تعليمنظريات علمية

نظائر الحديد الثقيلة

الحديد (Fe) هو عنصر كيميائي ومعدن من المجموعة الثامنة في الجدول الدوري، وهو المعدن الأكثر استخداما واقتصادية.

جدول المحتويات

خصائص عنصر الحديد

  • العدد الذري: ستة وعشرون
  • الكتلة الذرية: 55.847
  • درجة الذوبان: 1,538 درجة مئوية،2,800 فهرنهايت.
  • درجة الغليان: ثلاثة آلاف درجة مئوية، أي ٥٬٤٣٢ فهرنهايت.
  • الجاذبية المعينة: 86
  • درجة التأكسد: +2, +3, +4, +6
  • الترتيب الإلكتروني: [Ar[3d64s2

استخدامات الحديد

الحديد هو المعدن الثاني الأكثر انتشارا بعد الألمنيوم والرابع في الانتشار بعد الأكسجين والسيليكون بين العناصر، ويشكل خمسة بالمئة من قشرة الأرض. ويشكل الحديد المركب الأساسي لقشرة الأرض، وهو العنصر الأكثر انتشارا في الأرض بأكملها بنسبة حوالي خمسة وثلاثين بالمئة، ويوجد بكثرة في الشمس والنجوم الأخرى.

يوجد الحديد في قشرة الأرض على شكل حديد أرضي (يتم إنتاجه بنسبة حوالي ٣٪ من النيكل) في صخور البازلت في غرينلاند وفي رواسب الكربون في الولايات المتحدة، ويمكن العثور عليه أيضًا على شكل حديد منخفض النيكل (يحتوي على نسبة تتراوح بين ٥-٧٪ من النيكل)

النيكل-الحديد هي سبيكة أصلية يوجد في رواسب في الأرض ويحوي (21-64 في المائة من الحديد ، 77-34 في المائة من النيكل) وفي النيازك مثل التينيت (62-75 في المائة من الحديد ، 37-24 في المائة من النيكل). النيازك تصنف بأنها حديد أو حجر صخري أو صخري استنادا إلى كميات الحديد ومعدن السيلكيات.

الحديد أيضا يجمع مع باقي العناصر في العديد من المعادن ويمكن أن تكون لها أهمية شديدة كالهيماتيت (أوكسيد الحديدFe2O3)، الماغنيتيت (ثلاثي رباعي أكسيد الحديد)، الليمونيت (هيدروكسيد أكسيد الحديد الحديدي ، FeO (OH) ∙ nH2O)، والسيدريت (كربونات الحديدFeCO3). الصخور النارية يبلغ محتواها من الحديد حوالي خمسة بالمئة. المعدن يستخرج من خلال الصهر بالكربون (فحم الكوك) والحجر الجيري.

مم يتكون الحديد

كمية الحديد في جسم الإنسان تبلغ حوالي أربعة ونصف غرام. تقريبا 65 بالمئة منها تكون على هيئة هيموغلوبين، الذي يقوم بنقل الأكسجين من الرئتين إلى باقي أجزاء الجسم. تخزن الكمية المتبقية في باقي أعضاء الجسم (الكبد، الطحال، نقي العظم) لتحولها في المستقبل إلى هيموغلوبين. اللحوم الحمراء، صفار البيض، الجزر، الفواكه والخضروات الخضراء والقمح تساهم في توفير حوالي عشرين مليغراما يوميا من الحديد الذي يحتاجه الإنسان كل يوم. لمعالجة فقر الدم، وهو غالبا ما ينجم عن نقص الحديد، يمكن استخدام كمية من الحديد العضوي.

يحتوي الحديد المتوفر على كميات قليلة جدًا من الكربون، التي يتم استخلاصها من فحم الكوك أثناء الانصهار، وهذا يؤثر على خصائص الحديد، فمن الحديد الصلب الذي يحتوي على ما يصل إلى 4% من الكربون إلى الفولاذ المنخفض الكربون الأكثر مرونة الذي يحتوي على أقل من 0.1% من الكربون.

الحديد النقي قادر على التفاعل، وفي حالة تجزئة الحديد بشكل جيد للغاية، يصبح الحديد مشتتا، أي يشتعل بشكل تلقائي ويتفاعل بقوة مع الكلور في درجة حرارة عادية، وأيضا مع الكثير من المعادن الأخرى بما في ذلك الهالوجين والفوسفور والبور والكربون والسيليكون. تلعب مرحلتا الكربيد والسيليكون أدوارا حاسمة في عمليات استخراج الحديد التقنية. ينصهر الحديد المعدني بسهولة في الأحماض المعدنية.

مع الأحماض غير المؤكسدة وفي غياب الهواء يتم الحصول على الحديد في حالة أكسدة +2. مع وجود الهواء أو عند استخدام حمض النيتريك المخفف الدافئ ، يدخل بعض الحديد في المحلول مثل أيون Fe3 +. الوسطيات المؤكسدة بشدة كحمض النتريك المركز أو الأحماض التي تحتوي ثنائي كرومات تتسبب في فقدان الحديد نشاطه الكيميائي الطبيعي. بينما الماء الخالي من الهواء والهيدروكسات الخالية من الهواء لها تأثير قليل على المعدن.

نظائر الحديد الأربعة

يتكون الحديد الطبيعي من مزيج النظائر المستقرة الأربعة: الحديد 56 (بنسبة 91.66٪)، الحديد 54 (بنسبة 5.82٪)، الحديد 57 (بنسبة 2.19٪)، والحديد 58 (بنسبة 0.33٪)

مركبات الحديد كانت قابلة للدراسة من خلال الاستفادة من ظاهرة تدعي Mössbauer ؛ وهي ظاهر ة امتصاص أشعة غاما وإعادة تشكيلها بواسطة نواة دون أن ترتد) على رغم من أن هذه الظاهرة قد لوحظت في ثلث المعادن تقريبا، ولكنها انت خصوصا للحديد وتأثيرها كان له مجال للدراسة كبير عند الكيميائيين.

في حالة أيون الحديد، ينتج تأثيرات تتعلق بفكرة أن النواة الحديد 57 يمكن أن تثار لمرحلة عالية من الطاقة بامتصاص أشعة غاما بتردد محدد للغاية يتأثر بحالة الأكسدة، وتكوين الإلكترونات، والبيئة الكيميائية لذرة الحديد، وبالتالي يمكن استخدامه كدليل لوصف السلوك الكيميائي

تسرب نظائر الحديد الثقيلة

يمكن لنواة الأرض المنصهرة أن تسرب الحديد، وذلك وفقا للأبحاث التي تناولت تصرف الحديد داخل كوكبنا. تمتد الحدود بين الحديد السائل في النواة والقشرة الصخرية لمسافة تقدر بحوالي 1800 ميلا (حوالي 2900 كيلومترا) تحت سطح الأرض. خلال هذا الانتقال، ينخفض درجة الحرارة بأكثر من ألف درجة من النواة الساخنة إلى النواة الباردة.

الدراسة الحديثة ترجح أن نظائر الحديد الثقيلة تهاجر باتجاه درجات الحرارة المنخفضة باتجاه العباءة، بينما نظائر الحديد الخفيفة تدور عائدة إلى أسفل القلب (النظائر لنفس العنصر تحوي على أعداد مختلفة من النترونات، مما يعطيها كتل مختلفة). هذا التأثير يسبب أن المادة الأساسية تتسلل إلى الوشاح الأدنى لتغنيه في نظائر الحديد الثقيلة.

إذا كان هذا صحيحًا، فإن ذلك سيساعد على زيادة معرفتنا بالتفاعلات بين طبقات الأرض. فهم العمليات الفيزيائية التي تحدث على حدود الطبقات الزلزالية ضروري لتفسير الصور الزلزالية للطبقة العميقة، وكذلك لنمذجة مدى انتقال الحرارة والتغيرات الكيميائية بين الأرض العميقة وسطح الكوكب.

لقد شرح بعض الباحثين كيفية انتقال النظائر الثقيلة للحديد بين مناطق ذات درجات حرارة مختلفة خلال التجارب التي أجريت تحت ضغط عال ودرجة حرارة مرتفعة. وتشير النتائج إلى أن نظائر الحديد الثقيلة توجد بكثرة في صخور الوشاح بالمقارنة مع النيازك الكوندريتية، وإذا كان ذلك صحيحا، فإن النتائج تشير إلى أن الحديد قد تسرب من الوشاح على مدار ملايين السنين. أجرى الباحثون محاكاة حاسوبية تبين أن هذه المادة الأساسية يمكن أن تصل إلى السطح، حيث تمتزج مع أعمدة الوشاح الساخنة المتدفقة وتنقلها. وقد اندلعت بعض الشقوق في المناطق الساخنة مثل ساموا وهاواي، وهذه المناطق تحتوي بكثرة على نظائر الحديد الثقيلة، واقترح الباحثون أن يكون ذلك دليلا على وجود نواة متسربة.

نظائر الحديد

النواة Z N كتلة النظير عمر النصف أوضاع الاضمحلال النظير  التكافؤ والدوران الانتشار الطبيعي
      طاقة الإثارة النسبة الطبيعية مدى التباين
45Fe 26 19 45.01458(24)# 1.89(49) ms β+ (30%) 45Mn 3/2+#
2p (70%) 43Cr
46Fe 26 20 46.00081(38)# 9(4) ms
[12(+4-3) ms]		 β+ (>99.9%) 46Mn 0+
β+, p (<.1%) 45Cr
47Fe 26 21 46.99289(28)# 21.8(7) ms β+ (>99.9%) 47Mn 7/2−#
β+, p (<.1%) 46Cr
48Fe 26 22 47.98050(8)# 44(7) ms β+ (96.41%) 48Mn 0+
β+, p (3.59%) 47Cr
49Fe 26 23 48.97361(16)# 70(3) ms β+, p (52%) 48Cr (7/2−)
β+ (48%) 49Mn
50Fe 26 24 49.96299(6) 155(11) ms β+ (>99.9%) 50Mn 0+
β+, p (<.1%) 49Cr
51Fe 26 25 50.956820(16) 305(5) ms β+ 51Mn 5/2−
52Fe 26 26 51.948114(7) 8.275(8) h β+ 52mMn 0+
52mFe 6.81(13) MeV 45.9(6) s β+ 52Mn (12+)#
53Fe 26 27 52.9453079(19) 8.51(2) min β+ 53Mn 7/2−
53mFe 3040.4(3) keV 2.526(24) min IT 53Fe 19/2−
54Fe 26 28 53.9396090(5) مستقر ملاحظا 0+ 0.05845(35) 0.05837–0.05861
54mFe 6526.9(6) keV 364(7) ns 10+
55Fe 26 29 54.9382934(7) 2.737(11) y EC 55Mn 3/2−
56Fe[n 9] 26 30 55.9349363(5) مستقر 0+ 0.91754(36) 0.91742–0.91760
57Fe 26 31 56.9353928(5) مستقر 1/2− 0.02119(10) 0.02116–0.02121
58Fe 26 32 57.9332744(5) مستقر 0+ 0.00282(4) 0.00281–0.00282
59Fe 26 33 58.9348755(8) 44.495(9) d β− 59Co 3/2−
60Fe 26 34 59.934072(4) 2.6×106 y β− 60Co 0+ trace
61Fe 26 35 60.936745(21) 5.98(6) min β− 61Co 3/2−,5/2−
61mFe 861(3) keV 250(10) ns 9/2+#
62Fe 26 36 61.936767(16) 68(2) s β− 62Co 0+
63Fe 26 37 62.94037(18) 6.1(6) s β− 63Co (5/2)−
64Fe 26 38 63.9412(3) 2.0(2) s β− 64Co 0+
65Fe 26 39 64.94538(26) 1.3(3) s β− 65Co 1/2−#
65mFe 364(3) keV 430(130) ns (5/2−)
66Fe 26 40 65.94678(32) 440(40) ms β− (>99.9%) 66Co 0+
β−, n (<.1%) 65Co
67Fe 26 41 66.95095(45) 394(9) ms β− (>99.9%) 67Co 1/2−#
β−, n (<.1%) 66Co
67mFe 367(3) keV 64(17) µs (5/2−)
68Fe 26 42 67.95370(75) 187(6) ms β− (>99.9%) 68Co 0+
β−, n 67Co
69Fe 26 43 68.95878(54)# 109(9) ms β− (>99.9%) 69Co 1/2−#
β−, n (<.1%) 68Co
70Fe 26 44 69.96146(64)# 94(17) ms 0+
71Fe 26 45 70.96672(86)# 30# ms
[>300 ns]		 7/2+#
72Fe 26 46 71.96962(86)# 10# ms
[>300 ns]		 0+

الوسوم

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى