نظائر الحديد الثقيلة
الحديد
(Fe)
، عنصر كيميائي، معدن من المجموعة الثامنة في
الجدول الدوري
، المعدن الأكثر استعمالا ورخصا.
خصائص عنصر الحديد
- العدد الذري: ستة وعشرون
- الكتلة الذرية: 55.847
- درجة الذوبان: 1,538 درجة مئوية،2,800 فهرنهايت.
- درجة الغليان: ثلاثة آلاف درجة مئوية أي 5,432 فهرنهايت.
- الجاذبية المعينة: 86
- درجة التأكسد: +2, +3, +4, +6
-
الترتيب الإلكتروني: [Ar[3
d
6
4
s
2
استخدامات الحديد
الحديد يشكل خمسة بالمئة من قشرة الأرض وثاني أكثر معدن منتشر بعد معدن الألمنيوم والرابع في الانتشار بعد الأكسجين، السيليكون والألمنيوم بين العناصر. الحديد، الذي يشكل المركب الأساسي من قشرة الأرض، هو أكثر عنصر منتشر في الأرض ككل (حوالي خمسة وثلاثين بالمئة) وينتشر بكثرة في
الشمس والنجوم
الأخرى.
في قشرة الأرض، الحديد ليس معدنا حرا، يوجد على شكل حديد أرضي (مصنع مع ثلاثة بالمئة تقريبا من النيكل) في الصخور البازلتية في غرينلاند والرواسب الكربونية في الولايات المتحدة وكحديد منخفض النيكل (يحوي من خمسة إلى سبعة بالمئة تقريبا من النيكل)
النيكل-الحديد هي سبيكة أصلية يوجد في رواسب في الأرض ويحوي (21-64 في المائة من الحديد ، 77-34 في المائة من النيكل) وفي النيازك مثل التينيت (62-75 في المائة من الحديد ، 37-24 في المائة من النيكل). النيازك تصنف بأنها حديد أو حجر صخري أو صخري استنادا إلى كميات الحديد ومعدن السيلكيات.
الحديد أيضا يجمع مع باقي العناصر في العديد من المعادن ويمكن أن تكون لها أهمية شديدة كالهيماتيت (أوكسيد الحديدFe
2
O
3
)، الماغنيتيت (ثلاثي رباعي أكسيد الحديد)، الليمونيت (هيدروكسيد أكسيد الحديد الحديدي ، FeO (OH) ∙ nH2O)، والسيدريت (كربونات الحديدFeCO3). الصخور النارية يبلغ محتواها من الحديد حوالي خمسة بالمئة. المعدن يستخرج من خلال الصهر بالكربون (فحم الكوك) والحجر الجيري.[1]
مم يتكون الحديد
كمية الحديد في جسم الإنسان تبلغ حوالي أربعة ونصف غرام. حوالي 65 بالمئة منه تكون موجودة على شكل هيموغلوبين، التي تقوم بنقل الأكسجين من الرئتين إلى باقي أنحاء الجسم. الباقي يتم تخزينه في باقي الجسم (الكبد، الطحال، نقي العظم) لتتحول في المستقبل على هيموغلوبين. اللحوم الحمراء، صفار البيض، الجزر، الفواكه والخضروات الخضراء والقمح يساهموا بحوالي عشرين مليغرام يوميا من الحديد الذي يطلبه الإنسان كل يوم. لمعالجة فقر الدم ، غالبا الذي يسببه نقص الحديد، أي كمية من الحديد العضوي يمكن أن تستخدم.
الحديد المتوفر ، يحتوي على كميات صغيرة قليلة من الكربون، التي تم التقاطها من فحم الكوك أثناء الانصهار. هذا يوضح خصائصه، من حديد صلب وش يحوي ما يصل إلى أربعة بالمئة من الكربون إلى فولاذ منخفض الكربون أكثر مرونة يحوي على أقل من 0.1 بالمئة من الكربون.
الحديد النقي يكون تفاعليا، وفي حالة الحديد المقسم بشكل جيد للغاية، يكون الحديد مشتتا أي أن يشتعل بتلقائية ويتحد بقوة مع الكلور في سخونة عادية وأيضا مع العديد من غير المعادن متضمنا الهالوجين، الفوسفور، البور، الكربون والسيليكون. تلعب مرحلتا الكربيد والسيليكون أدوارا أساسية في التعدين التقني للحديد. يذوب الحديد المعدني بسهولة في الأحماض المعدنية.
مع الأحماض غير المؤكسدة وفي غياب الهواء يتم الحصول على الحديد في حالة أكسدة +2. مع وجود الهواء أو عند استخدام حمض النيتريك المخفف الدافئ ، يدخل بعض الحديد في المحلول مثل أيون Fe3 +. الوسطيات المؤكسدة بشدة كحمض النتريك المركز أو الأحماض التي تحتوي ثنائي كرومات تتسبب في فقدان الحديد نشاطه الكيميائي الطبيعي. بينما الماء الخالي من الهواء والهيدروكسات الخالية من الهواء لها تأثير قليل على المعدن.
نظائر الحديد الأربعة
الحديد الطبيعي هو مزيج من النظائر المستقرة الأربعة. الحديد 56 (91.66بالمئة)، الحديد 54 (5.82 بالمئة)، الحديد57 (2.19 بالمئة)، الحديد 58 (0.33 بالمئة)
مركبات الحديد كانت قابلة للدراسة من خلال الاستفادة من ظاهرة تدعي Mössbauer ؛ وهي ظاهر ة امتصاص أشعة غاما وإعادة تشكيلها بواسطة نواة دون أن ترتد) على رغم من أن هذه الظاهرة قد لوحظت في ثلث المعادن تقريبا، ولكنها انت خصوصا للحديد وتأثيرها كان له مجال للدراسة كبير عند الكيميائيين.
في حالة أيون الحديد التأثيرات تتعلق بفكرة أن النواة الحديد 57 يمكن أن تثار لمرحلة عالية من الطاقة بامتصاص أشعة غاما بتردد محدد للغاية يتأثر بحالة الأكسدة، وتكوين الإلكترونات، والبيئة الكيميائية لذرة الحديد وبالتالي يمكن أن نستخدمه كدليل لوصف السلوك الكيميائي[1]
تسرب نظائر الحديد الثقيلة
قلب الأرض المنصهر يمكن أن يسرب الحديد، اعتمادا على الأبحاث الذين تحدثوا عن كيفية تصرف الحديد داخل كوكبنا. الحدود بين جوهر الحديد السائل والعباءة الصخرية يصل لمسافة حوالي 1800 ميلا (حوالي 2900 كيلو مترا) تحت سطح الأرض. عند هذا الانتقال، تنخفض درجة الحرارة بأكثر من ألف درجة من القلب الأكثر حرارة إلى القلب الأكثر برودة.
الدراسة الحديثة ترجح أن نظائر الحديد الثقيلة تهاجر باتجاه درجات الحرارة المنخفضة باتجاه العباءة، بينما نظائر الحديد الخفيفة تدور عائدة إلى أسفل القلب (النظائر لنفس العنصر تحوي على أعداد مختلفة من النترونات، مما يعطيها كتل مختلفة). هذا التأثير يسبب أن المادة الأساسية تتسلل إلى الوشاح الأدنى لتغنيه في نظائر الحديد الثقيلة.
إذا كان هذا صحيحا، هذا يغني معرفتنا بالتفاعلات بين الوشاح الأساسي. فهم العمليات الفيزيائية التي تعمل على حدود الوشاح الزلزالية ضروري لتفسير الصور الزلزالية للوشاح العميق، وكذلك نمذجة مدى الانتقال الكيميائي والحراري بين الأرض العميقة وسطح الكوكب.
وقد شرح بعض الباحثين كيفية انتقال نظائر الحديد الثقيلة بين مناطق تحوي درجات حرارة مختلفة خلال التجارب التي أجريت تحت ضغط عالي ودرجة حرارة عالية. النتائج يمكن أن تشرح لم نظائر الحديد الثقيلة توجد في صخور الوشاح أكثر من النيازك الكوندريتية، إذا كان هذا صحيحا، فإن النتائج تظهر أن الحديد كان يتسرب من الوشاح لملايين السنين. المحاكاة الحاسوبية التي أجراها فريق الباحثون أن هذه المادة الأساسية يمكن أن تصل إلى السطح، ممزوجة مع أعمدة الوشاح الساخنة المتدفقة وتنقلها. بعض الأحواض اندلعت في المناطق الساخنة مثل ساموا وهاواي، وهذه المناطق غنية بالنظائر الحديدة الثقيلة، وقد اقترح الباحثين أنها دليل على وجود نواة مسربة.[2]
نظائر الحديد
|
النواة |
Z |
N |
كتلة النظير |
عمر النصف |
أوضاع الاضمحلال |
النظير |
التكافؤ والدوران |
الانتشار الطبيعي | |
|
طاقة الإثارة |
النسبة الطبيعية |
مدى التباين | |||||||
|
45 Fe | 26 | 19 | 45.01458(24)# | 1.89(49) ms |
β + (30%) |
45 Mn | 3/2+# | ||
| 2p (70%) |
43 Cr | ||||||||
|
46 Fe | 26 | 20 | 46.00081(38)# |
9(4) ms [12(+4-3) ms] |
β + (>99.9%) |
46 Mn | 0+ | ||
|
β + , p (<.1%) |
45 Cr | ||||||||
|
47 Fe | 26 | 21 | 46.99289(28)# | 21.8(7) ms |
β + (>99.9%) |
47 Mn | 7/2−# | ||
|
β + , p (<.1%) |
46 Cr | ||||||||
|
48 Fe | 26 | 22 | 47.98050(8)# | 44(7) ms |
β + (96.41%) |
48 Mn | 0+ | ||
|
β + , p (3.59%) |
47 Cr | ||||||||
|
49 Fe | 26 | 23 | 48.97361(16)# | 70(3) ms |
β + , p (52%) |
48 Cr | (7/2−) | ||
|
β + (48%) |
49 Mn | ||||||||
|
50 Fe | 26 | 24 | 49.96299(6) | 155(11) ms |
β + (>99.9%) |
50 Mn | 0+ | ||
|
β + , p (<.1%) |
49 Cr | ||||||||
|
51 Fe | 26 | 25 | 50.956820(16) | 305(5) ms |
β + |
51 Mn | 5/2− | ||
|
52 Fe | 26 | 26 | 51.948114(7) | 8.275(8) h |
β + |
52m Mn | 0+ | ||
|
52m Fe | 6.81(13) MeV | 45.9(6) s |
β + |
52 Mn | (12+)# | ||||
|
53 Fe | 26 | 27 | 52.9453079(19) | 8.51(2) min |
β + |
53 Mn | 7/2− | ||
|
53m Fe | 3040.4(3) keV | 2.526(24) min | IT |
53 Fe | 19/2− | ||||
|
54 Fe | 26 | 28 | 53.9396090(5) | مستقر ملاحظا | 0+ | 0.05845(35) | 0.05837–0.05861 | ||
|
54m Fe | 6526.9(6) keV | 364(7) ns | 10+ | ||||||
|
55 Fe | 26 | 29 | 54.9382934(7) | 2.737(11) y | EC |
55 Mn | 3/2− | ||
|
56 Fe [n 9] | 26 | 30 | 55.9349363(5) |
مستقر | 0+ | 0.91754(36) | 0.91742–0.91760 | ||
|
57 Fe | 26 | 31 | 56.9353928(5) |
مستقر | 1/2− | 0.02119(10) | 0.02116–0.02121 | ||
|
58 Fe | 26 | 32 | 57.9332744(5) | مستقر | 0+ | 0.00282(4) | 0.00281–0.00282 | ||
|
59 Fe | 26 | 33 | 58.9348755(8) | 44.495(9) d |
β − |
59 Co | 3/2− | ||
|
60 Fe | 26 | 34 | 59.934072(4) |
2.6×10 6 y |
β − |
60 Co | 0+ | trace | |
|
61 Fe | 26 | 35 | 60.936745(21) | 5.98(6) min |
β − |
61 Co | 3/2−,5/2− | ||
|
61m Fe | 861(3) keV | 250(10) ns | 9/2+# | ||||||
|
62 Fe | 26 | 36 | 61.936767(16) | 68(2) s |
β − |
62 Co | 0+ | ||
|
63 Fe | 26 | 37 | 62.94037(18) | 6.1(6) s |
β − |
63 Co | (5/2)− | ||
|
64 Fe | 26 | 38 | 63.9412(3) | 2.0(2) s |
β − |
64 Co | 0+ | ||
|
65 Fe | 26 | 39 | 64.94538(26) | 1.3(3) s |
β − |
65 Co | 1/2−# | ||
|
65m Fe | 364(3) keV | 430(130) ns | (5/2−) | ||||||
|
66 Fe | 26 | 40 | 65.94678(32) | 440(40) ms |
β − (>99.9%) |
66 Co | 0+ | ||
|
β − , n (<.1%) |
65 Co | ||||||||
|
67 Fe | 26 | 41 | 66.95095(45) | 394(9) ms |
β − (>99.9%) |
67 Co | 1/2−# | ||
|
β − , n (<.1%) |
66 Co | ||||||||
|
67m Fe | 367(3) keV | 64(17) µs | (5/2−) | ||||||
|
68 Fe | 26 | 42 | 67.95370(75) | 187(6) ms |
β − (>99.9%) |
68 Co | 0+ | ||
|
β − , n |
67 Co | ||||||||
|
69 Fe | 26 | 43 | 68.95878(54)# | 109(9) ms |
β − (>99.9%) |
69 Co | 1/2−# | ||
|
β − , n (<.1%) |
68 Co | ||||||||
|
70 Fe | 26 | 44 | 69.96146(64)# | 94(17) ms | 0+ | ||||
|
71 Fe | 26 | 45 | 70.96672(86)# |
30# ms [>300 ns] | 7/2+# | ||||
|
72 Fe | 26 | 46 | 71.96962(86)# |
10# ms [>300 ns] | 0+ | ||||