☰ خطة العام · الكيمياء (بالعربية)

الحديد وأكاسيده

الأسبوع 5 · الباب الأول (٥): الحديد النقي وحالتا التأكسد (+2) و(+3) وتفاعلات الحديد مع الهواء وبخار الماء والكلور والكبريت والأحماض وأكاسيد الحديد الثلاثة وتحضيرها وخواصها (معادلات وحسابات على الورق فقط) · 3 دروس
1

الحديد النقي وتفاعلاته

Chemistry Sec 3 Term 1, Chapter 1: pp. 20–24
الهدفاذكر خواص الحديد النقي وحالتي تأكسده، واكتب معادلات تفاعلاته الموزونة مع الهواء وبخار الماء والكلور والكبريت والأحماض واستعملها.
كلمات جديدة
سلبي (السلبية) · مغطى بطبقة أكسيد رقيقة خاملة توقف استمرار التفاعل، كما يصير الحديد في حمض النيتريك المركزالحديد (II) والحديد (III) · مركبات يكون فيها الحديد بحالة التأكسد ⁦+2⁩ أو ⁦+3⁩ مثل ⁦FeCl₂⁩ و⁦FeCl₃⁩العامل المؤكسد · مادة تأخذ إلكترونات؛ وكلما كان أقوى رفع الحديد إلى حالة أعلى
الشرح

الحديد النقي لين قابل للطرق والسحب ومغناطيسي. ينصهر عند نحو ⁦1538 °C⁩ وكثافته ⁦7.87 g/cm³⁩. وبسبب ليونته قليلة هي استخدامات الحديد النقي الصناعية، وتتوقف خواص الحديد الذي نستعمله على درجة نقائه. تركيبه الإلكتروني ⁦[Ar] 3d⁶ 4s²⁩. وله حالتا تأكسد ⁦+2⁩ (بفقد إلكترونَي ⁦4s⁩) و⁦+3⁩ (⁦3d⁵⁩ نصف ممتلئ، وهي الأكثر ثباتًا)، أما الحالات الأعلى من ⁦+3⁩ فغير مهمة. والعامل المؤكسد القوي كالكلور يرفع الحديد إلى ⁦+3⁩؛ والأضعف، كالكبريت أو أيونات الهيدروجين في حمض مخفف، لا يرفعه إلا إلى ⁦+2⁩. والتفاعلات الآتية معادلات على الورق (فالحديد المحمّى للاحمرار لا يُجرَّب في البيت). مع الهواء: ⁦3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄⁩. مع بخار الماء: ⁦3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂⁩. مع الكلور: ⁦2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃⁩. مع الكبريت: ⁦Fe + S → FeS⁩. ومع الأحماض المخففة تتكون أملاح الحديد (II): ⁦Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂⁩ و⁦Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂⁩. وللتدرب على الموازنة يعطي حمض الكبريتيك المركز الساخن ⁦3Fe + 8H₂SO₄ → FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4SO₂ + 8H₂O⁩ (والنواتج الحقيقية تتوقف على الظروف). وفي حمض النيتريك المركز يصير الحديد سلبيًّا: تتكون طبقة أكسيد رقيقة واقية يزيلها الاحتكاك أو حمض الهيدروكلوريك المخفف. ولا يتعامل مع الأحماض المركزة إلا المتخصصون في المختبر.

يتفاعل الحديد معالنواتجحالة الحديد في مركبه
الهواء (محمّى)⁦Fe₃O₄⁩⁦+2⁩ و⁦+3⁩ (مختلط)
بخار الماء (محمّى)⁦Fe₃O₄ + H₂⁩⁦+2⁩ و⁦+3⁩ (مختلط)
الكلور⁦FeCl₃⁩⁦+3⁩
الكبريت⁦FeS⁩⁦+2⁩
⁦HCl⁩ المخفف⁦FeCl₂ + H₂⁩⁦+2⁩
⁦H₂SO₄⁩ المخفف⁦FeSO₄ + H₂⁩⁦+2⁩
أمثلة محلولة
ƒالمعادلة
⁦Fe(s) + H₂SO₄(aq) → FeSO₄(aq) + H₂(g)⁩
الحديد وحمض الكبريتيك المخفف ⁦(Fe = 56, S = 32, O = 16)⁩: ⁦Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂⁩. لـ ⁦5.6 g⁩ من الحديد: ⁦n = 5.6 ÷ 56 = 0.1 mol⁩. النسبة 1 : 1 : 1 : 1، فيتكوّن ⁦0.1 mol⁩ من ⁦FeSO₄⁩ (⁦M = 152 g/mol⁩) أي ⁦15.2 g⁩، مع ⁦0.1 mol⁩ من ⁦H₂⁩ أي ⁦0.1 × 22.4 = 2.24 L⁩ عند ⁦STP⁩. تحقّق من الكتلة: ⁦5.6 + 9.8⁩ (الحمض) ⁦= 15.4 g⁩، و⁦15.2 + 0.2⁩ (الهيدروجين) ⁦= 15.4 g⁩.
الحديد والكبريت: ⁦Fe + S → FeS⁩. مع ⁦5.6 g⁩ من الحديد (⁦0.1 mol⁩) و⁦3.2 g⁩ من الكبريت (⁦0.1 mol⁩) تتطابق الكميتان تمامًا، فيتكوّن ⁦0.1 mol⁩ من ⁦FeS⁩ (⁦M = 88 g/mol⁩) أي ⁦8.8 g⁩ ولا يتبقى شيء: ⁦5.6 + 3.2 = 8.8 g⁩.
الذرةالطرف الأيسرالطرف الأيمن
⁦Fe⁩3⁦1 + 2 = 3⁩
⁦S⁩8⁦1 + 3 + 4 = 8⁩
⁦O⁩⁦8 × 4 = 32⁩⁦4 + 12 + 8 + 8 = 32⁩
⁦H⁩⁦8 × 2 = 16⁩⁦8 × 2 = 16⁩
التحقق من معادلة موزونة بعدّ الذرات: ⁦3Fe + 8H₂SO₄ → FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4SO₂ + 8H₂O⁩. في أقواس ⁦Fe₂(SO₄)₃⁩ يضرب العدد 3 ذرات ⁦S⁩ و⁦O⁩. وتتوازن العناصر الأربعة كلها.
نشاط الفصل

اختبار صدأ بطيء بمساعدة شخص بالغ. ضع مسمار حديد أو مشبك ورق من الصلب في كل كوب من ثلاثة أكواب بلاستيكية شفافة: (1) ماء الصنبور البارد، (2) ماء بارد فيه ملعقة ملح، (3) ماء بارد تغطيه طبقة رقيقة من زيت الطبخ. توقّع ما سترى في كل كوب، واترك الأكواب عدة أيام وانظر ماذا يحدث، دون أن تتذوق شيئًا أو تلمس الماء إذا كان في يدك جرح. اختبر المسامير بمغناطيس ثلاجة قبل ذلك وبعده. اسكب الماء مع كمية كبيرة من الماء واغسل يديك. والمادة البنية المحمرة هي الصدأ، وهو أكسيد الحديد (III) المائي (معلومة إضافية).

تدرّب
1
⁦Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂⁩. لـ ⁦11.2 g⁩ من الحديد ⁦(Fe = 56, Cl = 35.5)⁩ أوجد حجم الهيدروجين عند ⁦STP⁩ ⁦(22.4 L/mol)⁩ وكتلة ⁦FeCl₂⁩.
2
يتفاعل ⁦11.2 g⁩ من الحديد و⁦4.8 g⁩ من الكبريت وفق ⁦Fe + S → FeS⁩ ⁦(Fe = 56, S = 32)⁩. أيهما يُستهلك كله، وكم من الحديد يتبقى؟
3
تحقّق بعدّ الذرات من أن ⁦3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂⁩ موزونة.
4
لماذا يعطي الحديد ⁦FeCl₃⁩ مع الكلور لكنه يعطي ⁦FeS⁩ مع الكبريت؟