لماذا تموت النجوم عند بلوغ الحديد؟
يشعّ النجم لأن الاندماج النووي يحرر طاقة، وتلك الطاقة تولّد الضغط الذي يقاوم الجاذبية. وتتقدم العملية مراحل: هيدروجين إلى هيليوم، وهيليوم إلى كربون، وكربون إلى أكسجين ونيون، وهكذا نحو عناصر أثقل فأثقل.
وتتوقف الطاقة المتاحة في كل خطوة على طاقة الربط لكل نوكليون، وهي تنمو مع العدد الذري حتى ذروة ثم تتناقص. وتلك الذروة عند النيكل 62، والحديد 56 قريب منها جدًّا.
فاندماج نواتين دون الحديد يحرر طاقة. واندماج الحديد يستهلكها. وحين يكون لبّ نجم ضخم قد صار حديدًا ينطفئ مصدر الطاقة دفعة واحدة.
وما يلي يحدث في أقل من ثانية. فبلا ضغط يسندها تسقط المادة نحو المركز بجزء معتبر من سرعة الضوء. فينضغط اللبّ حتى الكثافة النووية، ويرتد، وتمزّق موجة الصدمة الناتجة النجم: وذلك مستعر أعظم من النمط الثاني.
وفي ذلك الانفجار يخلّق الطوفان الهائل من النيوترونات في ثوانٍ العناصر الأثقل من الحديد، وهي التي لا يمكن أن تتكوّن بالاندماج العادي. وذهب الأرض ويورانيومها آتيان من أحداث من ذلك النوع.
ما الذي يميّز الحديد عن الفولاذ؟
الكربون، وكميته بالضبط.
الحديد النقي طريّ على نحو مفاجئ: يُخدش بقطعة نقود نحاسية ويتشوّه بسهولة. ولا يكاد يُستعمل مادةً إنشائية.
والفولاذ يحوي بين 0.02 و2 % كربونًا. وذرات الكربون، وهي أصغر بكثير من ذرات الحديد، تستقر في فجوات الشبكة البلورية وتعيق انزلاق المستويات الذرية. وتلك الإعاقة هي المقاومة الميكانيكية.
وحديد الصبّ يتجاوز 2 % ويبلغ 4 %. ويكوّن فائض الكربون غرافيتًا أو سمنتيتًا بكمية تكفي لجعل المادة هشّة، لكنه يخفض أيضًا نقطة الانصهار ويحسّن السيولة: فيُقولب جيدًا ولا يُطرَق.
وينتج الفرن العالي حديدًا غُفلًا بنسبة 4 % كربون. وتحويله إلى فولاذ هو حرق الفائض بنفخ أكسجين نقي فوق الفلز المنصهر، في المحوّل القاعدي بالأكسجين. والتفاعل باعث للحرارة ولا يحتاج إلى وقود مضاف.
وما يجعل الفولاذ فريدًا أن بنيته المجهرية تتوقف على المعالجة الحرارية. فالتبريد السريع من حرارة عالية يحبس الكربون في طور مجهد يسمى المارتنسيت، وهو قاسٍ وهشّ؛ وإعادة التسخين عند حرارة معتدلة تخفف جزءًا من ذلك الإجهاد. فالسقاية والمراجعة تتيحان ضبط الصلادة والمتانة ضبطًا متصلًا، وهو ما لا يتيحه أي فلز شائع آخر.
لماذا لا يحمي الصدأ كما تحمي زنجارُ النحاس؟
كلا الفلزين يتأكسد. والفارق في ما يحدث بعد ذلك.
فأكسيد الألومنيوم وزنجار النحاس يكوّنان طبقات متراصّة لاصقة بحجم من رتبة حجم الفلز المستهلك. فتغلقان السطح وتوقفان العملية.
أما الصدأ فأكسيد حديد مميّه بصيغة متغيرة حول Fe₂O₃·nH₂O. ويشغل نحو ضعف حجم الحديد الذي جاء منه. وذلك التمدد يولّد إجهادات تشقق الطبقة وتنزعها، فيبقى فلز جديد مكشوفًا للهواء والرطوبة.
والعملية كهركيميائية وتحتاج إلى ماء وأكسجين. ففي قطرة فوق فولاذ تعمل منطقة مصعدًا وأخرى مهبطًا، ويسري التيار في الفلز. والملح يسرّع كل ذلك بزيادة موصلية الإلكتروليت، ولهذا يتآكل الفولاذ أسرع بكثير قرب البحر أو في طرق مملّحة.
والدفاعات المعتادة ثلاث: حاجز فيزيائي كالطلاء، أو طبقة فلز يكوّن أكسيدًا واقيًا كالجلفنة بالزنك، أو تعديل السبيكة. فالفولاذ المقاوم للصدأ يحوي 10.5 % كرومًا على الأقل، وهو يكوّن على السطح غشاء أكسيد كروم متراصًّا ذاتي الإصلاح: فالحماية من الكروم لا من الحديد.
كيف ينقل الأكسجين في الدم؟
يحوي البالغ بين 3 و4 غرامات حديد، ومعظمه في الهيموغلوبين.
وللجزيء أربع وحدات فرعية، لكل منها مجموعة هيم: حلقة بورفيرين في مركزها أيون Fe²⁺، منسّق بأربعة نيتروجينات من الحلقة وواحد من البروتين. ويبقى موضع التنسيق السادس شاغرًا وفيه يرتبط الأكسجين.
واللافت أن الارتباط عكوس. فالحديد في المحلول يتفاعل مع الأكسجين ويتأكسد إلى Fe³⁺ تأكسدًا غير عكوس. ولا يحدث ذلك داخل الهيموغلوبين، لأن بنية البروتين تمنع مجموعتَي هيم من التقارب والتفاعل عبر الأكسجين.
والارتباط تعاوني أيضًا. فحين تلتقط الوحدة الأولى أكسجينًا تتغير شكلًا تغيرًا طفيفًا وتيسّر التقاط الثلاث الأخريات. وتنتج تلك التعاونية منحنى إشباع على شكل S يتيح تحميل الأكسجين بكفاءة في الرئة وإطلاقه في الأنسجة.
⚠️ ويرتبط أول أكسيد الكربون بالموضع نفسه بقوة تفوق الأكسجين نحو مئتي مرة ولا ينفكّ. ومن هنا سمّيته: فهو لا يسمّم الأيض، بل يشغل المكان فحسب.
أين حديد الأرض؟
في اللبّ أساسًا. فالحديد أوفر عناصر الكوكب في مجمله — نحو 32 % من كتلته — لكنه الخامس فقط في القشرة، بنسبة 5 %.
وحدث الفصل أثناء تكوّن الكوكب. فقد كانت الأرض الفتية حارّة بما يكفي للانصهار، وغاص الحديد، وهو كثيف وقليل الألفة للأكسجين في تلك الظروف، نحو المركز جارًّا معه النيكل وعناصر مشابهة. ويُعرف ذلك الحدث بكارثة الحديد.
وللبّ الناتج، من حديد ونيكل، جزء خارجي سائل تولّد حركاته المجال المغناطيسي الأرضي بأثر الدينامو. ولولاه لكانت الرياح الشمسية قد جرفت الغلاف الجوي منذ زمن بعيد.
أما حديد القشرة الذي يُستخرج فيأتي في معظمه من تكوينات الحديد المخطط التي ترسّبت بين 2500 و1800 مليون سنة مضت، حين رسّب الأكسجين الناتج عن البكتيريا الزرقاء الحديد المذاب في المحيطات. وتتركز اليوم في أستراليا والبرازيل والصين.