جيوكيمياء الحديد

طالب في الصف التاسع "ب"

رايفسكي جورجي

الحديد ليس فقط المعدن الأكثر أهمية في الطبيعة من حولنا، بل هو أساس الثقافة والصناعة، وهو سلاح الحرب والعمل السلمي. ومن الصعب العثور على عنصر آخر في الجدول الدوري بأكمله يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمصائر البشرية الماضية والحاضرة والمستقبلية.

الأكاديمي ألكسندر إيفجينيفيتش فيرسمان، عالم جيوكيميائي سوفيتي بارز وعالم معادن وجغرافي ورحالة

ما هي الجيوكيمياء؟

كتب الكاتب الروماني واسع المعرفة، مؤلف كتاب التاريخ الطبيعي، بليني الأكبر: «إن مناجم خام الحديد تزود الإنسان بالأداة الأكثر ممتازة. لأننا بهذه الأداة نقطع الأرض ونزرع حدائق مثمرة ونقطع الكروم البرية بالعنب ونجبرها على النمو كل عام. وبهذه الأداة نبني المنازل ونكسر الحجارة ونستخدم الحديد في كل هذه الاحتياجات.

تم تقدير المعادن، بما في ذلك الحديد، ليس فقط في بداية العصر المسيحي، في عهد بليني. في قرننا هذا، الذي لا يمكن تصوره دون التطورات العلمية والتكنولوجية والصناعة المتقدمة، زادت أهميتها أكثر. ولكن لكي تحصل البشرية على العناصر الضرورية بكميات كافية، يجب استخراجها باستمرار. ولهذا عليك أن تعرف أنماط توزيع العناصر الكيميائية على كوكب الأرض.

وتحتل دراسة هذه الأنماط علوم مختلفة، من بينها الكيمياء الجيولوجية - علم التركيب الكيميائي للأرض، وقوانين توزيع العناصر ونظائرها، وعمليات التكوين. الصخوروالتربة والمياه الطبيعية. (إذا كان أي شخص مهتما، فإن علم الكيمياء الكونية يشارك في نفس البحث في الفضاء خارج كوكب الأرض). وبما أن العناصر الكيميائية موجودة في القشرة الأرضية على شكل خامات ومعادن، فإن الكيمياء الجيولوجية هي أخت الكيمياء من ناحية، ومن ناحية أخرى، فهي ترتبط ارتباطاً وثيقاً بالجيولوجيا. وأحد المجالات الرئيسية للجيولوجيا هو دراسة توزيع المعادن في القشرة الأرضية. لذلك، غالبًا ما تُعتبر الكيمياء الجيولوجية نوعًا من المجال العلمي الهجين الذي نشأ على حدود الجيولوجيا والكيمياء. لذا فإن "المعادلة" التالية ستكون صحيحة جزئيًا: "الكيمياء الجيولوجية = الجيولوجيا + الكيمياء" - ولكن جزئيًا فقط.

ظهر مصطلح "الكيمياء الجيولوجية" في الربع الأخير من القرن التاسع عشر. من المفترض أنه تم تقديمه للاستخدام العلمي من قبل أحد علماء الجيوكيمياء المحترفين الأوائل - العالم الأمريكي فرانك كلارك (1847-1931)، الذي يُدعى أبو الكيمياء الجيولوجية.

يعتبر العالم الروسي المتميز V.I Vernadsky بحق أحد مؤسسي الكيمياء الجيولوجية الحديثة. وفي عام 1927، قام بفك رموز محتوى هذا العلم على النحو التالي: “تدرس الكيمياء الجيوكيميائية العناصر الكيميائية، أي ذرات القشرة الأرضية، وبقدر الإمكان، الكوكب بأكمله. وهي تدرس تاريخهم، وتوزيعهم وحركتهم في الزمكان، وعلاقاتهم الجينية على كوكبنا.

حاليًا، النظرة الأكثر شيوعًا حول موضوع ومحتوى الجيوكيمياء هي كما يلي: تدرس الكيمياء الجيوكيميائية الحديثة توزيع ومحتوى العناصر الكيميائية في المعادن والخامات والصخور والتربة والمياه والدورة الجوية للعناصر في الطبيعة بناءً على خصائصها. ذراتها وأيوناتها.

يعد الحديد أحد العناصر الأكثر شيوعًا في النظام الشمسيوخاصة على الكواكب الأرضية وبالأخص الأرض. ويوجد جزء كبير من حديد الكواكب الأرضية في نوى الكواكب بما فيها الأرض، حيث يصل محتواه إلى 90%. يتراوح محتوى الحديد في القشرة الأرضية من 4 إلى 5%، وفي الوشاح حوالي 12%. من بين المعادن، يأتي الحديد في المرتبة الثانية بعد الألومنيوم من حيث وفرته في اللحاء. وفي الوقت نفسه، يوجد حوالي 86% من إجمالي الحديد في القلب، و14% في الوشاح.

ويزداد محتوى الحديد بشكل ملحوظ في الصخور النارية المافيفية حيث يرتبط بالبيروكسين والأمفيبول والأوليفين والبيوتيت. يتراكم الحديد بتركيزات صناعية خلال جميع العمليات الخارجية والداخلية التي تحدث في القشرة الأرضية تقريبًا. تحتوي مياه البحر على الحديد بكميات صغيرة جداً، 0.002 - 0.02 ملغم/لتر. في مياه النهر يكون أعلى قليلاً - 2 ملغم / لتر.

يلعب الحديد دورًا رئيسيًا في المحيط الحيوي، نظرًا لأن ذرة الحديد جزء من الهيموجلوبين، وهو بروتين خلايا الدم الحمراء في الكائنات الحية العليا. ويشارك الهيموجلوبين في توصيل الأكسجين إلى الأنسجة والخلايا.

ويعتقد أن الحديد مع النيكل والكوبالت والأكسجين (وفقا لنظرية أخرى - الهيدروجين) جزء من جوهر الأرض. الضغط في وسط الأرض هائل (حوالي 3 ملايين ضغط جوي)، ويجب أن تصبح خصائص هذه العناصر، بما في ذلك الحديد، غير عادية. يعتقد العلماء أنه مع هذا الضغط، يصبح الهيدروجين معدنًا، ويمكن أن يتغير التركيب الإلكتروني لذرات الحديد والمعادن الأخرى (في المقام الأول أغلفة الإلكترون الخارجية) بشكل كبير. ومع ذلك، على الرغم من أن كتاب الخيال العلمي قد وصفوا بالفعل الرحلة إلى مركز الأرض عدة مرات، إلا أننا لا نستطيع دراسة تكوين نواة الأرض بشكل مباشر: فالكيمياء الجيولوجية يحكمون عليها على أساس بيانات غير مباشرة.

الخواص الجيوكيميائية للحديد

الميزة الجيوكيميائية الأكثر أهمية للحديد هي وجود العديد من حالات الأكسدة. يشكل الحديد في شكله المحايد - المعدني - قلب الأرض، ومن المحتمل أن يكون موجودًا في الوشاح ونادرًا ما يوجد في القشرة الأرضية. الحديد الحديدي FeO هو الشكل الرئيسي للحديد الموجود في الوشاح والقشرة. يعد أكسيد الحديد Fe2O3 من سمات الأجزاء العلوية والأكثر أكسدة في القشرة الأرضية، وخاصة الصخور الرسوبية.

من حيث الخصائص الكيميائية البلورية، فإن أيون Fe2+ قريب من أيونات Mg2+ وCa2+ - وهي عناصر رئيسية أخرى تشكل جزءًا كبيرًا من جميع الصخور الأرضية. بسبب التشابه الكيميائي البلوري، يحل الحديد محل المغنيسيوم، وجزئيًا، الكالسيوم في العديد من السيليكات. في هذه الحالة، عادة ما يزداد محتوى الحديد في المعادن ذات التركيب المتغير مع انخفاض درجة الحرارة.

معادن الحديد

ينتشر الحديد على نطاق واسع في القشرة الأرضية - فهو يمثل حوالي 4.1٪ من كتلة القشرة الأرضية (المركز الرابع بين جميع العناصر، والثاني بين المعادن). في الوشاح والقشرة، يتركز الحديد بشكل رئيسي في السيليكات، في حين أن محتواه كبير في الصخور الأساسية وفوق القاعدية، ومنخفض في الصخور الحمضية والمتوسطة.

ومن المعروف عدد كبير من الخامات والمعادن التي تحتوي على الحديد. الخامات هي معادن طبيعية تحتوي على الحديد بكميات ومركبات تجعل استخراج المعدن منها صناعياً مجدياً اقتصادياً. يختلف محتوى الحديد في الخامات الصناعية بشكل كبير – من 16 إلى 70%. اعتمادا علي التركيب الكيميائيتستخدم خامات الحديد لصهر الحديد الزهر في صورته الطبيعية، أو بعد إثراءه إذا كانت تحتوي على أقل من 50% من الحديد. يتم استخدام معظم خامات الحديد لصهر الحديد الزهر والصلب والسبائك الحديدية. في لا نسبيا كميات كبيرةيتم استخدامها كدهانات طبيعية (مغرة) وعوامل ترجيح لمحاليل طين الحفر.

من الأهمية العملية القصوى خام الحديد الأحمر (الهيماتيت، Fe2O3؛ يحتوي على ما يصل إلى 70% Fe)، وخام الحديد المغناطيسي (المغنتيت، FeO.Fe2O3، Fe3O4؛ يحتوي على 72.4% Fe)، وخام الحديد البني أو الليمونيت (الجويتيت والهيدروجويثيت والهيدروجويثيت ، على التوالي FeOOH وFeOOH nH2O). غالبًا ما يتم العثور على الجيوثيت والهيدروجيثيت في القشرة التجوية، مما يشكل ما يسمى بـ "القبعات الحديدية"، التي يصل سمكها إلى عدة مئات من الأمتار. ويمكن أيضًا أن تكون ذات أصل رسوبي، حيث تتساقط من المحاليل الغروية في البحيرات أو المناطق الساحلية للبحار. في هذه الحالة، يتم تشكيل خامات الحديد الزيتية أو البقولية. غالبًا ما تحتوي على فيفيانيت Fe(3PO4)2·8H2O، الذي له شكل بلورات سوداء ممدودة ومجموعات شعاعية.

تنتشر في الطبيعة أيضًا كبريتيدات الحديد - البايرايت FeS2 (الكبريت أو بيريت الحديد) والبيروتيت. فهي ليست خام الحديد - يستخدم البيريت لصنع حمض الكبريتيك، وغالبا ما يحتوي البيروتيت على النيكل والكوبالت.

معادن الحديد الأخرى الشائعة:

· السيديريت – FeCO3 – يحتوي على ما يقارب 35% حديد. لونه أبيض مصفر (مع لون رمادي أو بني إذا كان متسخًا).

· ماركاسيت - FeS2 - يحتوي على 46.6% حديد. ويحدث ذلك على شكل بلورات معينية صفراء تشبه النحاس، ثنائية الهرم.

· اللولينجايت - FeAs2 - يحتوي على 27.2% حديد ويتواجد على شكل بلورات معينية ثنائية الهرم بيضاء فضية.

· Mispickel - FeAsS - يحتوي على 34.3% حديد. ويحدث في شكل منشورات بيضاء أحادية الميل.

· الميلانثيريت - FeSO4 · 7H2O - أقل شيوعًا في الطبيعة ويكون لونه أخضر (أو رمادي بسبب الشوائب) بلورات أحادية الميل ذات بريق زجاجي وهشة.

· الفيفيانيت - Fe3(PO4)2·8H2O - يتواجد على شكل بلورات أحادية الميل زرقاء-رمادية أو خضراء-رمادية.

تحتوي القشرة الأرضية أيضًا على معادن حديدية أخرى أقل شيوعًا، مثل:

رواسب خام الحديد الرئيسية

توجد رواسب الحديد الرئيسية في أستراليا والبرازيل وفنزويلا والهند وكندا وليبيريا وروسيا والولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا والسويد.

تحتل روسيا المرتبة الأولى في العالم من حيث احتياطيات خام الحديد.

الرواسب الرئيسية لخام الحديد على الخريطة الجيولوجية للعالم

حقيقة جيوكيميائية مثيرة للاهتمام:

عدد قليل جدا من العناصر تحدث في شكل حر في الطبيعة. في هذا الشكل يطلق عليهم اسم السكان الأصليين. تتحد المعادن ومعظم اللافلزات مع عناصر أخرى، وخاصة الأكسجين، بسهولة شديدة. ولذلك، فهي توجد دائمًا تقريبًا في القشرة الأرضية في شكل مقيد، كجزء من مركبات مختلفة. الحديد عنصر نشط للغاية، ويتأكسد بسهولة، خاصة في وجود الرطوبة. ومع ذلك، الحديد الأصلي موجود في الطبيعة. وهذه حالة استثنائية تماما، لأن الحديد في شكله الأصلي يدخل القشرة الأرضية كجزء من النيازك.

وهذا ما يقوله الأكاديمي فيرسمان في كتابه المشهور عن جيوكيمياء الحديد:

"ينتمي الحديد إلى أهم معادن الكون. نرى خطوطها في كل الأجرام الكونية، تتلألأ لنا في أجواء النجوم الحارة، نرى ذرات الحديد العاصفة، المضطربة على سطح الشمس، تتساقط علينا كل عام على شكل رقيقة الغبار الكونيعلى شكل نيازك حديدية. في ولاية أريزونا، في جنوب أفريقيا، في حوض بودكامينايا تونغوسكا، سقطت كتل هائلة من الحديد الأصلي، وهو أهم معدن في الكون. يدعي الجيوفيزيائيون أن مركز الأرض بأكمله يتكون من كتلة من حديد النيكل، وأن قشرة أرضنا هي بنفس حجم تلك الخبث الزجاجي الذي يتدفق من الفرن العالي أثناء صهر الحديد الخام.

...علماء الجيوكيمياء يكشفون لنا تاريخ الحديد. يقولون أنه حتى القشرة الأرضية تتكون من 4.2% من الحديد، ومن بين المعادن، الألومنيوم فقط هو الأكثر وفرة في الطبيعة من حولنا من الحديد. ونحن نعلم أنه جزء من تلك الكتل المنصهرة التي، على شكل صخور الزبرجد الزيتوني والبازلت، تتصلب في الأعماق كأثقل الصخور وأكثرها بدائية. رواسب الحديد الجيوكيميائية المعدنية

ونحن نعلم أن بقايا الحديد قليلة نسبياً في صخور الجرانيت؛ فألوانها الفاتحة - الأبيض، والوردي، والأخضر - تشير إلى وجود الحديد. ولكن على سطح الأرض، لا تزال التفاعلات الكيميائية المعقدة تتراكم احتياطيات ضخمة من خام الحديد. يتشكل بعضها في المناطق شبه الاستوائية، حيث تفسح فترات الأمطار الاستوائية المجال لأيام مشمسة مشرقة من الصيف الحار، حيث يتم غسل كل شيء قابل للذوبان من الصخور، وتتشكل تراكمات كبيرة - قشور من خامات الحديد والألمنيوم.

نحن نعلم أنه في قاع البحيرات في البلدان الشمالية، على سبيل المثال، في كاريليا لدينا، توجد مياه عاصفة تحتوي على مادة عضوية، جلب كميات هائلة من الحديد من مختلف الصخور في الربيع؛ في قاع البحيرات، حيث تتدفق المياه، تترسب البازلاء أو الكتل الحديدية الكاملة بمشاركة بكتيريا الحديد الخاصة. وهكذا، في المستنقعات، أعماق البحار، خلال التاريخ الجيولوجي الطويل لأرضنا، تراكمات الحديد تشكلت الخامات وليس هناك شك في أنه في عدد من الحالات كان للحياة الحيوانية والنباتية تأثيرها على تكوين هذه الرواسب.

هذه هي الطريقة التي تشكلت بها رواسب كيرتش الكبيرة. هذه هي الطريقة التي تشكلت بها الاحتياطيات الضخمة من خام الحديد في كريفوي روج وشذوذ كورسك المغناطيسي.

تم ترسيب خامات هذين الرواسب الأخيرة منذ فترة طويلة بواسطة مياه البحار القديمة لدرجة أن نسمة الأعماق الحارة تمكنت من تغيير بنيتها، وبدلاً من خامات الحديد البني، كما هو الحال في كيرتش، نرى هنا خامات سوداء متغيرة، تتكون من من بريق الحديد (الهيماتيت، أو خام الحديد الأحمر) وخام الحديد المغناطيسي.

ولا يتوقف تجوال الحديد على سطح الأرض. صحيح أن القليل منه يتراكم في مياه البحر. ويقولون بشكل صحيح أن هذا الماء لا يحتوي على حديد تقريبًا. ومع ذلك، في ظل ظروف خاصة واستثنائية، حتى في البحر، في الخلجان الضحلة، يتم ترسيب الرواسب الحديدية ورواسب خام الحديد بأكملها، والتي توجد أيضًا في عدد من الرواسب البحرية القديمة. هكذا تشكلت رواسب خام الحديد الشهيرة لدينا في أوكرانيا بالقرب من خبر وكيرتش وآياتي. ولكن على سطح الأرض - في الجداول والأنهار والبحيرات والمستنقعات - يتجول الحديد في كل مكان؛ وتجد النباتات دائمًا هذا العنصر الكيميائي المهم لنفسها، والذي بدونه تكون الحياة النباتية مستحيلة. حاول حرمان إصيص الزهور من الحديد، وسترى أن الزهور سرعان ما ستفقد ألوانها ورائحتها، وستتحول الأوراق إلى اللون الأصفر وتبدأ بالجفاف...

... وهكذا في النبات، في الكائن الحي، تكتمل دورة الحديد على الأرض، وتكون كريات الدم الحمراء في دم الإنسان من آخر المراحل في رحلة هذا المعدن، الذي لا حياة بدونه ولا حياة. العمل السلمي."

مستقبل الحديد

العصر الحديدي - العصر الذي بدأ في التاريخ البدائي للبشرية، عندما نشأت تعدين الحديد وتصنيع الأدوات الحديدية - لا يزال مستمرا. ما يقرب من تسعين من جميع المعادن والسبائك التي تستخدمها البشرية مصنوعة من الحديد. يتم صهر الحديد في العالم حوالي 50 مرة أكثر من الألومنيوم، ناهيك عن المعادن الأخرى. البلاستيك؟ لكن في الوقت الحاضر غالبًا ما يؤدون عروضهم تصاميم مختلفةوظائف أخرى، وإذا حاولوا، وفقا للتقاليد، تقديمها إلى رتبة "بدائل لا يمكن الاستغناء عنها"، فغالبا ما تحل محل المعادن غير الحديدية، وليس الحديدية. فقط نسبة قليلة من المواد البلاستيكية التي نستهلكها تحل محل الفولاذ.

تعتبر السبائك القائمة على الحديد عالمية ومتقدمة تقنيًا ويمكن الوصول إليها ورخيصة الثمن بكميات كبيرة. كما أن قاعدة المواد الخام لهذا المعدن لا تسبب القلق: فالاحتياطيات المكتشفة بالفعل من خام الحديد تكفي للناس. بالإضافة إلى ذلك، فإن العلماء واثقون من أن الاكتشافات التي سيتم إجراؤها في مجال جيوكيمياء الحديد (وفي المستقبل – الكيمياء الكونية للحديد) ستزود البشرية بمصادر جديدة لهذا العنصر الذي لا يمكن تعويضه. إن البحث في هذا المجال من الجيوكيمياء ضروري لأن الحديد يمكن، دون مبالغة، أن يسمى أساس حضارتنا.

الأدب

1) ويكيبيديا، مقالة “الحديد”

2) الموسوعة السوفييتية الكبرى، مقالة “خامات الحديد”

(http://bse.sci-lib.com/article039128.html).

يحتل الحديد المركز الثاني (4.7% في القشرة الأرضية) بعد الألومنيوم من حيث الاحتياطيات والوفرة على الكوكب. تم اكتشافه في فجر المجتمع البشري وما زال لا يفقد أهميته ويستخدم في كل مكان.

يوجد الحديد غالبًا في الخامات الغنية بالمعادن، والتي يمكن استخراجها ومعالجتها بسهولة نسبية. في شكل نقيتم العثور على الحديد فقط في النيازك، وفي المركبات يوجد في الكبريتيدات والسيليكات والأكاسيد.

خصائص الحديد

الخصائص الفيزيائية

الحديد معدن أبيض فضي ذو لون رمادي. في شكله النقي يكون من البلاستيك ولكنه هش. عند إضافة إضافات مختلفة (على سبيل المثال، الكربون) إليها، تزداد صلابة وهشاشة السبائك. يوصل الحديد الكهرباء والحرارة بشكل جيد وله خصائص مغناطيسية قوية، أي أنه تحت تأثير المجال المغناطيسي يتم ممغنطته ومن ثم يصبح هو نفسه مغناطيسًا.

الحديد مهم بشكل خاص للكائنات الحية. يعزز عمليات الجهاز التنفسي وهو جزء من هيموجلوبين الدم (477 مجم / لتر). وهذا يعني أن الحديد يشارك في عملية توصيل الأكسجين من أعضاء الجهاز التنفسي إلى الأنسجة.

عندما يكون الحديد في الماء وفي الهواء الرطب، يبهت ويصدأ، وعند درجة حرارة 1539 درجة مئوية، يذوب بسهولة ويمكن تزويره. في درجات حرارة عاليةيتفاعل الحديد مع بخار الماء .

يشكل الحديد 300 معدن مختلف (الكربونات والكبريتيدات وغيرها) ويهاجر بقوة في القشرة الأرضية. يطلق عليه معدن باطن الأرض لأنه يتراكم في تبلور الصهارة.

الخصائص الكيميائية

الحديد معدن ذو درجة متوسطة من النشاط الكيميائي. عند تعرضه للهواء، يتم تشكيل طبقة واقية عليه، مما يمنع التآكل والصدأ. إذا كان الهواء رطبا، يتأكسد الحديد ويصبح صدئا.

يذوب في أحماض الهيدروكلوريك أو الكبريتيك المخففة، ويطلق الهيدروجين. يزيح المعادن من المحاليل الملحية. أثناء التسخين، يتفاعل مع المواد غير المعدنية.

مركبات وجود الحديد في الطبيعة

في المياه الطبيعية، يكون محتوى الحديد متوسطًا (يتراوح بين 0.01-26 ملغم/لتر). بالإضافة إلى ذلك، تحتوي عليه الحيوانات والبكتيريا والنباتات في أجسامها. حتى في الأنسجة و الأعضاء الداخليةيأكل الناس الحديد الذي يدخل إلى أجسادهم مع الطعام. الحاجة إليه للبالغين هي 11-30 ملغ. يؤدي الحديد الزائد إلى داء ترسب الأصبغة الدموية واضطرابات خطيرة في الأعضاء الداخلية.

وبما أن رواسب خام الحديد تحدث في ظروف جيولوجية مختلفة، فإن تكوين الخامات وظروف موقعها يختلف.

يوجد الحديد في العديد من الخامات:

الهيماتيت (بريق الحديد، خام الحديد الأحمر)،

البيريت (بيريت الكبريت) والجويتيت،

المغنتيت (خام الحديد المغناطيسي)،

السيديريت والهيدروجينيت.

دورة الحديد في الطبيعة

(بالاستعانة بمثال دورة الكبريت والمركبات الأخرى في الطبيعة)

بسبب نشاط بكتيريا الحديد (البكتيريا الخيطية وبكتيريا الحديد الانفرادية)، تحدث دورة الحديد في الطبيعة. أنها أكسدة الحديد إلى هيدروكسيد الحديد، ويتم الحصول على الكربون من ثاني أكسيد الكربون. وهكذا تتلقى بكتيريا الحديد الطاقة للقيام بوظائفها الحيوية، وبعد موتها تترسب في التربة على شكل خام مستنقع.

مجالات تطبيق الحديد

الحديد في شكله النقي هش، لذلك لا يتم استخدامه عمليا. يتم استخدامه لإنتاج المغناطيسات الكهربائية، كمحفز للتفاعلات الكيميائية، الخ.

يستخدم هذا المعدن بشكل رئيسي في شكل سبائك. أنها تمثل 95٪ من جميع المنتجات المعدنية. الحديد هو المكون الرئيسي للصلب والحديد الزهر. يحتوي الفولاذ على نسبة كربون أقل من الحديد الزهر، وبالتالي فهو أكثر ليونة ومقاومة لأحمال الصدمات القاسية للحديد.

الحديد هو أيضًا جزء من النيكل والسبائك الأخرى المستخدمة في الهندسة الكهربائية وبطاريات الحديد والهواء وبطاريات الحديد والنيكل.

يتم إنتاج مواد تعتمد على الحديد يمكنها تحمل درجات حرارة منخفضة و ارتفاع درجة الحرارةوالبيئة العدوانية والإشعاع النووي والفراغ والضغط العالي، وما إلى ذلك.

ينتمي الحديد إلى مجموعة تلك المعادن التي تستخدم على نطاق واسع في جميع مجالات الاقتصاد الوطني والأسري. أصبح الحديد الزهر والصلب هو الأساس التكنولوجيا الحديثة. بمشاركتهم، تم تطوير الصناعة الثقيلة، ومختلف وسائل النقل البري، وما إلى ذلك.

توجد احتياطيات كبيرة من الحديد في روسيا وأستراليا وكندا وكازاخستان والهند وفرنسا والولايات المتحدة الأمريكية وفنزويلا وجنوب أفريقيا.

/ الحديد المعدني

ينتمي الحديد إلى مجموعة العناصر الأصلية. الحديد الأصلي هو معدن من أصل أرضي وكوني. محتوى النيكل أعلى بنسبة 3 بالمائة في الحديد الأرضي مقارنة بالحديد الكوني. كما أنه يحتوي على شوائب من المغنيسيوم والكوبالت والعناصر النزرة الأخرى. الحديد الأصلي له لون رمادي فاتح مع بريق معدني، ومن النادر وجود شوائب من البلورات. هذا معدن نادر إلى حد ما بصلابة 4-5 وحدات. وكثافة 7000-7800 كجم لكل متر مكعب. لقد أثبت علماء الآثار أن الحديد الأصلي كان يستخدمه القدماء قبل وقت طويل من تطوير المهارات اللازمة لصهر معدن الحديد من الخام.

هذا المعدن في شكله الأصلي له لون أبيض فضي، وسرعان ما يصبح السطح مغطى بالصدأ في الرطوبة العالية أو في الماء الغني بالأكسجين. تتميز هذه الصخور بمرونة جيدة، وتذوب عند درجة حرارة 1530 درجة مئوية، ويمكن تشكيلها بسهولة في المنتجات ودحرجتها. يتمتع المعدن بالتوصيل الكهربائي والحراري الجيد، كما أنه يتميز عن الصخور الأخرى بخصائصه المغناطيسية.

عند التفاعل مع الأكسجين، يتم تغطية سطح المعدن بالفيلم الناتج، مما يحميه من التأثيرات المسببة للتآكل. وعندما توجد رطوبة في الهواء، يتأكسد الحديد ويتشكل الصدأ على سطحه. وفي بعض الأحماض، يذوب الحديد ويتحرر الهيدروجين.

تاريخ الحديد

كان للحديد تأثير كبير على تطور المجتمع البشري ولا يزال يحظى بتقدير كبير حتى يومنا هذا. يتم استخدامه في العديد من الصناعات. ساعد الحديد للإنسان البدائيأدى إتقان أساليب الصيد الجديدة إلى تطويرها زراعةبفضل الأدوات الجديدة. كان الحديد النقي في تلك الأيام جزءًا من النيازك المتساقطة. حتى يومنا هذا، هناك أساطير حول الأصل غير الأرضي لهذه المادة. يعود تاريخ علم المعادن إلى منتصف الألفية الثانية قبل الميلاد. وفي ذلك الوقت أتقنت مصر إنتاج المعدن من خام الحديد.

أين يتم استخراج الحديد؟

ويوجد الحديد في صورته النقية في الأجرام السماوية. تم اكتشاف المعدن في التربة القمرية. الآن يتم استخراج الحديد من خام الصخور، وتحتل روسيا مكانة رائدة في استخراج هذا المعدن. توجد رواسب غنية من خام الحديد في الجزء الأوروبي، في غرب سيبيريا وجبال الأورال.

التطبيقات

الحديد ضروري في إنتاج الفولاذ، الذي لديه مجموعة واسعة من التطبيقات. يتم استخدام هذه المواد في كل إنتاج تقريبًا. يستخدم الحديد على نطاق واسع في الحياة اليومية، ويمكن العثور عليه في شكل منتجات مزورة وحديد الزهر. يتيح لك الحديد إعطاء المنتج أشكالًا مختلفة، لذلك يتم استخدامه في تزوير وإنشاء شرفات المراقبة والأسوار وغيرها من المنتجات.

تستخدم جميع ربات البيوت الحديد في المطبخ، لأن المنتجات المصنوعة من الحديد الزهر ليست أكثر من مجرد سبيكة من الحديد والكربون. تسخن تجهيزات المطابخ المصنوعة من الحديد الزهر بالتساوي وتحافظ على درجة الحرارة لفترة طويلة وتستمر لعقود. تحتوي جميع أدوات المائدة تقريبًا على الحديد و الفولاذ المقاوم للصدأصنع الأطباق وأدوات المطبخ المختلفة والأشياء الضرورية مثل المجارف والمذراة والفؤوس وغيرها من الأدوات المفيدة. يستخدم هذا المعدن أيضًا على نطاق واسع في المجوهرات.

التركيب الكيميائي

يحتوي الحديد التلوريك على شوائب من النيكل (Ni) 0.6-2%، والكوبالت (Co) حتى 0.3%، والنحاس (Cu) حتى 0.4%، والبلاتين (Pt) حتى 0.1%، والكربون؛ وتتراوح نسبة النيكل في حديد النيزك من 2 إلى 12%، والكوبالت - حوالي 0.5%، وهناك أيضًا شوائب من الفوسفور والكبريت والكربون.

السلوك في الأحماض: يذوب في HNO3.
في الطبيعة، هناك عدة تعديلات على الحديد - النوع ذو درجة الحرارة المنخفضة يحتوي على خلية مخفية (Im3m)، وذو درجة الحرارة المرتفعة (عند درجات حرارة > 1179 كلفن) يحتوي على خلية fcc (Fm(-3)m). وجدت بكميات كبيرة في النيازك. تظهر أشكال Widmanstätten في النيازك الحديدية عند حفرها أو تسخينها.
الأصل: نادرًا ما يوجد الحديد التلوري (الأرضي) في الحمم البازلتية (أويفاك، جزيرة ديسكو، قبالة الساحل الغربي لجرينلاند، بالقرب من كاسل، ألمانيا). في كلتا النقطتين، يرتبط البيروتيت (Fe1-xS) والكوهينيت (Fe3C) به، وهو ما يفسره كل من الاختزال بواسطة الكربون (بما في ذلك الصخور المضيفة) وتحلل مجمعات الكربونيل مثل Fe(CO)n. في الحبوب المجهرية، تم تثبيته أكثر من مرة في صخور فوق أساسية متغيرة (متعرجة)، وأيضًا في عملية التخلق مع البيروتيت، وأحيانًا مع المغنتيت، والذي ينشأ بسبب تفاعلات الاختزال. نادرًا ما يوجد في منطقة أكسدة رواسب الخام أثناء تكوين خامات المستنقعات. وقد تم تسجيل نتائج في الصخور الرسوبية المرتبطة باختزال مركبات الحديد مع الهيدروجين والهيدروكربونات.
تم العثور على الحديد النقي تقريبًا في التربة القمرية، والذي يرتبط بسقوط النيزك وعمليات الصهارة. وأخيرا، هناك فئتان من النيازك - الحديد الصخري والحديد - تحتوي على سبائك الحديد الطبيعية كمكون لتشكيل الصخور.

عائلة الحديد الأصلية (حسب جودوفيكوف)
مجموعة الحديد الأصلية
< 2,9, редко до 6,4 ат. % Ni - феррит
< ~ 6,4 ат. % Ni - камасит

مجموعة النيكل الأصلية
> 24 الساعة. % ني - تينيت
62.5 - 92 ص. % ني - أوريوت Ni3Fe
(ني، الحديد) - النيكل الأصلي

الحديد (الحديد الإنجليزي، الحديد الفرنسي، آيزن الألماني) هو أحد المعادن السبعة في العصور القديمة. من المحتمل جدًا أن يكون الإنسان قد تعرف على الحديد من أصل نيزكي في وقت أبكر من المعادن الأخرى. عادة ما يكون من السهل تمييز الحديد النيزكي عن الحديد الأرضي، حيث أنه يحتوي دائمًا على ما بين 5 إلى 30% من النيكل، وفي أغلب الأحيان 7-8%. منذ العصور القديمة، تم الحصول على الحديد من الخامات الموجودة في كل مكان تقريبًا. الخامات الأكثر شيوعًا هي الهيماتيت (Fe 2 O 3،) وخام الحديد البني (2Fe 2 O 3، ZN 2 O) وأصنافه (خام المستنقع أو السدريت أو حديد الصاري FeCO3) والماجنتيت (Fe 3 0 4). وبعض الآخرين. يتم تقليل كل هذه الخامات عند تسخينها بالفحم بسهولة عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا تبدأ من 500 درجة مئوية. كان للمعدن الناتج مظهر كتلة إسفنجية لزجة، والتي تمت معالجتها بعد ذلك عند 700-800 درجة مئوية بالتزوير المتكرر.

في العصور القديمة وفي العصور الوسطى، تمت مقارنة المعادن السبعة المعروفة آنذاك بالكواكب السبعة، والتي ترمز إلى العلاقة بين المعادن والكائنات الحية. الأجرام السماويةوالأصل السماوي للمعادن. أصبحت هذه المقارنة شائعة منذ أكثر من 2000 عام، وكانت موجودة باستمرار في الأدب حتى القرن التاسع عشر. في القرن الثاني. ن. ه. تمت مقارنة الحديد مع عطارد وكان يسمى الزئبق، ولكن في وقت لاحق بدأ مقارنته بالمريخ ويسمى المريخ، والذي أكد، على وجه الخصوص، على التشابه الخارجي للون المحمر للمريخ مع خامات الحديد الحمراء.

الإبلاغ عن خطأ في الوصف

خصائص المعدنية

بدأ استخراج خام الحديد من قبل البشر منذ عدة قرون. وحتى ذلك الحين، أصبحت فوائد استخدام الحديد واضحة.

من السهل جدًا العثور على التكوينات المعدنية التي تحتوي على الحديد، حيث يشكل هذا العنصر حوالي خمسة بالمائة من القشرة الأرضية. بشكل عام، الحديد هو العنصر الرابع الأكثر وفرة في الطبيعة.

ومن المستحيل العثور عليه في صورته النقية؛ إذ يوجد الحديد بكميات معينة في العديد من أنواع الصخور. يحتوي خام الحديد على أعلى نسبة من الحديد، ويعتبر استخراج المعدن منه هو الأكثر ربحية من الناحية الاقتصادية. وتعتمد كمية الحديد التي يحتوي عليها على مصدره، حيث تبلغ النسبة الطبيعية منه حوالي 15%.

التركيب الكيميائي

تعتمد خصائص خام الحديد وقيمته وخصائصه بشكل مباشر على تركيبه الكيميائي. قد يحتوي على خام الحديد كمية مختلفةالحديد والشوائب الأخرى. وبناء على ذلك هناك عدة أنواع:

• غنية جدًا عندما يتجاوز محتوى الحديد في الخامات 65٪؛
• غنية، وتتراوح نسبة الحديد فيها من 60% إلى 65%؛
• المتوسط ​​من 45% فما فوق؛
• فقيرة لا تزيد فيها نسبة العناصر المفيدة عن 45%.

كلما زاد عدد المنتجات الثانوية الموجودة في خام الحديد، زادت الحاجة إلى الطاقة لمعالجته، وكلما قلت كفاءة إنتاج المنتجات النهائية.

يمكن أن يكون تكوين الصخر عبارة عن مزيج من المعادن المختلفة وصخور النفايات وغيرها من المنتجات الثانوية، والتي تعتمد نسبتها على رواسبها.

وتتميز الخامات المغناطيسية بأنها تعتمد على أكسيد له خواص مغناطيسية، ولكن عند تسخينها بقوة فإنها تضيع. كمية هذا النوع من الصخور في الطبيعة محدودة، ولكن محتوى الحديد فيها يمكن أن يكون جيدًا مثل خام الحديد الأحمر. خارجيا، يبدو مثل بلورات سوداء زرقاء صلبة.

خام الحديد الصاري هو صخرة خام تعتمد على السدريت. في كثير من الأحيان يحتوي على كمية كبيرة من الطين. من الصعب نسبيًا العثور على هذا النوع من الصخور في الطبيعة، مما يجعل استخدامه نادرًا، إلى جانب محتواه المنخفض من الحديد. ولذلك، فإنه من المستحيل تصنيفها على أنها أنواع صناعية من الخامات.

بالإضافة إلى الأكاسيد، تحتوي الطبيعة على خامات أخرى تعتمد على السيليكات والكربونات. تعتبر كمية محتوى الحديد في الصخور مهمة جدًا لاستخدامها الصناعي، ولكن من المهم أيضًا وجود عناصر ثانوية مفيدة مثل النيكل والمغنيسيوم والموليبدينوم.

التطبيقات

يقتصر نطاق تطبيق خام الحديد بالكامل تقريبًا على المعادن. يتم استخدامه بشكل أساسي لصهر الحديد الزهر، الذي يتم استخراجه باستخدام أفران الموقد المفتوح أو أفران التحويل. اليوم، يتم استخدام الحديد الزهر في مختلف مجالات النشاط البشري، بما في ذلك معظم أنواع الإنتاج الصناعي.

لا تقل استخدامًا للسبائك المختلفة القائمة على الحديد - فالفولاذ هو الأكثر استخدامًا على نطاق واسع نظرًا لقوته وخصائصه المضادة للتآكل.

يستخدم الحديد الزهر والصلب ومختلف سبائك الحديد الأخرى في:

1. الهندسة الميكانيكية لإنتاج الآلات والأجهزة المختلفة.
2. صناعة السيارات، لتصنيع المحركات والعلب والإطارات، بالإضافة إلى المكونات والأجزاء الأخرى.
3. الصناعة العسكرية والصاروخية، في إنتاج المعدات الخاصة والأسلحة والصواريخ.
4. البناء كعنصر تقوية أو بناء الهياكل الحاملة.
5. الصناعات الخفيفة والغذائية كالحاويات وخطوط الإنتاج والوحدات والأجهزة المختلفة.
6. صناعة التعدين، كالآلات والمعدات الخاصة.

رواسب خام الحديد

احتياطيات خام الحديد في العالم محدودة من حيث الكمية والموقع. تسمى مناطق تراكم احتياطيات الخام بالودائع. تنقسم رواسب خام الحديد اليوم إلى:

1. داخلية. وتتميز بموقع خاص في القشرة الأرضية، وعادة ما تكون على شكل خامات تيتانوماغنيتيت. وتتنوع أشكال ومواقع تلك الشوائب، فمن الممكن أن تكون على شكل عدسات، أو طبقات تقع في القشرة الأرضية على شكل رواسب، أو رواسب بركانية، على شكل عروق مختلفة وأشكال أخرى غير منتظمة.
2. خارجي. يشمل هذا النوع رواسب خامات الحديد البني والصخور الرسوبية الأخرى.
3. المتحولة. والتي تشمل رواسب الكوارتزيت.

يمكن العثور على رواسب هذه الخامات في جميع أنحاء كوكبنا. يتركز أكبر عدد من الودائع في أراضي جمهوريات ما بعد الاتحاد السوفيتي. وخاصة أوكرانيا وروسيا وكازاخستان.

تمتلك دول مثل البرازيل وكندا وأستراليا والولايات المتحدة والهند وجنوب إفريقيا احتياطيات كبيرة من الحديد. في الوقت نفسه، تقريبا كل دولة في العالم لديها رواسبها المتقدمة، في حالة النقص الذي يتم استيراد السلالة من بلدان أخرى.

إثراء خام الحديد

كما ذكرنا، هناك عدة أنواع من الخامات. يمكن معالجة الأغنياء مباشرة بعد الاستخراج من القشرة الأرضية، والبعض الآخر يحتاج إلى التخصيب. بالإضافة إلى عملية الإثراء، تشمل معالجة الخام عدة مراحل، مثل الفرز والسحق والفصل والتكتل.

يوجد اليوم عدة طرق رئيسية للإثراء:

1. فلاشينغ.

يتم استخدامه لتنظيف الخامات من المنتجات الثانوية في شكل طين أو رمل، والتي يتم غسلها باستخدام نفاثات الماء عالية الضغط. تتيح هذه العملية زيادة كمية محتوى الحديد في الخام منخفض الجودة بنسبة 5% تقريبًا. لذلك، يتم استخدامه فقط مع أنواع أخرى من التخصيب.

1. تنظيف الجاذبية.

ويتم تنفيذها باستخدام أنواع خاصة من المعلقات، التي تزيد كثافتها عن كثافة مخلفات الصخور، ولكنها أقل كثافة من كثافة الحديد. وتحت تأثير قوى الجاذبية، ترتفع المنتجات الثانوية إلى الأعلى، ويهبط الحديد إلى أسفل التعليق.

1. الفصل المغناطيسي.

طريقة الإثراء الأكثر شيوعًا، والتي تعتمد على مستويات مختلفة من إدراك المكونات الخام لتأثير القوى المغناطيسية. يمكن إجراء هذا الفصل باستخدام الصخور الجافة أو الصخور الرطبة أو في مزيج بديل من حالتيه.

لمعالجة المخاليط الجافة والرطبة، يتم استخدام براميل خاصة مع المغناطيس الكهربائي.

1. التعويم.

في هذه الطريقة، يتم غمس الخام المسحوق على شكل غبار في الماء مع إضافة مادة خاصة (كاشف التعويم) والهواء. وتحت تأثير الكاشف، ينضم الحديد إلى فقاعات الهواء ويرتفع إلى سطح الماء، بينما تغوص الصخور المهملة إلى القاع. يتم جمع المكونات التي تحتوي على الحديد من السطح على شكل رغوة.

الميزة الجيوكيميائية الأكثر أهمية للحديد هي وجود العديد من حالات الأكسدة. يشكل الحديد في شكله المحايد - المعدني - قلب الأرض، ومن المحتمل أن يكون موجودًا في الوشاح، ونادرًا ما يوجد في القشرة الأرضية. الحديد الحديدي FeO هو الشكل الرئيسي للحديد الموجود في الوشاح والقشرة. يتميز أكسيد الحديد Fe2O3 بالأجزاء العلوية والأكثر أكسدة في القشرة الأرضية، وخاصة الصخور الرسوبية.

من حيث الخصائص الكيميائية البلورية، فإن أيون Fe2+ قريب من أيونات Mg2+ وCa2+ - وهي عناصر رئيسية أخرى تشكل جزءًا كبيرًا من جميع الصخور الأرضية. بسبب التشابه الكيميائي البلوري، يحل الحديد محل المغنيسيوم، وجزئيًا، الكالسيوم في العديد من السيليكات. في هذه الحالة، عادة ما يزداد محتوى الحديد في المعادن ذات التركيب المتغير مع انخفاض درجة الحرارة.

معادن الحديد

ينتشر الحديد على نطاق واسع في القشرة الأرضية - فهو يمثل حوالي 4.1٪ من كتلة القشرة الأرضية (المركز الرابع بين جميع العناصر، والثاني بين المعادن). في الوشاح والقشرة الأرضية، يتركز الحديد بشكل رئيسي في السيليكات، في حين أن محتواه كبير في الصخور الأساسية وفوق القاعدية، ومنخفض في الصخور الحمضية والمتوسطة.

ومن المعروف عدد كبير من الخامات والمعادن التي تحتوي على الحديد. الخامات هي معادن طبيعية تحتوي على الحديد بكميات ومركبات تجعل استخراج المعدن منها صناعياً مجدياً اقتصادياً. يختلف محتوى الحديد في الخامات الصناعية بشكل كبير - من 16 إلى 70٪. اعتمادا على التركيب الكيميائي، يتم استخدام خامات الحديد لصهر الحديد الزهر في شكله الطبيعي، أو بعد إثراءه إذا كانت تحتوي على أقل من 50٪ حديد. تُستخدم معظم خامات الحديد في صهر الحديد الزهر والصلب والسبائك الحديدية. يتم استخدامها بكميات صغيرة نسبيًا كدهانات طبيعية (مغرة) وعوامل ترجيح لمحاليل طين الحفر.

من الأهمية العملية القصوى خام الحديد الأحمر (الهيماتيت، Fe2O3؛ يحتوي على ما يصل إلى 70% Fe)، وخام الحديد المغناطيسي (المغنتيت، FeO.Fe2O3، Fe3O4؛ يحتوي على 72.4% Fe)، وخام الحديد البني أو الليمونيت (الجويتيت والهيدروجويثيت والهيدروجويثيت ، على التوالي FeOOH وFeOOH nH2O). غالبًا ما يتم العثور على الجيوثيت والهيدروجيثيت في القشرة التجوية، مما يشكل ما يسمى بـ "القبعات الحديدية"، التي يصل سمكها إلى عدة مئات من الأمتار. ويمكن أيضًا أن تكون ذات أصل رسوبي، حيث تتساقط من المحاليل الغروية في البحيرات أو المناطق الساحلية للبحار. في هذه الحالة، يتم تشكيل خامات الحديد الزيتية أو البقولية. غالبًا ما تحتوي على فيفيانيت Fe(3PO4)2·8H2O، الذي له شكل بلورات سوداء ممدودة ومجموعات شعاعية.

تنتشر في الطبيعة أيضًا كبريتيدات الحديد - البايرايت FeS2 (الكبريت أو بيريت الحديد) والبيروتيت. فهي ليست خام الحديد - يستخدم البيريت لصنع حمض الكبريتيك، وغالبا ما يحتوي البيروتيت على النيكل والكوبالت.

معادن الحديد الأخرى الشائعة:

· السيديريت – FeCO3 – يحتوي على ما يقارب 35% حديد. لونه أبيض مصفر (مع لون رمادي أو بني إذا كان متسخًا).

· ماركاسيت – FeS2 – يحتوي على 46.6% حديد. ويحدث ذلك على شكل بلورات معينية صفراء تشبه النحاس، ثنائية الهرم.

· اللولينجايت - FeAs2 - يحتوي على 27.2% حديد ويتواجد على شكل بلورات هرمية بيضاء فضية اللون.

· Mispickel – FeAsS – يحتوي على 34.3% حديد. ويحدث في شكل منشورات بيضاء أحادية الميل.

· الميلانثيريت - FeSO4·7H2O - أقل شيوعًا في الطبيعة ويكون بلورات أحادية الميل باللون الأخضر (أو الرمادي بسبب الشوائب) ذات بريق زجاجي وهشة.

· الفيفيانيت - Fe3(PO4)2·8H2O - يحدث في شكل بلورات أحادية الميل زرقاء-رمادية أو خضراء-رمادية.

تحتوي القشرة الأرضية أيضًا على معادن حديدية أخرى أقل شيوعًا، على سبيل المثال.