهو لين نسبيًا وليس شديد الصلابة.
• يسهل تشكيله وهو قابل للسحب والطرق.
• له خواص مغناطيسية.
• ينصهر عند 1538°C وكثافته \(7.87 g/\,\text{cm}^{3}\).
• تعتمد خواصه الفيزيائية على درجة نقائه وطبيعة الشوائب الموجودة به.
• يمكن إنتاج عدد هائل من أنواع الصلب وسبائك الحديد لها صفات عديدة تجعلها صالحة لاستخدامات كثيرة.

• يختلف الحديد عن العناصر التي قبله في السلسلة الانتقالية الأولى في أنه لا يعطي حالة تأكسد تدل على خروج جميع إلكترونات المستويين 4s وَ 3d (وعددها ثمانية).
• حالات التأكسد الأعلى من (+3) ليست ذات أهمية.
• حالة التأكسد (+2) تقابل خروج إلكترونَي المستوى الفرعي 4s.
• حالة التأكسد (+3) تقابل التركيب 3d⁵ نصف الممتلئ، وهي حالة ثبات خاصة.

فعل الهواء أو الأكسجين

• يتفاعل الحديد الساخن لدرجة الاحمرار مع الهواء أو الأكسجين ويعطي أكسيد الحديد المغناطيسي:
  • 3Fe(s) + 2O₂(g) → Fe₃O₄(s) (بالتسخين Δ)

  فعل بخار الماء

  • يتفاعل الحديد الساخن لدرجة الاحمرار (500°C) مع بخار الماء ويعطي أكسيد الحديد المغناطيسي وغاز الهيدروجين:
    • 3Fe(s) + 4H₂O(v) → Fe₃O₄(s) + 4H₂(g) (عند 500°C)

• مع الكلور: يعطي كلوريد الحديد III (يرفع الكلور الحديد إلى أعلى حالة تأكسد شائعة):
  • 2Fe(s) + 3Cl₂(g) → 2FeCl₃(s) (بالتسخين Δ)
• مع الكبريت: يتحد معه مكونًا كبريتيد الحديد II:
  • Fe(s) + S(s) → FeS(s) (بالتسخين Δ)

الأحماض المعدنية المخففة

• يذوب الحديد في الأحماض المعدنية المخففة ويعطي أملاح حديد II فقط.
• لا تتكون أملاح حديد III لأن الهيدروجين المتصاعد يختزلها.
  • Fe(s) + H₂SO₄(aq) → FeSO₄(aq) + H₂(g) (حمض مخفف dil.)
  • Fe(s) + 2HCl(aq) → FeCl₂(aq) + H₂(g) (حمض مخفف dil.)

  حمض الكبريتيك المركز الساخن

  • يعطي كبريتات الحديد II وكبريتات الحديد III وثاني أكسيد الكبريت وماء:
    • 3Fe(s) + 8H₂SO₄(l) → FeSO₄(aq) + Fe₂(SO₄)₃(aq) + 4SO₂(g) + 8H₂O(l) (حمض مركز conc. وبالتسخين Δ)

    حمض النيتريك المركز

    • يسبب خمولًا ظاهريًا للحديد: تتكون طبقة رقيقة من الأكسيد على سطح الفلز تحميه من استمرار التفاعل.
    • يمكن إزالة هذه الطبقة بالحك أو باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفف.

التحضير

• بتسخين أوكسالات الحديد II بمعزل عن الهواء:
  • FeC₂O₄(s) → FeO(s) + CO(g) + CO₂(g) (بالتسخين Δ وبمعزل عن الهواء)
• باختزال الأكاسيد الأعلى بالهيدروجين أو أول أكسيد الكربون:
  • Fe₂O₃(s) + H₂(g) → 2FeO(s) + H₂O(v) (عند 400 - 700°C)
  • Fe₃O₄(s) + H₂(g) → 3FeO(s) + H₂O(v) (عند 400 - 700°C)

الخواص

• مسحوق أسود لا يذوب في الماء.
• يتأكسد بسهولة في الهواء الساخن إلى أكسيد الحديد III:
  • 4FeO(s) + O₂(g) → 2Fe₂O₃(s) (بالتسخين Δ)
• يتفاعل مع الأحماض المعدنية المخففة معطيًا أملاح حديد II والماء:
  • FeO(s) + H₂SO₄(aq) → FeSO₄(aq) + H₂O(l) (حمض مخفف dil.)

التحضير

• من محاليل أملاح الحديد III: تضاف إليها قلوي (مثل هيدروكسيد الأمونيوم) فيترسب هيدروكسيد الحديد III ببني محمر، ثم يسخن الهيدروكسيد فوق 200°C فيتحول إلى الأكسيد:
  • FeCl₃(aq) + 3NH₄OH(aq) → Fe(OH)₃(s) + 3NH₄Cl(aq)
  • 2Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃(s) + 3H₂O(v) (عند درجة أعلى من 200°C)
• بتسخين كبريتات الحديد II:
  • 2FeSO₄(s) → Fe₂O₃(s) + SO₂(g) + SO₃(g) (بالتسخين Δ)

الوجود

• يوجد في الطبيعة في خام الهيماتيت.

الخواص

• لا يذوب في الماء.
• يستخدم كلون أحمر في الدهانات.
• يتفاعل مع الأحماض المعدنية المركزة الساخنة معطيًا أملاح حديد III والماء:
  • Fe₂O₃(s) + 3H₂SO₄(l) → Fe₂(SO₄)₃(aq) + 3H₂O(v) (حمض مركز conc. وبالتسخين Δ)

الوجود

• يوجد في الطبيعة ويعرف بخام المجنتيت.
• هو أكسيد مختلط من أكسيدَي حديد II وحديد III (FeO·Fe₂O₃).

التحضير

• من الحديد المسخن لدرجة الاحمرار بفعل الهواء أو بخار الماء (كما سبق).
• باختزال أكسيد الحديد III:
  • 3Fe₂O₃(s) + CO(g) → 2Fe₃O₄(s) + CO₂(g) (عند 230 - 300°C)

الخواص

• مغناطيسي قوي.
• يتفاعل مع الأحماض المركزة الساخنة معطيًا أملاح حديد II وحديد III معًا، مما يدل على أنه أكسيد مركب:
  • Fe₃O₄(s) + 4H₂SO₄(l) → FeSO₄(aq) + Fe₂(SO₄)₃(aq) + 4H₂O(v) (حمض مركز conc. وبالتسخين Δ)
• يتأكسد إلى أكسيد الحديد III عند تسخينه في الهواء:
  • 2Fe₃O₄(s) + ½O₂(g) → 3Fe₂O₃(s) (بالتسخين Δ)