كيمياء الباب الخامس الخواص العامة للعناصر الانتقالية 3ث حصريا فيديو

كيمياء - الباب الخامس| الخواص العامة للعناصر الانتقالية



خواص العامة للعناصر الانتقالية


[1] جميعها فلزات نموذجية:- لأنها تتميز بالخواص الآتية:-


1- قابلة للطرق والسحب. 2- لها بريق ولمعان معدنى.

3- جيدة التوصيل للحرارة والكهرباء. 4- تتميز بدرجات انصهار وغليان مرتفعة.

5- ذات كثافة عالية وحجوم صغيرة.

6- تكون مع بعضها أو مع فلزات غير انتقالية سبائك.


[2] الحجم الذرى:-



بزيادة العدد الذرى يحدث تناقص بسيط فى نصف قطر الذرة حتى أن أنصاف
أقطارها تكاد تكون متقاربة فالعناصر من الكروم إلى النحاس تكون أنصاف
أقطارها متشابهة ويرجع ذلك إلى عاملين متضادين هما:-


[أ] العامل الأول:- يعمل على نقص نصف قطر الذرة؛ وهو زيادة شحنة النواة من عنصر إلى عنصر مما يسبب نقص الحجم الذرى.

[ب] العامل الثانى:- يعمل على زيادة نصف قطر الذرة؛ وهو زيادة عدد
الإلكترونات فى المستوى الفرعى (3d) والذى يؤدى إلى زيادة قوة التنافر مما
يسبب زيادة حجم الذرة.

ملاحظات:-

• تزداد طاقة التأين بنقص نصف القطر وبالتالى يكون من الصعب تأكسد العناصر كلما اتجهنا من اليسار إلى اليمين.

• عندما تتماثل أنصاف الأقطار الذرية تتشابه العناصر فى الخواص كما فى ثلاثية (الحديد – الكوبلت – النيكل)


[3] الكثافة:-


• تزداد بزيادة العدد الذرى

• وحيث أن الحجم الذرى لذرات العناصر الانتقالية تقريباً ثابت فإن الكثافة تزداد بزيادة الكتلة الذرية.


[4] درجة الانصهار والغليان:-

تتميز بارتفاع درجة الانصهار والغليان لوجود إلكترونات مفردة فى
(3d, 4s) والتى تكون روابط فلزية تزيد من قوة التجاذب فى الشبكة البلورية
للفلز فتحتاج إلى طاقة كبيرة لإبعادها أثناء الانصهار أو الغليان.


[5] الخواص المغناطيسية:-

العناصر الانتقالية وكثير من مركباتها تتجاذب مع المجال المغناطيسى
الخارجى ويرجع ذلك لوجود إلكترونات مفردة فى (3d) وينتج عن حركتها مجالات
مغناطيسية تتجاذب مع المجال الخارجى.


تنقسم العناصر الانتقالية من حيث الخواص المغناطيسية إلى:-

[1] مواد بارامغناطيسية. [2] مواد دايامغناطيسية.



[6] تنوع الألوان:-

• تتميز العناصر الانتقالية بأن أيوناتها أو ذراتها ملونة والسبب فى
ذلك أن العناصر الانتقالية تحتوى على إلكترونات مفردة فى (3d) سهلة
الإثارة حيث تكفى طاقة الضوء المرئى (ألوان الطيف) إلى إثارتها عن طريق
امتصاص المادة لبعض هذه الألوان والتى طاقتها تساوى الطاقة اللازمة لهذا
المادة.

• واللون الذى لا يمتص يسمى اللون المتمم والذى يعكس فتراه العين.

• إذا امتصت المادة اللون الأبيض فإن العين ترى هذا المادة سوداء.

• إذا لم تمتص المادة أى لون من ألوان الطيف فإن العين ترى هذه المادة بيضاء.

• إذا امتصت المادة لون معين من ألوان الطيف ترى هذه المادة باللون المتمم له.

أمثلة:-

1- مركبات الكوبلت (II):- تمتص اللون الأحمر وتترك اللون المتمم له وهو الأزرق المخضر فترى العين هذه المركبات زرقاء مخضرة.

2- مركبات النحاس (II):-

تمتص اللون البرتقالى وتترك اللون المتمم له وهو الأزرق.


المركبات تكون عديم اللون فى الحالات الآتية:-


1- جميع إلكترونات (d10) مزدوجة.

2- (d0) فارغة من الإلكترونات.

3- الإلكترونات المفردة تكون فى مستويات (s) أو (p) فتحتاج لإثارتها طاقة أعلى من طاقة الضوء المرئى.

[7] النشاط الحفزى:- (دور العامل الحفاز فى الصناعة)

تعتبر العناصر الانتقالية عوامل حفز مثالية لأنها تحتوى على
إلكترونات مفردة فى المستوى الفرعى(d) تكون روابط مع جزيئات المتفاعلات مما
يؤدى إلى:-

تركيز هذه المتفاعلات على سطح الحافز، فتزيد من سرعة التفاعل مما يؤدى إلى زيادة الإنتاج.

أمثلة:- لدور العامل الحفاز فى الصناعة:

(1) خامس أكسيد الفانديوم أو أكاسيد الحديد أو أكسيد الكرروم أو البلاتين الغروى المرسب على الاسبستس فى تحضير حمض الكبريتيك.

(2) مركبات التيتانيوم فى تحويل الإيثيلين إلى بولى إيثيلين (البلاستيك)

(3) الحديد أو المولبنديوم فى تحضير النشادر.


[18Ar] 3d6 4s2

• الحديد يحتل الترتيب الرابع من حيث الانتشار فى القشرة الأرضية بعد الأكسجين والسليكون والألومنيوم.

• يمثل 5% من وزن القشرة الأرضية وتزداد كميته كلما اقتربنا من باطن الأرض.

• يوجد بشكل حر فى النيازك.

خاماته:-

وهذه الخامات توجد مختلطة بكثير من الشوائب مثل:-

[1] ثانى أكسيد السليكون (السليكا) SiO2 [2] أكسيد الألومنيوم (الألومنيا) Al2O3

[3] أكسيد الكالسيوم (الجير الحى) CaO [4] أكسيد الماغنسيوم MgO

العوامل التى تتوقف عليها صلاحية الخام اقتصادياً:-

[1] نسبة الحديد فى الخام. [2] تركيب الشوائب الموجودة فى الخام.

[3] نوعية العناصر الضارة المختلطة بالخام مثل الكبريت والفوسفور والزرنيخ.


يقصد به الحصول على الحديد من خاماته فى صور يمكن استخدامه بعدها عملياً

وتمر بثلاث مراحل هى


تجهيز خامات الحديد الاختزال إنتاج الحديد


أولاً: تجهيز خامات الحديد:-


• الغرض منها:- زيادة نسبة الحديد فى الخام بالتخلص من الشوائب
وتحسين الخواص الفيزيائية للخام، وتتم قبل وضع الخام فى أفران استخلاص
الحديد.

تتضمن الخطوات التالية:-

[1] عملية التكسير:-

تحويل الأحجام الكبيرة من الخام إلى أحجام صغيرة حتى يسهل اختزالها.

[2] تنقية الخام وتركيزه:-

ويتم فيها تقليل نسبة الشوائب فى الخام ويتم ذلك بطرق ميكانيكية وفيزيائية.

[3] عملية التلبيد:-

تجميع الخام الناعم إلى حبيبات أكبر فى الحجم ومناسبة لعملية الاختزال.

[4] عملية التحميص:-

تتم بتسخين الخامات بشدة فى تيار من الهواء والغرض منها:-

1- تجفيف الخام والتخلص من الرطوبة.

2- رفع نسبة الحديد فى الخام {حتى تصل إلى 69.6 %} بتحويل جميع الخامات إلى أكسيد حديد(III)


FeCO3 FeO + CO2


4FeO + O2 2Fe2O3


2Fe2O3 .3H2O 2Fe2O3 + 3H2O

3- أكسدة الشوائب:-

S + O2 SO2

4P + 5O2 2P2O5


ثانياً اختزال خامات الحديد:-


فى الفرن العالى فى فرن مدركس

بغاز أول أكسيد الكربون الناتج من فحم الكوك بالغاز المائى (خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين) الناتج من الغاز الطبيعى

الفرن العالى (اللافح):-


وصف الفرن:-


1- هيكل من الحديد الصلب مبطن بالطوب الحرارى.

2- ارتفاعه من 30 : 35 متراً وقطره من 6 : 18 متراً


تشغيل الفرن:-



1- توضع الشحنة (فحم الكوك + خام الحديد + حجر جيرى)

2- يدفع تيار من الهواء الساخن من فتحات أسفل الفرن.

التفاعلات التى تتم داخل الفرن:-


[ 1] عمليات الاختزال:-

دور فحم الكوك

C + O2 CO2 + طاقة

C + CO2 2CO

يقوم أول أكسيد الكربون الناتج باختزال أكسيد حديد (III)

3CO +Fe2O3 above 700 0c 2Fe + 3CO2

يعرف الحديد الناتج بالحديد الغفل.



الحديد الغفل:-


يتكون من 95% حديد و4% كربون و1% من السليكون والمنجنيز والفوسفور والكبريت.

[2] التخلص من الشوائب:-

دور الحجر الجيرى:- أثر الحرارة على الحجر الجيرى (كربونات الكالسيوم)

CaCO3 CaO + CO2

أكسيد الكالسيوم الناتج من التحلل أكسيد قاعدى يتفاعل مع الأكاسيد الحامضية والمترددة ويتكون الخبث:

CaO + SiO2 CaSiO3 سليكات كالسيوم

3CaO + P2O5 Ca3(PO4)2 فوسفات كالسيوم

CaO + Al2O3 Ca(AlO2)2 ألومينات كالسيوم

الخبث:- (خليط من سليكات وفوسفات وألوميات كالسيوم)

يطفو فوق سطح الحديد لأنه أقل منه كثافة فيعمل على حماية الحديد من التأكسد بتيار الهواء الداخل.


استخدامات الخبث:-


صناعة الأسمنت – رصف الطرق – الطوب الحرارى


فرن مدركس:-


الحصول على الغاز المائى (CO, H2):-

2CH4+CO2+H2Oعامل حفز3CO + 5H2


تشغيل الفرن:-


• يتم إدخال خام الحديد (أكسيد حديد III)

• يدفع تيار من الغازات المختزلة من فتحات جانبية.

• يحدث عملية اختزال لأكسيد الحديد III


2Fe2O3 + 3CO + 3H2 4Fe + 3CO2 + 3H2O



ملاحظات:-


• يسمى الحديد الناتج بالحديد الأسفنجى؛

وهو عبارة عن حديد مختلط بالشوائب خلطاً ميكانيكياً وعند طرقة تخرج منه الشوائب ويتبقى الحديد بشكل أسفنجى.

• دورة الغازات المختزلة دورة مقفلة:-

لأن الغازات الناتجة بعد عملية الاختزال تبرد وتنقى ثم تخلط بالغاز
الطبيعى وتمرر على العامل الحفاز وتتحول إلى الغاز المائى ثم تدفع مرة أخرى
إلى داخل الفرن.


ثالثاً إنتاج الحديد الصلب:-


تعتمد صناعة الصلب على عمليتين أساسيتين هما:-

1- التخلص من الشوائب الموجودة فى الحديد.

2- إضافة بعض العناصر للحديد لتحسين خواصه.



المحولات الأكسجينية (طريقة النفخ):-

مميزاتها:-

[1] سرعة الإنتاج. [2] بساطة التشغيل.


وصف المحول الأكسجينى:-


(1) بوتقة كبيرة من الصلب تتحرك حول محور وسطى.

(2) مبطن من الداخل بخام الدولوميت (MgCO3,CaCO3).

(3) ينفذ من فوهة المحول ماسورة على ارتفاع من 70 : 80 سم فوق سطح الحديد لدخول الأكسجين النقى.



تشغيل الفرن:-


(1) يشحن المحول بالحديد الغفل المنصهر وذلك لتوفير الطاقة اللازمة لصهر الحديد مرة ثانية.

(2) ينفخ الأكسجين النقى المحضر من إسالة الهواء بشدة خلال الماسورة
فيتقعر سطح الحديد المنصهر وتزداد المساحة المعرضة للتفاعلات وترتفع درجة
الحرارة.



التفاعلات داخل المحول:-


[1] أكسدة الشوائب وجزء من الحديد بالأكسجين وتتكون أكاسيد:

(أ) حامضية مثل: P2O5, SiO2 (ب) قاعدية مثل FeO, MnO

[2] تتحد الأكاسيد الحامضية والقاعدية مع بطانة الفرن (الدولوميت) مكونة الخبث.

الخبث:- خليط من سليكات وفوسفات الحديد والمنجنيز والكالسيوم والماغنسيوم.

[3] يزال الخبث بإمالة المحول حول محوره.

[4] ثم تضاف سبيكة الفرومنجنيز {حديد – منجنيز – كربون}.


فائدة سبيكة الفرومنجنيز:-


يتحد المنجنيز مع الأكسجين المتبقى ويمنع تكوين فقاعات غازية فى الصلب.


الخواص الفيزيائية:-


1- لين نسبياً ولذلك ليس له أهمية صناعية وقابل للطرق والسحب.

2- له خواص مغناطيسية.

3- درجة انصهاره 1500 5م. 4- كثافته 7.86 جم / سم 3


الخواص الكيميائية:-


[1] تأثير الهواء الساخن:- يتفاعل الحديد المسخن لدرجة الاحمرار مع أكسجين الهواء ويتكون أكسيد حديد مغناطيسى

3Fe + 2O2 Heat Fe3O4


[2] أثر الماء:- يتفاعل الحديد المسخن لدرجة الاحمرار مع بخار الماء ويتكون أكسيد حديد مغناطيسى ويتصاعد الهيدروجين.

3Fe + 4H2O 500 0c Fe3O4 + 4H2


[3] مع الكلور:-

يتكون كلوريد حديد (III) ولا يتكون كلوريد حديد (II) لأن الكلور عامل مؤكسد.

2Fe + 3Cl2 Heat 2FeCl3


[4] مع الكبريت:- يتكون كبريتيد حديد (II)

Fe + S Heat FeS


[5] مع الأحماض:-



أولاً: الأحماض المخففة


مع حمض الهيدروكلوريك المخفف والكبريتيك المخفف

يتفاعل وتتكون أملاح حديد (II) وذلك لأن الهيدروجين الناتج عامل مختزل.

Fe + 2HCl dil FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 dil FeSO4 + H2


ثانياً الأحماض المركزة:-


مع حمض الكبريتيك المركز الساخن:-

يعطى كبريتات حديد (II) , (III) وثانى أكسيد كبريت وماء.

3Fe + 8H2SO4 conc. / hot FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4SO2 + 8H2O

مع حمض النيتريك المركز:-

يحدث خمول للحديد لتكون طبقة رقيقة من الأكسيد على سطح الفلز تمنع استمرار التفاعل.


[1] أكسيد الحديد (II) FeO:-

صلب أسود لا يذوب فى الماء ولا ينجذب للمغناطيس


تحضيره:-


[1] بتسخين أوكسالات الحديد (II):-

تسخين بمعزل عن الهواء FeO + CO + CO2


ولا يتكون أكسيد حديد (III) لأن أول أكسيد الكربون عامل مختزل.

[2] باختزال الأكاسيد الأعلى بالهيدروجين أو أول أكسيد الكربون:-

Fe2O3 + H2 400/700 0c 2FeO + H2O


Fe3O4 + H2 400/700 0c 3FeO + H2O

الخواص الكيميائية:-

[1] تأثير الهواء الساخن:- يتكون أكسيد حديد (III)

4FeO + O2 Heat 2Fe2O3

[2] مع الأحماض المخففة:- يعطى أملاح حديد (II) والماء.

FeO + H2SO4 dil. FeSO4 + H2O

[2] أكسيد حديد (III) Fe2O3

صلب أحمر لا يذوب فى الماء ويستخدم كلون أحمر فى الدهانات ولا ينجذب للمغناطيس.


تحضيره:-


[1] بتفاعل كلوريد حديد (III) مع الهيدروكسيدات مثل هيدروكسيد الأمونيوم

FeCl3 + 3NH4OH Fe(OH)3  + 3NH4Cl

ثم بتسخين هيدروكسيد حديد (III):-

2Fe(OH)3 Heat/ 200oC Fe2O3 + 3H2O

[2] بتسخين كبريتات حديد (II):-

2FeSO4 Heat Fe2O3 + SO2 + SO3



الخواص الكيميائية:-


مع الأحماض المركزة الساخنة:- يعطى أملاح حديد (III) وماء

Fe2O3 + 3H2SO4 Conc./heat Fe2(SO4)3 + 3H2O


Fe2O3 + 6HCl Conc./heat 2FeCl3 + 3H2O


[3] أكسيد حديد مغناطيسى (Fe3O4):-

صلب أسود لا يذوب فى الماء وينجذب للمغناطيس.


تحضيره:-


[1] باختزال أكسيد حديد (III):-

3Fe2O3 + CO 230 – 300 0c 2Fe3O4 + CO2


[2] من الحديد المسخن لدرجة الاحمرار بفعل الهواء أو بخار الماء


الخواص الكيميائية:-


[1] أثر الحرارة:-

2Fe3O4 + O2 Heat 3Fe2O3

[2] مع الأحماض المركزة الساخنة:-

يعطى أملاح حديد (II) وأملاح حديد (III)

مما يدل على أنه أكسيد مختلط (أكسيد حديد II وأكسيد حديد III)

Fe3O4 + 4H2SO4 Conc./Heat FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O



[أ] الكشف عن كاتيون الحديد (II) (Fe2+):-

محلول ملح الحديد (II) + محلول هيدروكسيد الصوديوم

راسب أبيض مخضر من هيدروكسيد الحديد (II)

FeSO4 + 2NaOH Fe(OH)2 + Na2SO4

راسب أبيض مخضر

[ب] الكشف عن كاتيون الحديد (III) (Fe3+):-

محلول ملح الحديد (III) + محلول هيدروكسيد الصوديوم

راسب بنى محمر من هيدروكسيد الحديد (III)

FeCl3 + 3NH4OH Fe(OH)3 + 3NH4Cl

راسب بنى محمر