stanford-oval/wikipedia huggingface dataset:
حديد
الإنتاج > المعالجة بالفرن اللافح

الفرن اللافح  هو نوعٌ من الأفران الصناعية لصهر الفلزّات عموماً والحديد خصوصاً. تُمزَج خامات الحديد الأكسيدية من الهيماتيت (Fe2O3) أو المغنيتيت (Fe3O4) مع فحم الكوك؛ ثم تُدخَل الشحنة إلى الفرن اللافح من الأعلى. هناك عدد من الشروط ينبغي توافرها في فحم الكوك المستخدم في لفرن اللافح، منها أن يكون صلباً بشكل كافٍ يمنع التفتت، وأن يكون نقيّاً خالياً من الشوائب مثل الكبريت.
تتعرّض الشحنة أثناء هبوطها إلى تيّارات ساخنة من غاز صناعي مكوّن من مزيج من أحادي أكسيد الكربون والنتروجين، ممّا يؤدّي إلى تسخينها إلى درجات حرارة تتراوح بين 1600 إلى 2200 °س. يُخصَّص ذلك الغاز الصناعي في مجال التعدين باسم «غاز الفرن اللافح» ؛ وهو ينشأ من نفث تيّارات من الهواء المُسخّن مسبقاً أسفل الفرن إلى درجة حرارة مقدارها 900 °س إلى المزيج، وذلك بكمّيّات كافية لتلفح الكربون وتحوّله إلى أحادي أكسيد الكربون:
في مجال من درجات الحرارة بين 500-900 °س يحدث ما يدعى باسم «الاختزال غير المباشر»؛ وهو تفاعل اختزال بين أكاسيد الحديد المختلفة وأحادي أكسيد الكربون، وهو يسير وفق ثلاث مراحل إلى الوصول إلى عنصر الحديد الفلزّي:
أمّا في مجال من درجات الحرارة يقع بين 900-1600 °س فيحدث ما يدعى باسم «الاختزال المباشر»، إذ يختزل فحم الكوك أكاسيد الحديد مياشرةً إلى الحديد:
كما يستطيع فحم الكوك أن يختزل خام الحديد الموجود على تماسٍ معه في المناطق السفلية من الفرن اللافح مباشرةً إلى الحديد الفلزّي:
تضاف صهارة من الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم) أو الدولوميت (كربونات المغنيسيوم والكالسيوم) إلى الوسط، وهو عامل يساعد على التنقية والتنظيف ويساهم في التسهيل من الجريان)، ويساهم في إزالة المعادن السيليكاتية من الخامة، وإلّا فإنّها قد تتسبّب في انسداد فتحات الفرن. يساعد ارتفاع درجة حرارة الفرن على التفكّك الحراري للكربونات إلى أكسيد الكالسيوم، والذي يتفاعل بدوره مع السيليكا الفائضة ليشكّل ما يعرف باسم «الخَبَث» ، والذي يتألّف بشكلٍ كبيرٍ من سيليكات الكالسيوم، بالإضافة إلى مكوّنات أخرى. تكون درجات الحرارة السائدة في الفرن مرتفعة، بحيث يكون كلٌ من الحديد والخبث في حالة منصهرة، واللذان يُجمعان أسفل الفرن، ولكنّهما يكونان غير ممتزجَين، إذ أنّ كثافة مصهور الخَبَث أقلّ من كثافة مصهور الحديد، لذا تبقى طبقة الخبث على السطح، ممّا يسهّل من فصلها فيما بعد. تُروى طبقة الخبث بالماء، ممّا يؤدّي إلى تَزَجُّجِهَا على شكل حُبَيبات دقيقة مثل الرمل. يمكن أن يُستخدَم الخَبَث المُستَحصل في إنشاء الطرقات، كما يضاف إلى الخرسانة؛ بالإضافة إلى استخدامه في مجال الزراعة من أجل تحسين خواص التربة الفقيرة بالمعادن.
يدعى الحديد الخام الناتج عن هذه المرحلة باسم «الحديد الغُفْل»؛ وهو يحوي وسطياً على 95% حديد، مع وجود كمَيَة مرتفعة نسبياً من الكربون تتراوح بين 4–5% وزناً، بالإضافة إلى وجود شوائب من عناصر مختلفة مثل الكبريت (0.01-0.05%) والمنغنيز (0.5-6%) والسيليكون (0.5-3%) والفوسفور (إلى 2%).
الإنتاج > صناعة الفولاذ

غالباً ما يُستخدَم الحديد الخام (الحديد الغُفْل) الناتج من الفرن اللافح في إنتاج الفولاذ في مصانع الحديد. عند إزالة الشوائب من الحديد الغُفْل والإبقاء على محتوى كربوني يتراوح بين 2–4% يُستحصَل على ما يسمّى «الحديد الزهر» (أو «الحديد الصبّ») ؛ كما يمكن أن يُستحصَل على الحديد الزهر المرن؛ وتُصَبّ تلك الأنواع في المسابك  إلى منتجاتٍ حديديةٍ مختلفةٍ.
يؤدّي ارتفاع محتوى الكربون إلى خواص غير محمودة للحديد مثل الهشاشة والتقصّف، لذلك يُعمَد إلى تخفيض محتوى الكربون في الحديد إلى حدٍّ أعظميٍّ مقداره 2%، وبالتالي يُستحصَل على سبيكة الفولاذ (والتي تدعى سبيكة «الصُلْب» في بعض الدول العربية مثل جمهورية مصر العربية). في حين أنّ تخفيض محتوى الكربون دون 0.5% يؤدّي إلى الحصول على ما يعرف باسم «الحديد المطاوع». يمكن أن يُستخدَم الفولاذ الناتج عن العملية في صناعة المشغولات الحديدية المعدنية المختلفة عبر خضوعه إلى طيفٍ واسعٍ من المعالجات الهندسية، مثل التشكيل على البارد  أو الدَرْفَلة والتصفيح على الساخن  أو التطريق  أو التشغيل الآلي والمَكْنَنَة  وغيرها. تخضع منتجات الفولاذ إلى معالجات حرارية مختلفة بعد تطريقها إلى الأشكال المرغوبة. يساهم التلدين (أو التخمير) ، وهو عملية تسخين الفولاذ إلى درجات حرارة بين 700–800 °س ثم بالتبريد البطيء التدريجي، في جعل الفولاذ أكثر ليونة وأكثر قابلية للتشغيل.
الإنتاج > اختزال الحديد المباشر

يمكن إجراء عملية الاختزال المباشر لخامات الحديد من أجل الحصول على الحديد، والذي يدعى حينها باسم «الحديد الإسفنجي» . يسود وفق هذه العملية تفاعلان كيميائيان، يتضمّن الأوّل الأكسدة الجزئية الغاز الطبيعي عند درجات حرارة مرتفعة وبوجود حفّاز:
ثم يعالج خام الحديد بالغازات الناتجة عن التفاعل الأول داخل الفرن، ممّا يؤدّي إلى الحصول على كتلة إسفنجية من الحديد الصلب.
ووفق هذا الأسلوب تزال السيليكا من الوسط باستخدام صهارة من الحجر الجيري.
الإنتاج > عمليات أخرى

يمكن اختزال خام الحديد وفق تفاعل الثرميت بمزج مسحوق أكسيد الحديد مع مسحوق من فلز الألومنيوم، كما هو موضّح بالتفاعل الكيميائي التالي:
لا يمكن تطبيق هذه الطريقة من أجل استحصال الحديد من خاماته الأكسيدية، إذ لا يعدّ هذا الأسلوب اقتصادياً، لأنّ كمّيّة الألومنيوم اللازمة لإجراء هذا التفاعل ستكون كبيرة. ولكن يستخدم هذا التفاعل على نطاق صغير نسبياً من أجل لحام خطوط السكك الحديدية.
توجد هناك عمليّات تقليدية عديدة ومختلفة للحصول على الحديد والفولاذ، مثل ورشات الحديد الممتاز أو أفران التسويط أو أفران بسمر أو أفران المجمّرة المكشوفة  أو وفق عملية توماس . كما توجد أيضاً عمليات حديثة بديلة عن الفرن اللافح مثل إنتاج الحديد ضمن الأفران الأكسجينية القاعدية  أو أفران القوس الكهربائي. يُستحصَل على الحديد أيضاً في الأفران القائمة  وفق عملية كوريكس  على سبيل المثال، والمطوّرة من شركة سيمنز.
يمكن الحصول على الحديد النقي مخبرياً بكمّيّات صغيرة من اختزال الأكسيد أو الهيدروكسيد النقيّ باستخدام الهيدروجين؛ أو بتشكيل خماسي كربونيل الحديد ثم تسخينه إلى درجة حرارة مقدارها 250 °س ليتفكّك إلى مسحوق حديد نقيّ. يمكن بأسلوب آخر الحصول على مسحوق الحديد النقي من إجراء تحليل كهربائي لمحلول كلوريد الحديد الثنائي.
النظائر

للحديد أربع نظائر مستقرّة: حديد-54 54Fe (بوفرةٍ طبيعية 5.845%)؛ وحديد-56 56Fe (بوفرة طبيعية 91.754%)؛ وحديد-57 57Fe (بوفرةٍ طبيعية 2.119%)؛ وحديد-58 58Fe (بوفرةٍ طبيعية 0.282%). بالإضافة إلى وجود أربع وعشرون نظيراً مشعّاً للحديد مع وجود ستّة مُصَاوغات نووية، وجميعها لها أعمار نصف تقع بين 150 نانوثانية و8.275 ساعة. يعدّ النظير حديد-54 من النظائر المستقرّة للحديد، وعلى الرغم من ذلك، فقد لوحظ له اضمحلال إشعاعي على هيئة اضمحلال بيتّا المضاعف، ولكن بعمر نصف طويل، وهو 3.1×1022 سنة، حيث يضمحلّ إلى نظير الكروم 54Cr. يوجد هنالك نظيرٌ شبه مستقرٍّ للحديد وهو النظير حديد-60 60Fe، والذي يبلغ عمر النصف له قرابة 2.6×106 سنة. لكنّه نادر الوجود في الكون، وهو نظير منقرض في الأرض؛ ولكن ناتج اضمحلاله الإشعاعي متوفّر في الأرض على هيئة نظير النيكل 60Ni.
ركّزت الأبحاث الأوّلية المهتمّة بالتركيب النظائري للحديد على التخليق النووي للحديد-60 60Fe من خلال دراسة الأحجار النيزكية وتشكّل الخامات الأرضية. ولكن التطوّر في مجال مطيافية الكتلة سمح في التحليل النوعي والكمّي الدقيق للتفاوت الطفيف في نسب النظائر المستقرّة للحديد. تُستخدَم النسبة بين النظيرَين حديد-60 60Fe وناتج اضمحلاله نيكل-60 sup>60Ni في دراسة تشكّل وتطوّر المجموعة الشمسية. هناك اقتراحات تفترض أنّ الطاقة المتحرّرة عن اضمحلال النظيرَين حديد-60 60Fe وألومنيوم-26 26Al كانت قد ساهمت في إعادة صهر وتباين الكويكبات بعد تشكّلها قبل قرابة 4.6 بليون سنة. في جانبٍ آخر، يهتمّ الباحثون أيضاً بدراسة أكثر نظائر الحديد وفرةً، وهو النظير حديد-56 56Fe، لأنّه يمثّل أكثر نواتج التخليق النووي شيوعاً. يُنتَج النظير نيكل-56 56Ni بسهولةٍ من النوى الأخفّ بتفاعلات نووية وفق عملية ألفا؛ مثلما يحدث في عملية احتراق السيليكون ضمن المستعرات العظمى من النوع 2 . تتطلّب عملية إضافة جسيم ألفا إضافي إلى نواة النيكل-60 كي يتحوّل إلى نظير الزنك 60Zn طاقةً كبيرةً جدّاً، لذلك تقف تفاعلات عملية ألفا عند هذا النظير، والذي له عمر نصف يبلغ ستة أيام، لكنه سرعان ما يخضع ضمن بقايا المستعر الأعظم إلى تفاعلات انبعاث بوزيتروني، ليتحوّل أوّلاً إلى نظير الكوبالت المشعّ 56Co، ومنه إلى نظير الحديد المستقرّ 56Fe. لذلك فإنّ الحديد هو العنصر الأكثر شيوعاً داخل نواة النجوم الحمراء العملاقة، وفي تركيب النيازك الحديدية والكواكب مثل الأرض. على الرغم من أنّه نظرباً قد يُستحصَل على جانب أكبر من الطاقة في حال تشكيل نظير النيكل 62Ni داخل النجوم، إلّا أنّ الظروف داخل تلك النجوم المستعرة تفضّل تشكيل الحديد على النيكل؛ كما يتطلّب تشكيل العناصر الأثقل من الحديد عمليات التقاط النيوترون سريعة؛ لذلك فإنّ الحديد يصنّف ضمن أكثر العناصر الكيميائية وفرةً في الكون.
الخواص الفيزيائية

يوجد الحديد في الشروط القياسية من الضغط ودرجة الحرارة على هيئة فلزّ ذي لون رمادي فضّي؛ وهو في الحالة النقيّة فلز ليّن نسبياً وقابل للسحب والطرق. تبلغ كثافة الحديد 7.873  غ/سم3؛ وينصهر عند 1538 °س، ويغلي عند 3070  °س. تعدّ نقطتا انصهار وغليان الحديد، بالإضافة إلى حرارة التَذْرير ، ذات قيم أخفض من قيم أغلب عناصر الفلزّات الانتقالية الموجودة على يسار الحديد في الجدول الدوري ما عدا المنغنيز، وذلك من السكانديوم إلى الكروم؛ وذلك يعكس مساهمة أقلّ للإلكترونات في المستوى الفرعي 3d في تكوين الرابطة الفلزّية.
تبدي نواة ذرّة نظير الحديد 56Fe مقداراً كبيراً نسبياً من نقص الكتلة، وبالتالي تكون قيمة طاقة الارتباط لكل نُوَيّة مرتفعة، ممّا يعكس الاستقرار النسبي له؛ ولذلك يمثّل هذا النظير نهاية سلسلة توليد الطاقة في النجوم أثناء التخليق النووي. يعدّ مقدار نقص الكتلة بالنسبة للنظير حديد-56 56Fe الثالث من حيث الترتيب بالنسبة لنظائر العناصر الكيميائية، وذلك بعد نظير النيكل 62Ni ونظير الحديد الآخر 58Fe.
يعطي الحديد خطوط طيفية في مختلف مجالات قياس الضوء الطيفي؛ وللكشف عن تلك الخطوط أهميّة كبيرة في مجال علم فلك الأشعّة السينية، إذ أنّ الخطوط الطيفية القويّة للحديد تعطي دلائل كونية مثل وجود نواة مِِجَرّية نشطة أو ثنائي الأشعّة السينية أو مستعر أعظم أو ثقب أسود.
الخواص الفيزيائية > التآصل في الحديد

المقالة الرئيسة: تآصل الحديد
يظهر الحديد خاصّة التآصل، وهي ظاهرة تتمثّل بتشابه التركيب الكيميائي مع اختلاف الشكل البلّوري، نتيجةً لاختلاف توزيع الذرّات في البنية البلّورية. يوجد الحديد عند الضغوط العادية إلى المتوسّطة في ثلاثة أطوار تآصلية، وهي مُرَمّزة بالأحرف الإغريقية ألفا (α-Fe)، وغامّا (γ-Fe)، ودلتا (δ-Fe). عندما يتبرّد مصهور الحديد دون نقطة تجمّده (1538 °س) فإنّه يتبلور إلى المتآصل دلتا (δ-Fe)، والذي يمتلك بنية بلّورية ذات نمط مكعّب مركزي الجسم ؛ وعندما يترك ليبرد لدرجات حرارة دون 1394 °س فإنه يغيّر من شكله البلّوري إلى المتآصل غامّا (γ-Fe)، والذي يمتلك بنية بلّورية ذات نمط مكعّب مركزي الوجه  (تبلغ قيمة ثابت الشبكة البلّورية مقدار 364.7 بيكومتر)؛ ويعرف ذلك الطور أيضاً بالاسم «أوستنيت».  عند درجات حرارة دون 910  °س تعود البنية البلّورية للحديد لتأخذ الشكل البلّوري المكعّب مركزي الجسم (تبلغ قيمة ثابت الشبكة البلّورية مقدار 286.6 بيكومتر)، ويُرمز للحديد حينها بالمتآصل ألفا (α-Fe)، ويُعرف ذلك الطور أيضاً بالاسم «فيريت».. يكون الحديد من النمط ألفا (α) طريّاً نسبياً، وهو قادر على إذابة كمّيّة صغيرة من الكربون فيه، بنسبة عظمى تصل إلى 0.021% وزناً عند درجة حرارة مقدارها 910  °س. أمّا الأوستنيت (النمط غامّا (γ)) فهو طري أيضاً بشكلٍ مشابه، ولكنّه قادر على إذابة كمّيّة أكبر من الكربون تصل إلى 2.04% وزناً عند درجة حرارة مقدارها 1146  °س. يُستخدَم هذا النمط من الحديد في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم في صناعة الأواني وتجهيزات المطاعم والمشافي.
تتغيّر الخواص الفيزيائية للحديد عند قيم مرتفعة جدّاً من الضغط ودرجة الحرارة، وذلك بشكلٍ مُحَاكٍ للظروف في جوف الأرض. عندها تتغيّر البنية البلّورية من المتآصل ألفا (α-Fe) إلى بنية ذات تعبئة متراصّة، يُرمَز لها بالحرف إبسلون (ε-Fe). توجد بعض النظريات التي تشير إلى وجود طور مستقرّ يُرمَز له بيتّا (β)، والذي يسود عند ضغوط مرتفعة تفوق 50 غيغاباسكال وعند درجات حرارة تتجاوز 1500 كلفن، وتأخذ فيها البنية شكل نظام بلوري معيني قائم؛ إلا أن تلك النظريات خلافية، ولا يوجد إجماع علمي عليها، خاصّةً أنّ الرمز β يُستخدَم في بعض الأحيان للإشارة إلى تغيّر الخواص المغناطيسية للحديد فوق درجة حرارة كوري.
الخواص الفيزيائية > الخواص المغناطيسية

في مجالٍ من درجات الحرارة دون درجة حرارة كوري ، والتي تبلغ 770 °س، تتغيّر خواص الحديد ألفا (α-Fe) المغناطيسية من مغناطيسية مسايرة  إلى مغناطيسية حديدية ، وذلك يعود إلى تغيّر اللفّ المغزلي  للإلكترونَين غير المتزَاوِجَين في كلّ ذرّة واصطفافه بشكلٍ مماثلٍ للفِّ المغزلي للجوار، ممّا يؤدّي إلى تشكّل حقل مغناطيسي سطحي. وفي غياب حقل مغناطيسي خارجي يكون التوجّه في حيّزٍ مغناطيسي  ذي سماكة مقدارها 10 ميكرومتر. ما يدعم حدوث هذه الظاهرة أنّ هَذَين الإلكترونَين (dz2 و dx2 − y2) لا يتّجهان نحو باقي الذرّات المجاورة في الشبكة البلّورية، وبذلك فإنّهما غير مُنْخَرطان في تشكيل الرابطة الفلزّية. إلّا أنّ تأثير ذلك الحقل المغناطيسي الداخلي يكون مقصوراً على الطبقة السطحية، إذ أنّ تنوّع التوجّهات يجعل المحصّلة الإجمالية للحقل المغناطيسي لقطعة الحديد بالكامل معدومةً. يؤدّي تطبيق حقلٍ مغناطيسيٍّ خارجيٍّ إلى التأثير على الحيّز المغناطيسي السطحي، ويوجّهه في نفس اتجاه الحقل المغناطيسي الخارجي، ممّا يؤدّي إلى تعزيزه على حساب الذرّات ذات التوجّه المختلف. تُستَغل هذه الظاهرة في الأجهزة التي تتطلّب نقل الحقل المغناطيسي من مؤثّرٍ خارجيٍّ، مثل المحوّلات الكهربائية وأجهزة التخزين المغناطيسي والمحرّكات الكهربائية. يؤدّي وجود شوائب أو عيوب بلّورية أو حدود حُبَيبيّة داخل البنية إلى التأثير على توجّه الذرّات داخل الحيّز المغناطيسي، ويجعله ثابتاً، ممّا يؤدّي إلى استمرار التوجّه المنتظم حتّى بعد زوال الحقل المغناطيسي الخارجي، وذلك بالتالي يمكّن من الحصول على مغناطيس دائم.
يوجد سلوك مغناطيسي مشابه لبعض مركّبات الحديد ومعادنه، مثلما هو الحال في معادن الفرّيت، ومن ضمنها معدن المغنيتيت. كانت قطع من المغنيتيت مستخدمةً على هيئة حجر المغناطيس في تركيب الأشكال الأوّلية من البوصلة في مجال الملاحة البحرية؛ ثم استخدمت على نطاقٍ واسعٍ في وسائط تخزين البيانات المعتمدة على المغْنطة، مثل ذواكر الحاسوب والأشرطة المغناطيسية والأقراص المرنة والصلبة، وذلك قبل أن تحلّ محلّها مواد مصنّعة من الكوبالت.
الخواص الهندسية

تُفيّّم الخواص الهندسية للحديد وسبائكه باستخدام مجموعةٍ متنوّعةٍ من الاختبارات، مثل اختبار برينل واختبار روكويل وكلاهما لقياس صلادة الحديد، واختبار قوة الشد وغيرها؛ نتائج هذه الاختبارات على الحديد دقيقةٌ للغاية، بما يسمح باستخدام الحديد لمعايرة أو الربط بين نتائج الاختبارات المختلفة. تعتمد نتائج تلك الاختبارات على درجة نقاء الحديد: فبلّورات الحديد في صورته النقية أكثر ليونةً من الألومنيوم، ومع إضافة بعض أجزاء من المليون من وزن سبيكة الحديد من عنصر الكربون، فإنّها تضاعف من قوّة الحديد. تزداد الصلادة ومقاومة الشد  عند زيادة محتوى الكربون في سبيكة الحديد حتّى تصل نسبته إلى 0.2% من وزن السبيكة، وبعد ذلك يتزايد بمعدّلات أقلّ، ويصل إلى الذروة عندما يصل محتوى الكربون إلى 0.6% تقريبا من وزن السبيكة. الحديد النقي المنتَج صناعياً (قرابة 99.99%) لديه صلادة تقدّر بـ 20-30 وفق اختبار برينل للصلادة.
الخواص الهندسية > السبائك

توجد أشكال عديدة لسبائك الحديد الكربونية، أشهرها:
الحديد الغُفْل؛ وهو يحوي على نسبةٍ من الكربون تتراوح بين 4-5%، مع وجود شوائبٍ من عناصر مثل الكبريت والفوسفور والسيليكون. وهو ناتج وسطي أثناء إنتاج الحديد الزهر (حديد الصبّ) والفولاذ. لسبيكة حديد الغُفْل نقطة انصهار تقع في المجال بين 1420–1470 كلفن، وهي بذلك أخفض من المكوّنَين الرئيسيَّين لها، ممّا يجعلها المنتَج الأوّل القابل للصهر عند تسخين الحديد والكربون (الفحم) مع بعضهما.
حديد الزّهْر (أو حديد الصبّ)؛ ويحوي على نسبةٍ من الكربون تتجاوز 2.06%، مع وجود عناصر أخرى في السبيكة، مثل السيليكون والمنغنيز، والتي يؤدّي وجودها إلى تحسين قابلية السبك . إنّ حديد الزهر صلدٌ جدّاً وقابل للتقصّف؛ وهو ليس سهل التطريق، ولكنه سهل السبك والصبّ. يحوي «الحديد الزهر الأبيض»  على الكربون في هيئة «السمنتيت» ، وهو كربيد الحديد Fe3C. وهو مركّبٌ صلدٌ وهشٌّ في ذات الوقت، وهو يهيمن على الخواص الهندسية لهذه السبيكة. بالمقابل، يؤدّي التبريد البطيء لمزيجٍ من الحديد مع 0.8% كربون من درجات حرارة دون 723 °س إلى درجة حرارة الغرفة إلى الحصول على طبقاتٍ منفصلةٍ ومتناوبةٍ من السيمنتيت والحديد ألفا، وهو نمطٌ طريٌّ ومطواع، ويدعى «البرليت» . من جهةٍ أخرى، لا يتيح التبريد السريع المجال لحدوث ذلك النمط من الانفصال في الطبقات، بل يشكّل نمطاً يدعى باسم «مارتنسيت» ، وهو نمطٌ صلبٌ وهشٌّ. يمكن معالجة الأنماط المذكورة بإعادة صهرها، وتغيير النسب بين البرليت والمارتنسيت من أجل الحصول على مزائج وفق الطلب. أمّا «الحديد الزهر الرمادي»  فيوجد فيه الكربون على هيئة ألواح دقيقة ومنفصلة من الغرافيت، ممّا يجعل هذه المادة هشّةً أيضاً، وذلك لأن الأطراف الصلبة والحادّة للغرافيت المسبّبة لوجود مواقع مرتفعة تركيز الإجهاد  داخل بنية المادّة. يمكن تحوير الحديد الزهر الرمادي إلى نمطٍ مستحدَثٍ يدعى «الحديد الزهر المرن» ، والذي يعالَج بكمّيّات نزرة من المغنيسيوم من أجل تغيير شكل الغرافيت إلى عُقَيدات، ممّا يقلّل بذلك من تركيز الإجهاد، ويزيد بشكلٍ كبيرٍ من شدّة ومتانة السبيكة.
الحديد المطاوع؛ ويحوي على نسبةٍ ضئيلةٍ من الكربون أقلّ من 0.25%، ولكنّه بالمقابل يحوي على كمّيّةٍ كبيرةٍ من الخَبَث، الأمر الذي يمنحه بنيةً ليفيةً مميّزةً. سبيكة الحديد المطاوع متينة وقابلة للسحب والطرق؛ وهو أكثر مقاومة للتآكل من الفولاذ العادي؛ ولكن بالرغم من ذلك فقد حلّ الفولاذ الكربوني  مكان الحديد المطاوع في استخداماته النمطية؛ وهو يحوي على نسبةٍ من الكربون أقلّ من 2.0%؛ مع وجود نسبةٍ صغيرةٍ من الشوائب مثل المنغنيز والكبريت والفوسفور والسيليكون.
الفولاذ (أو الصُلْب)؛ وهو يحوي على نسبةٍ عظمى من الكربون تصل إلى 2.06%؛ وهو قابل بسهولة للتطريق على العكس من حديد الزهر. يعدّ الفولاذ أكثر سبائك الحديد تميّزاً من ناحية الخواص، وخاصّةً عند إجراء المعالجات الملائمة، الحرارية منها مثل التقسية ، أو الآلية مثل الدَرْفلة . يحوي الفولاذ السبائكي  على كمّيّات متفاوتةٍ من الكربون وكذلك من فلزّات أخرى مثل الكروم والفاناديوم والموليبدنوم والنيكل وغيرها. على الرغم من شيوع استخدام سبيكة الفولاذ المقاوم للصدأ، إلّا أنّ أغلب أنواع الفولاذ السبائكي الأخرى هي مرتفعة الكلفة، وغالباً ما تُستخدَم من أجل تطبيقات مخصّصة، مثلما هو الحال في سبائك الفولاذ مرتفع المتانة منخفض التسبيك..
الخواص الكيميائية

| حالة الأكسدة | مثال على مركّب نمطي لحالة الأكسدة المذكورة |
| --- | --- |
−2 (d10): حديدات رباعي كربونيل ثنائي الصوديوم (كاشف كولمان) Na2[Fe(CO)4]
−1 (d9): أنيون ثماني كربونيل ثنائي الحديد 2−[Fe2(CO)8]
0 (d8): خماسي كربونيل الحديد Fe(CO)5
1 (d7): مضاعف ثنائي كربونيل حلقي بنتاديينيل الحديد 2[C5H5Fe(CO)2]
2 (d6): كبريتات الحديد الثنائي FeSO4؛ فروسين Fe(C5H5)2
3 (d5): كلوريد الحديد الثلاثي FeCl3؛ أكسيد الحديد الثلاثي Fe2O3
4 (d4): أوكسي رباعي فلوروبورات الحديد الرباعي FeO(BF4)2
5 (d3): أنيون أكسيد الحديد الخماسي 3−FeO4
6 (d2): حديدات البوتاسيوم K2FeO4
يبدي الحديد الخواص الكيميائية النمطية للفلزّات الانتقالية، مثل القدرة على الوجود بعدّة حالات أكسدة تختلف فيما بينها بمقدار درجة واحدة، بالإضافة إلى القدرة على تشكيل معقّدات تناسقية؛ ويتمثّل ذلك باكتشاف مركّب الفروسين، والذي أدّى إلى حصول ثورة في مجال الكيمياء العضوية الفلزّية منذ خمسينيات القرن العشرين.
الحديد ذو تفاعلية كيميائية جيّدة، وهو الأنشط في مجموعته؛ وهو تلقائي الاشتعال عندما يكون على هيئة مسحوقٍ دقيقٍ جدّاً؛ كما يذوب بسهولة في الأحماض الممدّدة ليعطي أيونات الحديدوز 2+Fe وانطلاق غاز الهيدروجين:
ولكنه لا يتفاعل مع حمض النتريك المركّز، وباقي الأحماض المؤكسدة، نتيجة لتشكل طبقة أكسيد حامية، ولكنّها بدورها تتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك. يتأكسد الحديد في الهواء الرطب وفي الماء بسهولة، ويشكّل طبقةً من أكسيد هيدروكسيد الحديد الثلاثي المُمَيَّهَة، والتي تعرف بالاسم الشائع «صدأ». إنّ طبقة الصَدَأ مسامية وطريّة، لذلك فإنّها قابلة للانتشار لتغطّي كافّة جسم الحديد المتأكسد؛ وخاصّةً في ماء البحر أو المياه الحاوية على ثنائي أكسيد الكبريت. عند تسخين الحديد في الهواء الجافّ تتشكّل طبقةٌ من أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي Fe3O4. على العكس من باقي أغلب الفلزّات لا يستطيع الحديد أن يشكّل ملغمة مع الزئبق؛ ولذلك فإنّه من الشائع استخدام حاويات من الحديد لتخزين الزئبق.
الخواص الكيميائية > كيمياء المحاليل

يختلف جهد اختزال أيونات الحديد في المحاليل حسب حالة الأكسدة. فيما يلي قيم جهد الاختزال لأيونات الحديد الشائعة في الوسط الحمضي:
| 0 | 1 | 2 |
| --- | --- | --- |
| Fe2+ + 2 e− |  Fe | E0 = −0.447 V |
| Fe3+ + 3 e− |  Fe | E0 = −0.037 V |
| FeO42- + 8 H+ + 3 e− |  Fe3+ + 4 H2O | E0 = +2.20 V |
يعدّ أنيون الحديدات (أو الفِرّات) مثالاً على وجود الحديد بحالة الأكسدة +6، ويوجد هذا الأنيون في المحلول بلون أحمر قرمزي، وهو ذو بنية رباعية السطوح، وينتمي إلى المؤكسدات القويّة، إذ يستطيع أن يؤكسد النتروجين والأمونيا عند درجة حرارة الغرفة، وحتى كذلك الماء في الأوساط المعتدلة أو الحمضية.
عادةً ما يكون أيون الحديد الثلاثي 3+Fe في المحاليل على هيئة سداسي هيدرات 3+[Fe(H2O)6]، ويتغيّر موقع الرُبَيطات في كرة التناسق مع تغيّر pH الوسط مع تحرّر أيونات الهيدرونيوم، وذلك من الأيون 3+[Fe(H2O)6] إلى الأيون 2+[Fe(H2O)5(OH)]؛ ثم إلى الأيون +[Fe(H2O)4(OH)2]؛ كما يتشكّل الأيون 2+4[Fe(H2O)4(OH)] أيضاً في تفاعلات التوازن الكيميائي تلك.
بالمقابل، لا يدخل أيون الحديد الثنائي سداسي الهيدرات 2+[Fe(H2O)6] ذو اللون الأخضر الشاحب في تفاعلاتٍ مماثلة، بالتالي لا يكون الوسط في أيونات الحديد الثنائي حمضياً، إذ عند إضافة أنيون الكربونات لا يتحرّر ثنائي أكسيد الكربون، ولكن تحدث عملية ترسيب لمركّب كربونات الحديد الثنائي FeCO3. بوجود زيادةٍ من ثنائي أكسيد الكربون يمكن لمركّب البيكربونات أن يتشكل، وتحدث هذه الظاهرة بشكلٍ شائعٍ في المياه الجوفية، ولكن سرعان ما يتأكسد الحديد الثنائي إلى الثلاثي ويترسّب أكسيد الحديد Fe2O3 من الوسط.
الخواص الكيميائية > المركبات الكيميائية

أكسيد الحديد الثنائي FeO (أكسيد الحديدوز)
أكسيد الحديد الثلاثي FeO (أكسيد الحديديك)
أكسيد الحديد الثنائي والثلاثي FeO (أكسيد الحديد المغناطيسي)
تحوي ذرّة الحديد على 24 إلكتروناً، والتي تترتّب وفق التوزيع الإلكتروني Ar;3d64s2، وتكون طاقة الإلكترونات 3d و 4s متقاربة، ممّا يمكّن من حدوث تأيّن عددٍ مختلفٍ من الإلكترونات. بالرغم من ذلك، فللحديد حالتا أكسدة مفضّلتان عن غيرهما، وهما +2 و+3؛ وهما السائدتان في مركّباته اللاعضوية، ففي حالة الأكسدة +2 يشكّل الحديد مركّبات الحديدوز، وفي حالة الأكسدة +3 يشكل مركّبات الحديديك. يعدّ الحديد الرباعي شائعاً في المركّبات الوسطية في عددٍ من تفاعلات الأكسدة الكيميائية الحيوية. من جهةٍ أخرى، يستطيع الحديد أيضاً أن يشكّل مركّبات كيميائية بحالات أكسدة عليا، مثل حالة الأكسدة +6 في مركّب حديدات البوتاسيوم  القرمزي K2FeO4؛ أمّا حالات الأكسدة الأعلى من ذلك فهناك خلافٌ على حقيقة وجودها. هناك عددٌ من مركّبات الحديد العضوية، والتي تتراوح فيها حالة أكسدة الحديد بين +1 أو 0 أو −1 أو حتى −2. غالباً ما تُحدَّد حالة أكسدة الحديد والعدد التناسقي وخواص ارتباطه الكيميائي وفق تقنية مطيافية موسباور. يوجد عددٌ من المركّبات مختلطة التكافؤ  والحاوية على مراكز من الحديد الثنائي والثلاثي، مثلما هو الحال في المغنيتيت أو خضاب أزرق بروسيا Fe4[Fe(CN)6]3، والذي كان شائع الاستخدام سابقاً في الطبعات الزرقاء.
الخواص الكيميائية > المركبات الكيميائية > المعقدات التناسقية

نظراً للبنية الإلكترونية المميّزة للحديد فهو قادر على تشكيل عددٍ معتبرٍ من المعقّدات التناسقية؛ من الأمثلة النمطية على ذلك الأنيون سداسي كلورو الحديدات  3−[FeCl6]، حيث يكون الحديد الثلاثي فيه ذا عدد تناسقي مقداره 6؛ وهو متضمّن في بنية المعقّد كلوريد رباعي (ميثيل أمونيوم) سداسي كلورو الحديدات. تشبه معقّدات الحديد الثلاثي نظيراتها من الكروم الثلاثي، مع وجود استثناء بتفضيل الحديد الثلاثي للرُبَيطات المانحة لذرة أكسجين عوضاً عن تلك المانحة لذرة نتروجين. إذ لا تعدّ معقّدات الحديد الثلاثي مع الرُبَيطات النتروجينية ذات ثباتية مرتفعة بالمقارنة مع معقّدات الحديد الثنائي، وغالباً ما تتفكّك في المحاليل المائية. تبدي معقّدات الحديد الحاوية على الرابطة Fe–O ألواناً شديدة، وغالباً ما تستخدم في اختبارات الكشف عن الفينولات أو الإينولات، مثلما هو الحال في اختبار كلوريد الحديديك للكشف عن الفينول، إذ يتفاعل كلوريد الحديديك مع الفينول ليشكل معقّداً ذا لون بنفسجي غامق.
من بين المعقّدات مع الهاليدات والهاليدات الزائفة تعدّ معقّدات الحديد الثلاثي الفلورية الأكثر استقراراً، وخاصة معقّد 2− [FeF5(H2O)] عديم اللون في الأوساط المائية. لا تتمتّع المعقّدات الكلورية بثباتية كبيرة، وتميل إلى تفضيل التناسق رباعي السطوح، كما هو الحال في معقّد − [FeCl4]؛ بالمقابل يُختزَل معقّدا − [FeBr4] و− [FeI4] بسهولة إلى الحديد الثنائي. كما هو الحال مع المنغنيز الثنائي تمتلك أغلب معقّدات الحديد الثلاثي قيم لفٍّ مغزليٍّ مرتفع،  والاستثناءات تكون لتلك الحاوية على رُبَيطات واقعة في أعلى السلسلة الكيميائية الطيفية مثل السيانيد. من الأمثلة على معقّدات الحديد الثلاثي منخفضة اللفّ المغزلي معقّد 3− [Fe(CN)6]، والذي يمتاز بسهولة انفصام رُبَيطات السيانيد فيه، ولذلك فهو معقّد سام، وذلك على العكس من معقّد الحديد الثنائي 4−[Fe(CN)6] الداخل في تركيب خضاب أزرق بروسيا؛ والذي لا يحرّر سيانيد الهيدروجين إلّا عندما يُمزَج مع أحماضٍ ممدّدة. يعدّ خضاب أزرق بروسيا (فِرّوسيانيد الحديديك) من الأمثلة على معقّدات الحديد التناسقية الحاوية على الحديد الثنائي والثلاثي في البنية؛ فهو معقّد له الصيغة Fe4 [Fe(CN)6]3، ويُحضّر من تفاعل ملح للحديد الثلاثي مع فروسيانيد البوتاسيوم K4 [Fe(CN)6]. على العموم فإن معقّدات الحديد الثنائي التناسقية أقلّ استقراراً وثباتية من نظيراتها من الحديد الثلاثي، إذ تميل إلى التأكسد إلى الحديد الثلاثي، ويمكن التقليل من ذلك بتخفيض قيمة pH الوسط وحسب نوعية الرُبَيطات الموجودة في المعقّد.
تُظهِر معقّدات الحديد العضوية الحاوية على ربيطات ثنائية السن خاصّية التصاوغ الهندسي؛ فعلى سبيل المثال، يلزم المصاوغ المفروق  في اصطناع تركيبات معقّدة  حاوية على ربيطات 2،1-مضاعف (ثنائي فينيل فوسفينو) الإيثان (dppe) في بنيتها. يحوي أيون فِرّي أكسالات  على ثلاث ربيطات من الأكسالات، وهو يظهر خاصّية اليدوية المحورية.