[Ar]3d¹⁰4s¹ (استثناء؛ وليس 3d⁹4s² كما يقترحه النمط العام، بسبب الاستقرار الإضافي لمستوى d الممتلئ تماماً).

نعم، يُتوقع أن يكون بارامغناطيسياً؛ لأن الخاصية المغناطيسية البارامغناطيسية تنتج تحديداً عن وجود إلكترونات مفردة غير مزدوجة، وهذا الأيون يحتوي على 3 إلكترونات من هذا النوع.

وفق النسبة المولية في المعادلة الموزونة، كل 1 مول Fe₂O₃ ينتج 2 مول Fe.

لأن عناصر المجموعة الثانية ليس لها مستوى فرعي d نشط في تكافؤها؛ فحالة التأكسد الوحيدة المتاحة عملياً لها هي +2 (فقد إلكتروني s الخارجيين فقط)، بخلاف العناصر الانتقالية التي يتيح لها تقارب طاقة 3d و4s نطاقاً أوسع بكثير من حالات التأكسد الممكنة.

لا يُتوقع أن يكون ملوّناً؛ لأن مستوى d ممتلئ تماماً (d¹⁰)، فلا يمكن حدوث انتقالات d-d.

عند تكوين Cu²⁺ (فقد إلكترونين)، يُفقد إلكترون 4s الوحيد أولاً، ثم إلكترون واحد من 3d؛ فيصبح التوزيع النهائي [Ar]3d⁹.

[Ar]3d⁵4s¹ (استثناء؛ وليس 3d⁴4s² كما يقترحه النمط العام، بسبب الاستقرار الإضافي لمستوى d نصف الممتلئ).

كلتا الظاهرتين تنبعان من نفس السبب الإلكتروني: تقارب طاقة إلكترونات 3d و4s يسمح بمشاركة عدد متفاوت منها في الروابط الكيميائية (منتجاً حالات تأكسد متعددة)، وهذه المرونة نفسها في تغيير حالة التأكسد هي ما يسمح للعنصر بالمشاركة المؤقتة في آلية التفاعل الحفّاز، ثم العودة لحالته الأصلية بعد انتهاء التفاعل.

يعمل الكوك الزائد كعامل مختزل لثاني أكسيد الكربون CO₂ الناتج من الاحتراق، محوّلاً إياه إلى أول أكسيد الكربون CO، وهو الغاز الذي يقوم فعلياً باختزال خام الحديد في الخطوة التالية.

تقارب طاقة إلكترونات المستويين الفرعيين 3d و4s، مما يسمح بمشاركة عدد متفاوت من هذه الإلكترونات (من إلكترونين فقط إلى عدد أكبر) في تكوين الروابط الكيميائية حسب طبيعة التفاعل والعنصر الآخر المرتبط به.

لأن العناصر الانتقالية يمكنها تغيير حالة تأكسدها بسهولة نسبية (بسبب تقارب طاقة إلكترونات 3d و4s)، مما يسمح لها بالمشاركة المؤقتة في آلية التفاعل (بتكوين وسيط أو معقد مؤقت) ثم العودة لحالتها الأصلية؛ بينما عناصر المجموعة الأولى لها حالة تأكسد ثابتة عملياً (+1 فقط)، فلا تمتلك هذه المرونة.

الأرجح أن المستوى الفرعي d في هذا الأيون إما فارغ تماماً (d⁰) أو ممتلئ تماماً (d¹⁰)، ففي كلتا الحالتين لا يمكن حدوث انتقال إلكتروني بين مستويات فرعية d مختلفة.

لأن إلكترونات المستويين الفرعيين 3d و4s متقاربة جداً في الطاقة، فيمكن أن يشارك عدد متفاوت من هذه الإلكترونات في تكوين الروابط الكيميائية حسب طبيعة التفاعل والعنصر الآخر المرتبط به، مما ينتج حالات تأكسد متعددة لنفس العنصر.

لأن Fe₃O₄ يحتوي فعلياً على حالتي تأكسد للحديد معاً في نفس التركيب البلوري (+2 و+3، بنسبة مولية 1:2 على الترتيب)، بخلاف FeO (حالة +2 فقط) أو Fe₂O₃ (حالة +3 فقط) اللذين يحتويان على حالة تأكسد واحدة فقط لكل منهما.

لأن نفس العنصر (الحديد) يُظهر حالتي تأكسد مختلفتين تماماً (+2 و+3) في مركبين مختلفين، وهذا يعكس مباشرة الخاصية العامة للعناصر الانتقالية بتكوين حالات تأكسد متعددة، بسبب تقارب طاقة إلكترونات 3d و4s الذي يسمح بمشاركة عدد متفاوت منها في الروابط الكيميائية.

يُتوقع أن يكون ملوّناً؛ لأن توزيعه 3d⁷ غير مكتمل، فيمكن حدوث انتقالات d-d.

لأن الغاز CO يمكنه الاختلاط بكفاءة أكبر بكثير مع خام الحديد الصلب داخل الفرن (تلامس أوسع بين الغاز والصلب)، بخلاف التلامس المحدود والأبطأ بين قطع الكوك الصلبة وقطع الخام الصلبة مباشرة.

+2 (بما أن أيون الكبريتات SO₄²⁻ يحمل شحنة -2 ثابتة، فيجب أن يوازنها الحديد بشحنة +2 للحفاظ على تعادل المركب).

كبريتات الحديدوز FeSO₄، المعروفة بلونها الأخضر الباهت المميز في حالتها المائية (البلورات المائية)، وحالة تأكسد الحديد فيها +2.

[Ar]3d²4s² (بما أن Ti هو العنصر الثالث في السلسلة بعد Sc وقبل V، فn=2).

عدد مولات Fe المطلوبة = 560000/56 = 10000 مول؛ عدد مولات Fe₂O₃ اللازمة = 10000/2 = 5000 مول (من النسبة المولية 1:2)؛ كتلة Fe₂O₃ = 5000×160 = 800000 جرام = 800 كجم.

CaCO₃ → CaO + CO₂؛ وهو تفاعل تفكك حراري (تحلل حراري لمركب واحد إلى ناتجين).

توفير الحرارة اللازمة لتشغيل الفرن ورفع درجة حرارته إلى المستوى المطلوب لحدوث التفاعلات اللاحقة (تحلل الحجر الجيري، واختزال خام الحديد بواسطة CO).

يكون الأيون ملوّناً إذا كان مستواه الفرعي d غير مكتمل (يحتوي على عدد إلكترونات بين 1 و9)؛ ويكون عديم اللون إذا كان مستوى d فارغاً تماماً (d⁰) أو ممتلئاً تماماً (d¹⁰).

الرمز: Fe²⁺؛ التوزيع: تُفقد إلكترونا 4s فقط (بما أن الحالة +2 تعني فقد إلكترونين فقط)، فيصبح التوزيع [Ar]3d⁶.

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.

الكتلة المولية لـ Fe₂O₃ = (56×2)+(16×3) = 112+48 = 160 جم/مول؛ النسبة المئوية للحديد = (112/160)×100 = 70%.

أكسيد الحديد الثلاثي Fe₂O₃؛ مناسب لأن لونه الأحمر-البني الطبيعي (وهو نفس لون الصدأ) يجعله صبغة معدنية رخيصة ومستقرة كيميائياً وغير سامة نسبياً.

يُستخدم كعامل تخثير في معالجة مياه الصرف الصحي (لتجميع الشوائب العالقة وترسيبها)، ويُستخدم أيضاً في حفر (نقش) الدوائر الإلكترونية المطبوعة (إذابة النحاس غير المرغوب فيه من اللوحة).

أيون Sc³⁺ توزيعه الإلكتروني [Ar] (مستوى d فارغ تماماً، d⁰)، فلا يمكن حدوث انتقال إلكتروني بين مستويات فرعية d مختلفة لعدم وجود إلكترونات في d أصلاً؛ بينما أيون Fe³⁺ توزيعه [Ar]3d⁵ (مستوى d غير ممتلئ وغير فارغ)، فيمكن حدوث انتقالات d-d تنتج عنها اللون الملاحظ.

نعم، يُتوقع أن يكون بارامغناطيسياً؛ فالتوزيع 3d⁷ (7 إلكترونات موزعة على 5 مدارات فرعية d) يعني وجود عدد من الإلكترونات المفردة غير المزدوجة (حسب قاعدة هوند، تُوزَّع الإلكترونات أولاً منفردة على المدارات الخمسة قبل الازدواج، فينتج عادة 3 إلكترونات مفردة تقريباً في هذه الحالة)، وهذا يكفي لظهور الخاصية البارامغناطيسية.

يُستخدم في علاج فقر الدم الناتج عن نقص الحديد، حيث يوفر الجسم بأيونات الحديد اللازمة لتكوين الهيموجلوبين.

[Ar]3d⁷4s².

لأن كثافة الخبث المنصهر أقل بكثير من كثافة الحديد المنصهر، فيطفو الخبث فوق طبقة الحديد المنصهر، مما يسمح بتصريفه وفصله بسهولة عن الحديد من فتحة منفصلة في الفرن.

لأن النشاط الحفّاز يعتمد على قدرة العنصر على تغيير حالة تأكسده بسهولة والمشاركة المؤقتة في آلية التفاعل؛ وعناصر المجموعة الأولى لها حالة تأكسد واحدة ثابتة عملياً (+1)، فلا تمتلك هذه المرونة التي تتيحها العناصر الانتقالية بفضل تقارب طاقة إلكترونات 3d و4s.

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.

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.

توفر مدارات d فارغة جزئياً في الأيون الانتقالي، القادرة على استقبال أزواج إلكترونات حرة من جزيئات الماء (التي تعمل كليجاندات مانحة للإلكترونات)، وهذا ما يسمح بتكوين الروابط التناسقية في الأيون المعقد.

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.

يُتوقع أن يكون ملوّناً (وإن كان لونه فاتحاً جداً عملياً)؛ لأن مستوى d⁵ غير مكتمل (ليس d⁰ ولا d¹⁰)، فيمكن حدوث انتقالات d-d.

الكتلة المولية لـ FeCl₃ = 56+(35.5×3) = 56+106.5 = 162.5 جم/مول؛ عدد مولات FeCl₃ = 304/162.5 ≈ 1.87 مول؛ كتلة الحديد = 1.87×56 ≈ 104.7 جرام.

الكتلة المولية لـ FeSO₄ = 56+32+(16×4) = 56+32+64 = 152 جم/مول؛ النسبة المئوية للحديد = (56/152)×100 ≈ 36.8%.

عدد مولات Fe₂O₃ = 320/160 = 2 مول؛ يلزم 3×2=6 مول CO (من النسبة المولية 1:3)؛ كتلة CO = 6×28 = 168 جرام.

الاستنتاج المنطقي هو أن مستوى d في هذا الأيون غير مكتمل (ليس فارغاً تماماً d⁰ ولا ممتلئاً تماماً d¹⁰)، مما يسمح بحدوث انتقالات d-d تمتص جزءاً من الضوء المرئي وتُنتج اللون الأزرق الملاحظ.

[Ar]3d⁵4s² (المنجنيز يقع بعد الكروم مباشرة، ويتبع النمط العام دون استثناء).

الأيون ذو المستوى نصف الممتلئ (d⁵) يُتوقع أن يكون ملوّناً، لأن مستوى d غير الفارغ وغير الممتلئ تماماً يسمح بحدوث انتقالات d-d؛ أما الأيون ذو d¹⁰ (ممتلئ تماماً) فيُتوقع أن يكون عديم اللون.

4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃؛ حالة تأكسد الحديد في الناتج Fe₂O₃ هي +3.

عند تكوين Zn²⁺ (فقد إلكتروني 4s)، يصبح التوزيع [Ar]3d¹⁰ (مستوى d يبقى ممتلئاً تماماً، دون أي تأثير على 3d في هذه الحالة).

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).

وفق النسبة المولية 1:3 بين Fe₂O₃ وCO₂ الناتج، فإن 5 مول Fe₂O₃ تنتج 5×3=15 مول CO₂.