الباب الأول - الدرس 5: أكاسيد الحديد الثلاثة (FeO و Fe₂O₃ و Fe₃O₄) وتفاعلات الأكسدة والاختزال والأحماض وخريطة التحويلات
تُشكّل كيمياء أكاسيد الحديد الثلاثة وتفاعلاتها المتبادلة جوهر أسئلة ومسائل التفكير العليا في اختبار شهادة الثانوية العامة. يمتلك الحديد ثلاثة أكاسيد رئيسية: أكسيد الحديد الثنائي FeO (يحضر بتسخين أوكسالات الحديد الثنائي بمعزل عن الهواء أو باختزال الأكاسيد الأعلى عند 400-700°C، ويتفاعل مع الأحماض المخففة ليعطي أملاح حديد ثنائية)، وأكسيد الحديد الثلاثي Fe2O3 (يحضر بالتسخين الشديد لهيدروكسيد الحديد الثلاثي أعلى من 200°C أو كبريتات الحديد الثنائي، ويتفاعل مع الأحماض المركزة الساخنة فقط ليعطي أملاح حديد ثلاثية)، وأكسيد الحديد المغناطيسي Fe3O4 (وهو أكسيد مختلط يحضر بتفاعل الحديد المسخن لدرجة الاحمرار مع الهواء أو بخار الماء عند 500°C أو باختزال الهيماتيت عند 230-300°C، ويتفاعل مع الأحماض المركزة الساخنة ليعطي خليطاً من أملاح الحديد الثنائية والثلاثية). ويتطلب الإتقان الكامل استيعاب ظاهرة الخمول الكيميائي مع حمض النيتريك المركز، والقدرة على الربط بين درجات حرارة الاختزال لتحويل أي أكسيد إلى الآخر بدقة متناهية.
1. أكسيد الحديد الثنائي (FeO)
-
التحضير: تسخين أوكسالات الحديد (II) بمعزل عن الهواء لمنع تأكسده:
(COO)₂Fe ──(تسخين بمعزل عن الهواء)──> FeO + CO + CO₂
لا يتكون Fe₂O₃ لأن غاز أول أكسيد الكربون CO عامل مختزل.
أو باختزال الأكاسيد الأعلى بالهيدروجين أو CO عند 400°C - 700°C. -
الخواص والتفاعلات: يتأكسد في الهواء الساخن إلى Fe₂O₃:
4FeO + O₂ ──Δ──> 2Fe₂O₃
يتفاعل مع الأحماض المخففة ليعطي أملاح حديد (II) وماء:FeO + H₂SO₄ (dil) ──> FeSO₄ + H₂O
2. أكسيد الحديد الثلاثي (Fe₂O₃)
-
طرق التحضير الأساسية:
• تسخين هيدروكسيد الحديد (III) أعلى من 200°C:2Fe(OH)₃ ──(>200°C)──> Fe₂O₃ + 3H₂O
• تسخين كبريتات الحديد (II) الخضراء بشدة:2FeSO₄ ──Δ──> Fe₂O₃ + SO₂ + SO₃
يتكون أكسيد ثلاثي لأن غاز SO₃ عامل مؤكسد يؤكسد FeO المتكون فوراً. -
الخواص والتفاعلات: لا يذوب في الماء، ولا يتفاعل مع الأحماض المخففة، ويتفاعل مع الأحماض المعدنية المركزة الساخنة ليعطي أملاح حديد (III) وماء:
Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ (conc/Δ) ──> Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O
3. أكسيد الحديد المغناطيسي (Fe₃O₄) وخريطة درجات الحرارة
تحضير وتفاعلات الماجنتيت (Fe₃O₄)
- تسخين الحديد لدرجة الاحمرار (500°C) مع الهواء أو بخار الماء:
3Fe + 2O₂ ──(500°C)──> Fe₃O₄3Fe + 4H₂O ──(500°C)──> Fe₃O₄ + 4H₂ - أكسدة الماجنتيت: يتأكسد بالحرارة في الهواء إلى هيماتيت:
2Fe₃O₄ + ½ O₂ ──Δ──> 3Fe₂O₃ - تفاعله مع حمض الكبريتيك المركز الساخن (يثبت أنه أكسيد مختلط FeO · Fe₂O₃):
Fe₃O₄ + 4H₂SO₄ (conc/Δ) ──> FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O
مفتاح الاختزال بدرجات الحرارة (الهيماتيت Fe₂O₃ كمثال)
- عند 230°C - 300°C: يختزل إلى الماجنتيت الأسود:
3Fe₂O₃ + CO ──(230-300°C)──> 2Fe₃O₄ + CO₂ - عند 400°C - 700°C: يختزل إلى أكسيد الحديد الثنائي:
Fe₂O₃ + CO ──(400-700°C)──> 2FeO + CO₂ - أعلى من 700°C (> 700°C): يختزل تماماً إلى فلز الحديد:
Fe₂O₃ + 3CO ──(>700°C)──> 2Fe + 3CO₂
تمرين 1: علل تسخين أوكسالات الحديد بمعزل عن الهواء
المسألة: علل علمياً: عند تسخين أوكسالات الحديد (II) بمعزل عن الهواء يتكون أكسيد الحديد الثنائي FeO وليس Fe₂O₃.
• لأن التحلل الحراري للأوكسالات ينتج غاز أول أكسيد الكربون (CO):
(COO)₂Fe ──Δ──> FeO + CO + CO₂• غاز CO عامل مختزل قوي يمنع أكسدة أكسيد الحديد الثنائي المتكون ويحافظ عليه من التحول إلى Fe₂O₃.
تمرين 2: علل تسخين كبريتات الحديد الثنائي يعطي Fe₂O₃
المسألة: علل علمياً: عند تسخين كبريتات الحديد (II) الخضراء FeSO₄ بشدة يتكون أكسيد الحديد (III) وليس أكسيد الحديد (II).
• تنحل كبريتات الحديد الثنائي حرارياً وفق المعادلة:
2FeSO₄ ──Δ──> Fe₂O₃ + SO₂ + SO₃• لأن غاز ثالث أكسيد الكبريت (SO₃) المتصاعد يعتبر عاملاً مؤكسداً قوياً يؤكسد أكسيد الحديد الثنائي الناتج فورياً إلى أكسيد حديد ثلاثي.
تمرين 3: التمييز بين FeO و Fe₂O₃
المسألة: كيف تميز عملياً وبطريقة كيميائية بسيطة بين مسحوق أكسيد الحديد الثنائي (FeO) ومسحوق أكسيد الحديد الثلاثي (Fe₂O₃)؟
• بإضافة حمض كبريتيك مخفف (أو حمض هيدروكلوريك مخفف) إلى كل منهما على البارد:
• مع FeO: يذوب الأكسيد ويتكون محلول كبريتات حديد (II) لونه أخضر فاتح.
• مع Fe₂O₃: لا يحدث أي تفاعل ولا يذوب الأكسيد لأن الأكسيد الثلاثي يتفاعل فقط مع الأحماض المركزة الساخنة.
تمرين 4: إثبات أن Fe₃O₄ أكسيد مختلط
المسألة: كيف تثبت بالتجربة والمعادلة الكيميائية أن أكسيد الحديد المغناطيسي (الماجنتيت Fe₃O₄) أكسيد مركب ومختلط من أكسيدين؟
• بمفاعلة Fe₃O₄ مع حمض الهيدروكلوريك أو الكبريتيك المركز الساخن:
Fe₃O₄ + 8HCl (conc/Δ) ──> FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O• يعطي التفاعل خليطاً من أملاح الحديد الثنائية FeCl₂ وأملاح الحديد الثلاثية FeCl₃، مما يثبت أنه أكسيد مختلط (FeO · Fe₂O₃).
تمرين 5: تحويل الحديد إلى أكسيد حديد ثلاثي بخطوتين
المسألة: اكتب المعادلات الكيميائية الرمزية الموزونة لتحويل فلز الحديد (Fe) إلى أكسيد حديد ثلاثي (Fe₂O₃) بطريقتين مختلفتين.
• الطريقة 1: تفاعل الحديد مع غاز الكلور ليعطي كلوريد حديد ثلاثي، ثم مفاعلته مع هيدروكسيد أمونيوم، ثم التسخين أعلى من 200°C:
2Fe + 3Cl₂ ──Δ──> 2FeCl₃FeCl₃ + 3NH₄OH ──> Fe(OH)₃ ↓ + 3NH₄Cl2Fe(OH)₃ ──(>200°C)──> Fe₂O₃ + 3H₂O• الطريقة 2: تفاعل الحديد مع الهواء ليعطي ماجنتيت ثم أكسدة الماجنتيت بالحرارة في الهواء:
3Fe + 2O₂ ──(500°C)──> Fe₃O₄ ثم 2Fe₃O₄ + ½ O₂ ──Δ──> 3Fe₂O₃.
تمرين 6: ظاهرة الخمول الكيميائي مع حمض النيتريك
المسألة: وضح ماذا يحدث عند غمر قطعة من فلز الحديد في حمض النيتريك المركز (HNO₃ conc)، وكيف يمكن إزالة هذا الأثر؟
• يتوقف التفاعل فوراً وتحدث ظاهرة الخمول الكيميائي (Passivity).
• السبب: تكون طبقة رقيقة جداً متماسكة وغير مسامية من الأكسيد على سطح الحديد تمنع استمرار التفاعل.
• يمكن إزالة هذه الطبقة بإحدى طريقتين: ميكانيكياً بواسطة الحك (الصنفرة)، أو كيميائياً بإضافة حمض هيدروكلوريك مخفف (HCl dil).
تمرين 7: تفاعل الحديد مع حمض الكبريتيك المركز
المسألة: اكتب المعادلة الكيميائية الموزونة لتفاعل فلز الحديد مع حمض الكبريتيك المركز الساخن، واذكر الغاز المتصاعد وكيفية الكشف عنه.
• المعادلة:
3Fe + 8H₂SO₄ (conc/Δ) ──> FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4SO₂ ↑ + 8H₂O• الغاز المتصاعد: غاز ثاني أكسيد الكبريت SO₂ ذو الرائحة النفاذة.
• الكشف عنه: يخضر ورقة مبللة بمحلول ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة بحمض الكبريتيك المركز.
تمرين 8: مخطط اختزال درجات الحرارة لـ Fe₂O₃
المسألة: ما هو الناتج الرئيسي عند إمرار غاز أول أكسيد الكربون فوق أكسيد الحديد الثلاثي الساخن عند درجات الحرارة الآتية: 250°C ، 500°C ، 800°C؟
• عند 250°C (في مدى 230-300°C): الناتج هو أكسيد الحديد المغناطيسي Fe₃O₄.
• عند 500°C (في مدى 400-700°C): الناتج هو أكسيد الحديد الثنائي FeO.
• عند 800°C (أعلى من 700°C): الناتج هو فلز الحديد Fe.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً: