الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على كتابة معادلات التفاعلات الرئيسية للحديد مع الأحماض والأكسجين والماء، وتحديد حالة التأكسد الناتجة في كل حالة.
شرح الدرس
يتفاعل الحديد مع الأحماض المخففة (كحمض الهيدروكلوريك) منتجاً أملاح الحديدوز (Fe²⁺) وغاز الهيدروجين: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.
يتفاعل الحديد مع الأكسجين الجوي في وجود الرطوبة (الصدأ) منتجاً أكسيد الحديد الثلاثي المائي: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ (تفاعل مباشر مبسط؛ الصدأ الفعلي مركب مائي).
يتفاعل الحديد مع بخار الماء الساخن منتجاً أكسيد الحديد المغناطيسي وغاز الهيدروجين: 3Fe + 4H₂O(بخار) → Fe₃O₄ + 4H₂.
يمكن للحديد أيضاً إزاحة فلزات أقل نشاطاً من محاليل أملاحها (تفاعل إحلال أحادي)، مثل: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
أسئلة تدريبية
1. اكتب معادلة تفاعل الحديد مع حمض الهيدروكلوريك المخفف، وحدد حالة تأكسد الحديد في الملح الناتج.
عرض الإجابة
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂؛ حالة تأكسد الحديد في الملح الناتج (FeCl₂) هي +2.
2. احسب حجم غاز الهيدروجين الناتج (بالمول) من تفاعل 2.8 جرام من الحديد الزائد مع حمض الهيدروكلوريك المخفف. (الكتلة المولية للحديد = 56 جم/مول)
عرض الإجابة
عدد مولات الحديد = 2.8/56 = 0.05 مول؛ من النسبة المولية 1:1 بين Fe وH₂ في المعادلة Fe+2HCl→FeCl₂+H₂، ينتج 0.05 مول H₂.
3. اكتب معادلة تفاعل الحديد مع بخار الماء الساخن، واذكر الناتج الأكسيدي المتكوّن.
عرض الإجابة
3Fe + 4H₂O(بخار) → Fe₃O₄ + 4H₂؛ الناتج الأكسيدي هو أكسيد الحديد المغناطيسي Fe₃O₄.
4. لماذا يمكن للحديد أن يزيح النحاس من محلول كبريتات النحاس CuSO₄، وفق تفاعل Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu؟
عرض الإجابة
لأن الحديد أكثر نشاطاً كيميائياً (أعلى في السلسلة الكهروكيميائية) من النحاس، فيميل لفقد إلكتروناته وتكوين أيون موجب (يتأكسد)، بينما يكتسب أيون النحاس هذه الإلكترونات ويترسب كفلز نحاس متعادل (يُختزل).
5. احسب كتلة النحاس الناتجة من تفاعل 5.6 جرام من الحديد الزائد مع محلول كبريتات نحاس زائد. (الكتلة المولية للحديد=56 جم/مول، وللنحاس=64 جم/مول)
عرض الإجابة
عدد مولات الحديد = 5.6/56 = 0.1 مول؛ من النسبة المولية 1:1 في المعادلة Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu، ينتج 0.1 مول نحاس؛ كتلة النحاس = 0.1×64 = 6.4 جرام.
6. ما حالة تأكسد الحديد في الناتج Fe₃O₄ (أكسيد الحديد المغناطيسي)؟ (ملحوظة: Fe₃O₄ يُعد فعلياً مزيجاً من FeO وFe₂O₃ بنسبة 1:1 مولياً)
عرض الإجابة
يحتوي Fe₃O₄ على حالتي تأكسد للحديد معاً: +2 (من جزء FeO) و+3 (من جزء Fe₂O₃)، بنسبة مولية 1:2 على التوالي داخل التركيب البلوري.
7. اكتب معادلة صدأ الحديد المبسطة (تفاعله مع الأكسجين الجوي)، وحدد حالة تأكسد الحديد في الناتج.
عرض الإجابة
4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃؛ حالة تأكسد الحديد في الناتج Fe₂O₃ هي +3.
8. لماذا تنتج معظم تفاعلات الحديد مع الأحماض المخففة العادية (كـ HCl المخفف) أملاح Fe²⁺ تحديداً، وليس أملاح Fe³⁺؟
عرض الإجابة
لأن هذه الأحماض المخففة العادية ليست عوامل مؤكسدة قوية كافية لأكسدة الحديد إلى حالة التأكسد +3 مباشرة؛ فتنتج حالة التأكسد +2 الأقل، الناتجة عن فقد إلكتروني 4s فقط دون التأثير على إلكترونات 3d.
9. احسب كتلة FeCl₂ الناتجة نظرياً من تفاعل 11.2 جرام من الحديد الزائد مع حمض الهيدروكلوريك المخفف الزائد. (الكتلة المولية للحديد=56 جم/مول، وFeCl₂=127 جم/مول)
عرض الإجابة
عدد مولات الحديد = 11.2/56 = 0.2 مول؛ من النسبة المولية 1:1، ينتج 0.2 مول FeCl₂؛ كتلة FeCl₂ = 0.2×127 = 25.4 جرام.
10. لماذا يمكن اعتبار تفاعل الحديد مع بخار الماء الساخن (3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂) تفاعل أكسدة واختزال؟
عرض الإجابة
لأن حالة تأكسد الحديد تتغير من 0 (في الفلز الحر) إلى +2 و+3 مجتمعين (في Fe₃O₄)، أي يتأكسد الحديد؛ بينما تتغير حالة تأكسد الهيدروجين في الماء من +1 إلى 0 (في غاز H₂ الحر)، أي يُختزل؛ فكلا التغيرين المتزامنين في حالات التأكسد يجعلان هذا التفاعل تفاعل أكسدة واختزال حقيقياً.
11. جسيم من الحديد كتلته 28 جرام تفاعل تفاعلاً كاملاً مع حمض الهيدروكلوريك المخفف. احسب عدد مولات حمض الهيدروكلوريك المستهلكة في هذا التفاعل. (الكتلة المولية للحديد=56 جم/مول)
عرض الإجابة
عدد مولات الحديد = 28/56 = 0.5 مول؛ من النسبة المولية 1:2 بين Fe وHCl في المعادلة Fe+2HCl→FeCl₂+H₂، يلزم 0.5×2=1 مول HCl.
12. قارن بين نوعي التفاعل: تفاعل الحديد مع الحمض المخفف (Fe+2HCl→FeCl₂+H₂)، وتفاعل الحديد مع محلول ملح فلز أقل نشاطاً (Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu). ما وجه الشبه الأساسي بين آليتي هذين التفاعلين من حيث سلوك الحديد؟
عرض الإجابة
في كلا التفاعلين، يتأكسد الحديد (يفقد إلكترونات ويتحول من حالة تأكسد 0 إلى +2)، بينما يُختزل الطرف الآخر (أيون الهيدروجين H⁺ في الحمض يُختزل إلى H₂، أو أيون النحاس Cu²⁺ يُختزل إلى نحاس متعادل)؛ فكلا التفاعلين مثال على تفاعل إحلال أكسدة واختزال يعتمد على نشاط الحديد الكيميائي الأعلى مقارنة بالطرف الآخر.