الباب الأول - مراجعة شاملة ومخطط التحويلات الكيميائية الشامل للحديد ومركباته للعناصر الانتقالية
تُشكّل هذه المحطة الشاملة الركيزة الختامية لمراجعة الباب الأول (العناصر الانتقالية والحديد ومركباته) وفق أعلى معايير التقييم الوطنية للثانوية العامة. يتكامل في هذا المخطط التحليلي شبكة تحويلات الحديد ومركباته كاملة، من فلز الحديد الحر إلى أملاح الحديد الثنائية والثلاثية، وهيدروكسيدات وأكاسيد الحديد الثلاثة (FeO و Fe2O3 و Fe3O4)، مع إبراز شروط التفاعلات الدقيقة من درجات حرارة، ونوعية الأحماض (مخففة أم مركزة ساخنة)، والعوامل المؤكسدة والمختزلة. كما تتناول المراجعة تعميق التمييز الكيميائي بالمعادلات والملاحظات العيانية، وربط التوزيع الإلكتروني للعناصر وحالات التأكسد الشائعة بالعزم المغناطيسي وتلون الأيونات والنشاط الحفزي، لإعداد الطالب لحل أدق الأسئلة المركبة ومسائل التحويلات متعددة المراحل بكفاءة واقتدار.
1. المخطط التحويلي الرئيسي لمركبات الحديد
شبكة التحويلات المغلقة للحديد ومركباته:
-
من Fe إلى الأكاسيد:
• Fe + O₂ أو H₂O عند 500°C ──>Fe₃O₄.
• Fe + الأحماض المخففة ──> أملاح حديد ثنائية (مثل FeSO₄ أو FeCl₂).
• Fe + Cl₂ ──>FeCl₃(ملح ثلاثي لأن الكلور مؤكسد).
• Fe + H₂SO₄ conc/Δ ──> خليطFeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + H₂O. -
التحويل بين الأكاسيد:
• الأكسدة بالهواء (بالحرارة):FeO ──> Fe₂O₃، وFe₃O₄ ──> Fe₂O₃.
• الاختزال بالـ CO أو H₂:
─ عند 230 - 300°C:Fe₂O₃ ──> Fe₃O₄
─ عند 400 - 700°C:Fe₂O₃ أو Fe₃O₄ ──> FeO
─ أعلى من 700°C: أي أكسيد ──>فلز الحديد Fe
2. جدول التمييز الكيميائي الحاسم
| المادتان المراد التمييز بينهما | الكاشف المعتمد | المشاهدة والنتيجة |
|---|---|---|
| حديد (Fe) وأكسيد حديد ثلاثي (Fe₂O₃) | حمض HCl مخفف | مع Fe يذوب ويتصاعد غاز H₂ يشتعل بفرقعة. مع Fe₂O₃ لا يحدث تفاعل. |
| كبريتات حديد (II) وكبريتات حديد (III) | محلول NaOH أو NH₄OH | مع Fe²⁺ يعطي راسب أبيض مخضر. مع Fe³⁺ يعطي راسب بني محمر جيلاتيني. |
| سبيكة بينية وسبيكة بين فلزية (Fe-C) | حمض HCl مخفف | مع البينية يتصاعد H₂ ويترسب C أسود. مع السيمنتيت غازات هيدروكربونية ولا يترسب C. |
| حمض نيتريك مركز وحمض كبريتيك مركز | إضافة برادة حديد | مع النيتريك يحدث خمول ويتوقف التفاعل. مع الكبريتيك يتصاعد غاز SO₂ يخضر ورقة الكرومات. |
3. علاقات حساب العزم المغناطيسي والإلكترونات المفردة
يتحدد العزم المغناطيسي بعدد الإلكترونات المفردة (n) في أوربيتالات 3d، وتكون العلاقة الرياضية التقريبية: μ = √(n(n + 2)) B.M. ويكون العزم أقصاه عند n = 5 (كما في Fe³⁺ و Mn²⁺) ويساوي تقريباً 5.92 بور مغنيتون، بينما يساوي صفراً في الأيونات الدايامغناطيسية (d⁰ و d¹⁰).
تمرين 1: تحويل كبريتات الحديد الثنائي إلى حديد
المسألة: كيف تحصل على فلز الحديد (Fe) من كبريتات الحديد الثنائي FeSO₄ بالمعادلات الكيميائية؟
• الخطوة 1: تسخين كبريتات الحديد الثنائي بشدة للحصول على أكسيد الحديد الثلاثي:
2FeSO₄ ──Δ──> Fe₂O₃ + SO₂ + SO₃• الخطوة 2: اختزال Fe₂O₃ في الفرن العالي بغاز CO عند درجة حرارة أعلى من 700°C:
Fe₂O₃ + 3CO ──(>700°C)──> 2Fe + 3CO₂
تمرين 2: تحويل السيدريت إلى كلوريد حديد ثلاثي
المسألة: وضح بالمعادلات الكيميائية كيف تحصل على كلوريد حديد ثلاثي (FeCl₃) من خام السيدريت (FeCO₃).
• الخطوة 1: تحميص السيدريت بالهواء للحصول على هيماتيت Fe₂O₃:
FeCO₃ ──Δ──> FeO + CO₂ ثم 4FeO + O₂ ──Δ──> 2Fe₂O₃.• الخطوة 2: اختزال الهيماتيت عند > 700°C للحصول على حديد Fe:
Fe₂O₃ + 3CO ──(>700°C)──> 2Fe + 3CO₂.• الخطوة 3: تفاعل الحديد الساخن مع غاز الكلور:
2Fe + 3Cl₂ ──Δ──> 2FeCl₃.
تمرين 3: تحويل هيدروكسيد الحديد الثلاثي إلى أكسيد مغناطيسي
المسألة: كيف تحصل على أكسيد الحديد المغناطيسي Fe₃O₄ ابتداءً من هيدروكسيد الحديد الثلاثي Fe(OH)₃؟
• الخطوة 1: تسخين Fe(OH)₃ أعلى من 200°C للحصول على Fe₂O₃:
2Fe(OH)₃ ──(>200°C)──> Fe₂O₃ + 3H₂O.• الخطوة 2: اختزال Fe₂O₃ بغاز CO عند درجة حرارة 230°C - 300°C:
3Fe₂O₃ + CO ──(230-300°C)──> 2Fe₃O₄ + CO₂.
تمرين 4: كشف الغازات الناتجة في كيمياء الحديد
المسألة: اذكر الكاشف الكيميائي والمشاهدة المميزة لكل من: غاز H₂، غاز SO₂، غاز CO₂ المتصاعدة في تفاعلات الحديد.
• غاز H₂: يقرب منه شظية مشتعلة فيشتعل بفرقعة ولهب أزرق باهت.
• غاز SO₂: يخضر ورقة مبللة بثاني كرومات البوتاسيوم البرتقالية المحمضة بحمض الكبريتيك المركز.
• غاز CO₂: يعكر ماء الجير الرائق لفترة قصيرة لتكون كربونات الكالسيوم غير الذائبة.
تمرين 5: أكسدة واختزال متعاقبة لأكسيد الحديد الثنائي
المسألة: ماذا يحدث عند تسخين أكسيد الحديد الثنائي FeO في الهواء بشدة، ثم إمرار غاز الهيدروجين على الناتج عند 500°C؟
• بالتسخين في الهواء يتأكسد FeO إلى أكسيد الحديد الثلاثي الأحمر Fe₂O₃:
4FeO + O₂ ──Δ──> 2Fe₂O₃.• بإمرار غاز H₂ عند 500°C (في مدى 400-700°C) يختزل Fe₂O₃ ليعود مرة أخرى إلى أكسيد الحديد الثنائي FeO:
Fe₂O₃ + H₂ ──(500°C)──> 2FeO + H₂O.
تمرين 6: مقارنة العزم والتأكسد لعناصر السلسلة
المسألة: رتب الكاتيونات الآتية تصاعدياً حسب عزمها المغناطيسي: Sc³⁺ ، Fe²⁺ ، Fe³⁺ ، Cu²⁺ ، Zn²⁺.
• Sc³⁺ و Zn²⁺: عزمهما = صفر (d⁰ و d¹⁰ دايامغناطيسي).
• Cu²⁺: [Ar] 3d⁹ به إلكترون مفرد واحد (عزمه = 1.73 B.M).
• Fe²⁺: [Ar] 3d⁶ به 4 إلكترونات مفردة (عزمه = 4.90 B.M).
• Fe³⁺: [Ar] 3d⁵ به 5 إلكترونات مفردة (عزمه = 5.92 B.M).
• الترتيب: Sc³⁺ = Zn²⁺ (صفر) < Cu²⁺ < Fe²⁺ < Fe³⁺.
تمرين 7: أثر حمض الكبريتيك المخفف على خليط Fe و Fe₂O₃
المسألة: خليط من برادة الحديد ومسحوق أكسيد الحديد الثلاثي، أضيف إليه وفرة من حمض الكبريتيك المخفف. صف ما يحدث واكتب المعادلة الكيميائية، وكيف تفصل أكسيد الحديد الثلاثي؟
• يتفاعل الحديد مع الحمض المخفف ويذوب ويتصاعد غاز الهيدروجين:
Fe + H₂SO₄ (dil) ──> FeSO₄ + H₂ ↑.• لا يتفاعل أكسيد الحديد الثلاثي Fe₂O₃ مع الحمض المخفف ويظل راسباً أسفل الأنبوبة.
• يفصل Fe₂O₃ بعملية الترشيح البسيطة، ثم الغسيل بالماء المقطر والتجفيف.
تمرين 8: استنتاج المادة المجهولة من تفاعلاتها
المسألة: مادة صلبة سوداء A تتفاعل مع حمض الكبريتيك المركز الساخن معطية خليطاً من ملحين للحديد وماء، وعند تسخين المادة A في الهواء تعطي مادة حمراء B. حدد الصيغة الكيميائية للمادتين A و B.
• المادة السوداء التي تتفاعل مع الحمض المركز لتعطي ملحين هي أكسيد الحديد المغناطيسي: A هي Fe₃O₄.
• وعند أكسدة Fe₃O₄ في الهواء بالتسخين يعطي الهيماتيت الأحمر الداكن: B هي Fe₂O₃.
• المعادلة:
2Fe₃O₄ + ½ O₂ ──Δ──> 3Fe₂O₃.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً: