حديد

تُلاحَظ ثلاثة ترتيبات مختلفة لذرات الحديد في الحديد الصلب عند الضغوط العادية. تُشار إلى هذه الأشكال المتآصلة اصطلاحًا بالرموز α و γ و δ و ε . عندما يبرد الحديد المنصهر إلى ما دون درجة تجمده البالغة 1538  درجة مئوية، يتبلور إلى شكله المتآصل δ، ذي البنية البلورية المكعبة مركزية الجسم (bcc) . وعندما يبرد أكثر إلى 1394 درجة مئوية، يتحول إلى شكله المتآصل γ، ذي البنية البلورية المكعبة مركزية الأوجه (fcc)، أو الأوستنيت . عند 912 درجة مئوية وما دون، تعود البنية البلورية إلى شكلها المتآصل α ذي البنية المكعبة مركزية الجسم. ^{[ 11 ]}  

عند الضغوط العالية، التي تتجاوز 10 جيجا باسكال تقريبًا، ودرجات حرارة لا تتجاوز بضع مئات من الكلفن، يتحول حديد ألفا إلى بنية سداسية متراصة (hcp)، تُعرف أيضًا باسم حديد إبسيلون . كما يتحول طور جاما، الذي يتشكل عند درجات حرارة أعلى، إلى حديد إبسيلون، ولكن عند ضغوط أعلى. ^{[ 12 ]} وقد دُرست الخصائص الفيزيائية للحديد عند الضغوط ودرجات الحرارة العالية جدًا على نطاق واسع نظرًا لأهميتها في النظريات المتعلقة بنوى الأرض والكواكب الأخرى. ^{[ 13 ] [ 12 ]} ويُفترض عمومًا أن النواة الداخلية للأرض تتكون من سبيكة من الحديد والنيكل ذات بنية إبسيلون (أو بيتا). ^{[ 14 ]}

توجد بعض الأدلة التجريبية المثيرة للجدل حول وجود طور β مستقر عند ضغوط تزيد عن 50 جيجا باسكال ودرجات حرارة لا تقل عن 1500 كلفن. ويُفترض أن يكون له بنية معينية قائمة أو بنية سداسية مزدوجة متراصة. ^{[ 15 ]} (ومن المثير للارتباك أن مصطلح "حديد β" يُستخدم أحيانًا للإشارة إلى حديد α فوق نقطة كوري، عندما يتحول من كونه مغناطيسيًا حديديًا إلى مغناطيسي مساير، على الرغم من أن بنيته البلورية لم تتغير. ^{[ 11 ]} )

تُعدّ درجات انصهار وغليان الحديد، بالإضافة إلى حرارة تذريره ، أقل من تلك الخاصة بعناصر السلسلة الانتقالية 3d السابقة، بدءًا من السكانديوم وصولًا إلى الكروم ، مما يُشير إلى انخفاض مساهمة إلكترونات 3d في الرابطة المعدنية نتيجةً لتزايد انجذابها إلى النواة الخاملة؛ ^{[ 16 ]} ومع ذلك، فهي أعلى من قيم عنصر المنغنيز السابق ، لأن غلافه الفرعي 3d نصف ممتلئ، وبالتالي يصعب على إلكتروناته d أن تنتشر. ويظهر هذا الاتجاه نفسه في الروثينيوم، ولكن ليس في الأوزميوم . ^{[ 17 ]}

تُحدد درجة انصهار الحديد تجريبياً بدقة عند ضغوط أقل من 50 جيجا باسكال. أما عند الضغوط الأعلى، فلا تزال البيانات المنشورة (حتى عام 2007) تختلف بعشرات الجيجا باسكال وأكثر من ألف كلفن. ^{[ 18 ]}

تحت درجة حرارة كوري البالغة 770 درجة مئوية (1420 درجة فهرنهايت؛ 1040 كلفن) ، يتحول حديد ألفا من بارامغناطيسي إلى فيرومغناطيسي : إذ تتراصف دورات الإلكترونات غير المزدوجة في كل ذرة عمومًا مع دورات ذرات جيرانها، مما يُنشئ مجالًا مغناطيسيًا كليًا . [ 20 ] يحدث هذا لأن مدارات هذين الإلكترونين (dz² و dx² - y² ) لا تتجه نحو الذرات المجاورة في الشبكة البلورية ، وبالتالي لا تشارك في الرابطة المعدنية. [ 11 ]   

في غياب مصدر خارجي للمجال المغناطيسي، تتوزع الذرات تلقائيًا في نطاقات مغناطيسية ، يبلغ قطرها حوالي 10 ميكرومترات، ^{[ 21 ]} بحيث يكون للذرات في كل نطاق دوران متوازي، ولكن بعض النطاقات لها اتجاهات مختلفة. وبالتالي، فإن قطعة كبيرة من الحديد سيكون لها مجال مغناطيسي إجمالي يكاد يكون معدومًا.

يؤدي تطبيق مجال مغناطيسي خارجي إلى نمو المجالات المغناطيسية التي تتجه في نفس الاتجاه العام على حساب المجالات المجاورة لها التي تتجه في اتجاهات أخرى، مما يعزز المجال الخارجي. يُستغل هذا التأثير في الأجهزة التي تحتاج إلى توجيه المجالات المغناطيسية لأداء وظيفتها التصميمية، مثل المحولات الكهربائية ورؤوس التسجيل المغناطيسي والمحركات الكهربائية . يمكن للشوائب أو عيوب الشبكة البلورية أو حدود الحبيبات والجسيمات أن "تثبت" المجالات المغناطيسية في مواقعها الجديدة، بحيث يستمر التأثير حتى بعد إزالة المجال الخارجي، مما يحول الجسم الحديدي إلى مغناطيس (دائم) . ^{[ 20 ]}

تُظهر بعض مركبات الحديد سلوكًا مشابهًا، مثل الفريتات التي تشمل معدن الماغنيتيت ، وهو شكل بلوري من أكسيد الحديد المختلط (II،III) _Fe3O4 ( على الرغم من أن الآلية على المستوى الذري، وهي المغناطيسية الحديدية ، تختلف نوعًا ما). وقد وفرت قطع الماغنيتيت ذات المغنطة الدائمة الطبيعية ( _أحجار المغناطيس ) البوصلات الأولى للملاحة. استُخدمت جزيئات الماغنيتيت على نطاق واسع في وسائط التسجيل المغناطيسي مثل الذاكرة الأساسية والأشرطة المغناطيسية والأقراص المرنة والأقراص الصلبة ، إلى أن استُبدلت بمواد أساسها الكوبالت .

للحديد أربعة نظائر مستقرة : ^54Fe (5.845% من الحديد الطبيعي)، و ⁵⁶ Fe (91.754%)، و ⁵⁷ Fe (2.119%)، و ^{58 Fe} ( 0.282%). كما تم تصنيع أربعة وعشرين نظيرًا اصطناعيًا. من بين هذه النظائر المستقرة، يمتلك ^{57Fe فقط} عزمًا نوويًا مغزليًا ( -1/2 ). نظريًا، يمكن أن يخضع النظير ^{54Fe لعملية} التقاط إلكتروني مزدوج ليتحول ^إلى 54Cr ، لكن هذه العملية لم تُرصد قط، ولم يُحدد سوى حد أدنى لعمر النصف يبلغ 4.4 × ^{10²⁰ سنة. [ 22 ]}

يُعدّ الحديد ^{-60 نظيرًا} مشعًا منقرضًا ذو عمر نصف طويل (2.6 مليون سنة). ^{[ 23 ]} لا يوجد هذا النظير على الأرض، ولكن ناتج تحلله النهائي هو نظيرته المستقرة، النيكل -60 ^. [ ^{9 ] ركّزت} معظم الدراسات السابقة حول التركيب النظائري للحديد على التخليق النووي للحديد ^-60 من خلال دراسة النيازك وتكوين الخامات. في العقد الماضي، سمحت التطورات في قياس الطيف الكتلي بالكشف عن الاختلافات الدقيقة الطبيعية في نسب النظائر المستقرة للحديد وتحديد كميتها. يقود هذا العمل في الغالب مجتمعات علوم الأرض والكواكب ، على الرغم من ظهور تطبيقات في الأنظمة البيولوجية والصناعية. ^{[ 24 ]}

في مراحل نيزكي سيماركونا وشيرفوني كوت، وفّرت العلاقة بين تركيز النيكل ^-60 ، وهو نظير الحديد ^-60 ، ووفرة نظائر الحديد المستقرة، دليلاً على وجود الحديد ^-60 وقت تكوّن النظام الشمسي . ويُحتمل أن الطاقة المنبعثة من تحلّل الحديد ^-60 ، إلى جانب الطاقة المنبعثة من الألومنيوم ^-26 ، ساهمت في إعادة انصهار وتمايز الكويكبات بعد تكوّنها قبل 4.6 مليار سنة. وقد تُسهم وفرة النيكل ^-60 الموجودة في المواد خارج الأرض في فهم أعمق لأصل النظام الشمسي وتاريخه المبكر . ^{[ 25 ]}

يُعدّ نظير الحديد الأكثر وفرةً، ^56Fe ، ذا أهمية خاصة لعلماء الذرة لأنه يُمثّل النتيجة النهائية الأكثر شيوعًا لعملية التخليق النووي . ^{[ 26 ]} ونظرًا لأنّ ^56Ni (14 جسيم ألفا ) يُنتَج بسهولة من النوى الأخفّ وزنًا في عملية ألفا في التفاعلات النووية في المستعرات العظمى (انظر عملية احتراق السيليكون )، فهو يُمثّل النتيجة النهائية لسلاسل الاندماج داخل النجوم الضخمة للغاية . على الرغم من إمكانية إضافة المزيد من جسيمات ألفا، إلا أن التسلسل ينتهي فعليًا عند ^56Ni لأنّ الظروف داخل النجوم تجعل التنافس بين التفكك الضوئي وعملية ألفا يُرجّح كفة التفكك الضوئي حول ^56Ni . ^{[ 27 ] [ 28 ]} يتكوّن ^56Ni ، الذي يبلغ عمر النصف له حوالي 6 أيام، بكميات كبيرة في هذه النجوم، لكنه سرعان ما يتحلّل بانبعاثين متتاليين من البوزيترونات ضمن نواتج تحلّل المستعر الأعظم في سحابة الغاز المتبقية ، أولًا إلى ^56Co المشع ، ثم إلى ^56Fe المستقر . لذا، يُعدّ الحديد العنصر الأكثر وفرة في لبّ العمالقة الحمراء ، وهو المعدن الأكثر وفرة في النيازك الحديدية وفي النوى المعدنية الكثيفة للكواكب مثل الأرض . ^{[ 29 ]} كما أنه شائع جدًا في الكون، مقارنةً بالمعادن المستقرة الأخرى ذات الوزن الذري المماثل تقريبًا . ^{[ 29 ] [ 30 ]} ويُعدّ الحديد سادس أكثر العناصر وفرة في الكون ، وأكثر العناصر المقاومة للحرارة شيوعًا . ^{[ 31 ]}

على الرغم من إمكانية استخلاص مكسب طاقة ضئيل إضافي عن طريق تصنيع النيكل ^-62 ، الذي يتمتع بطاقة ربط أعلى قليلاً من الحديد ^-56 ، إلا أن الظروف في النجوم غير ملائمة لهذه العملية. يُفضل إنتاج العناصر في المستعرات العظمى الحديد على النيكل بشكل كبير، وعلى أي حال، لا يزال الحديد ^-56 يمتلك كتلة أقل لكل نيوكليون من النيكل ^-62 نظرًا لارتفاع نسبة البروتونات الأخف فيه. ^{[ 32 ]} لذا، تتطلب العناصر الأثقل من الحديد حدوث مستعر أعظم لتكوينها، وهو ما يتضمن التقاطًا سريعًا للنيوترونات بواسطة نوى الحديد ^-56 الأولية. ^{[ 29 ]}

في المستقبل البعيد للكون، وبافتراض عدم حدوث تحلل البروتون ، فإن الاندماج البارد الذي يحدث عبر النفق الكمومي سيؤدي إلى اندماج النوى الخفيفة في المادة العادية لتكوين نوى حديد ^56. ثم سيؤدي الانشطار وانبعاث جسيمات ألفا إلى تحلل النوى الثقيلة إلى حديد، مما يحول جميع الأجسام ذات الكتلة النجمية إلى كرات باردة من الحديد النقي. ^{[ 33 ]}

يعود وفرة الحديد في الكواكب الصخرية مثل الأرض إلى إنتاجه الوفير أثناء الاندماج النووي المتسارع وانفجار المستعرات العظمى من النوع Ia ، مما يؤدي إلى تشتيت الحديد في الفضاء. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

نادرًا ما يُعثر على الحديد المعدني أو الحديد الطبيعي على سطح الأرض نظرًا لميله إلى التأكسد. ومع ذلك، يُعتقد أن كلًا من اللب الداخلي والخارجي للأرض ، اللذين يشكلان معًا 35% من كتلة الأرض، يتكونان في الغالب من سبيكة حديدية، ربما مع النيكل . ويُعتقد أن التيارات الكهربائية في اللب الخارجي السائل هي أصل المجال المغناطيسي للأرض . أما الكواكب الأرضية الأخرى ( عطارد والزهرة والمريخ ) بالإضافة إلى القمر ، فيُعتقد أن لها لبًا معدنيًا يتكون في معظمه من الحديد. كما يُعتقد أن الكويكبات من النوع M تتكون جزئيًا أو كليًا من سبيكة حديدية معدنية.

تُعدّ النيازك الحديدية النادرة الشكل الرئيسي للحديد المعدني الطبيعي على سطح الأرض. وقد عُثر على قطع مصنوعة من الحديد النيزكي المُشكّل على البارد في مواقع أثرية مختلفة تعود إلى حقبة لم تكن فيها صناعة صهر الحديد قد تطورت بعد؛ كما ورد أن شعب الإنويت في غرينلاند استخدموا الحديد من نيزك كيب يورك لصنع الأدوات وأسلحة الصيد. ^{[ 36 ]} يتكون حوالي 1 من كل 20 نيزكًا من معدني الحديد والنيكل الفريدين: التاينايت (35-80% حديد) والكاماسيت (90-95% حديد). ^{[ 37 ]} كما يُعثر على الحديد الأصلي نادرًا في البازلتات التي تشكلت من الصهارة التي تلامست مع الصخور الرسوبية الغنية بالكربون، مما أدى إلى انخفاض ضغط الأكسجين فيها بدرجة كافية لتبلور الحديد. يُعرف هذا النوع بالحديد الأرضي ، وقد وُصف في مواقع قليلة، مثل جزيرة ديسكو في غرب غرينلاند، وياكوتيا في روسيا ، وبوهل في ألمانيا . ^{[ 38 ]}

يشكل الفيروبيريكليز (Mg,Fe)O ، وهو محلول صلب من البيريكليز (MgO) والوستيت (FeO)، حوالي 20% من حجم الوشاح السفلي للأرض، مما يجعله ثاني أكثر الأطوار المعدنية وفرةً في تلك المنطقة بعد بيروفسكايت السيليكات (Mg,Fe)SiO₃ _؛ كما أنه المضيف الرئيسي للحديد في الوشاح السفلي. ^{[ 39 ]} في قاع منطقة الانتقال في الوشاح، _يحوّل التفاعل γ- (Mg,Fe) _₂ [ SiO₄ ] ↔ (Mg,Fe) [ _SiO₃ ] + (Mg,Fe)O الأوليفين γ إلى خليط من بيروفسكايت السيليكات والفيروبيريكليز ، والعكس صحيح. في المراجع العلمية، يُطلق على هذا الطور المعدني من الوشاح السفلي أيضًا اسم المغنيسيووستيت. ^{[ 40 ]} قد يشكل البيروفسكايت السيليكاتي ما يصل إلى 93% من الوشاح السفلي، ^{[ 41 ]} ويُعتبر شكل المغنيسيوم والحديد، (Mg,Fe)SiO3 _، أكثر المعادن وفرة على الأرض، حيث يشكل 38% من حجمها. ^{[ 42 ]}

على الرغم من أن الحديد هو العنصر الأكثر وفرة على سطح الأرض، إلا أن معظمه يتركز في اللب الداخلي والخارجي للأرض . ^{[ 43 ] [ 44 ]} ولا تتجاوز نسبة الحديد الموجودة في قشرة الأرض 5% من كتلتها الإجمالية، وبالتالي فهو رابع أكثر العناصر وفرة في هذه الطبقة ( بعد الأكسجين والسيليكون والألومنيوم ) . ^{[ 45 ]}

يتحد معظم الحديد الموجود في القشرة الأرضية مع عناصر أخرى متنوعة لتكوين العديد من معادن الحديد . ومن أهم هذه المعادن معادن أكسيد الحديد _، مثل الهيماتيت (Fe₂O₃ ₎ والماغنيتيت ( Fe₃O₄ ₎ والسيديريت (FeCO₃)، _وهي الخامات الرئيسية _للحديد . كما تحتوي العديد من الصخور النارية على معادن الكبريتيد، مثل البيروتيت والبنتلانديت . ^{[ 46 ] [} 47 ^] أثناء التجوية ، يميل الحديد إلى التسرب من رواسب الكبريتيد على شكل كبريتات، ومن رواسب السيليكات على شكل بيكربونات. ويتأكسد كلا المركبين في المحلول المائي ^، ويترسبان حتى في درجات حموضة مرتفعة قليلاً على شكل أكسيد الحديد الثلاثي . ^{[ 48 ]}

تُعدّ رواسب الحديد الكبيرة تكوينات حديدية شريطية ، وهي نوع من الصخور يتكون من طبقات رقيقة متكررة من أكاسيد الحديد تتناوب مع أشرطة من الصخر الزيتي والصوان الفقير بالحديد . وقد ترسبت هذه التكوينات الحديدية الشريطية في الفترة ما بين 3700  مليون سنة مضت و 1800  مليون سنة مضت . ^{[ 49 ] [ 50 ]}

استُخدمت مواد تحتوي على أكاسيد أو هيدروكسيدات الحديد الثلاثي المطحونة ناعماً، مثل المغرة ، كأصباغ صفراء وحمراء وبنية منذ عصور ما قبل التاريخ. كما تُساهم هذه المواد في لون العديد من الصخور والطين ، بما في ذلك تكوينات جيولوجية كاملة مثل التلال الملونة في ولاية أوريغون الأمريكية وحجر بونتساندشتاين (الحجر الرملي الملون، كما يُعرف في بريطانيا باسم بونتر ). ^{[ 51 ]} ومن خلال حجر آيزنساندشتاين (وهو حجر رملي حديدي من العصر الجوراسي ، على سبيل المثال من دونزدورف في ألمانيا) ^{[ 52 ]} وحجر باث في المملكة المتحدة، تُعزى مركبات الحديد إلى اللون المصفر للعديد من المباني والمنحوتات التاريخية. ^{[ 53 ]} أما اللون الأحمر الشهير لسطح المريخ فهو ناتج عن طبقة ريغوليث غنية بأكاسيد الحديد . ^{[ 54 ]}

توجد كميات كبيرة من الحديد في معدن البيريت (FeS₂ ₎ ، وهو معدن كبريتيد الحديد، إلا أن استخلاص الحديد منه صعب، ولذلك لا يُستغل. ^{[ 55 ]} في الواقع، يُعد الحديد شائعًا جدًا لدرجة أن الإنتاج يتركز عمومًا على الخامات التي تحتوي على كميات كبيرة جدًا منه. ^{[ 56 ]}

بحسب تقرير الهيئة الدولية للموارد حول مخزونات المعادن في المجتمع ، يبلغ المخزون العالمي من الحديد المستخدم في المجتمع 2200 كيلوغرام للفرد. وتختلف الدول الأكثر تقدماً في هذا الصدد عن الدول الأقل نمواً (7000-14000 كيلوغرام مقابل 2000 كيلوغرام للفرد). ^{[ 57 ]}

أثبت علم المحيطات دور الحديد في البحار القديمة في كل من الكائنات البحرية والمناخ. ^{[ 58 ]}

فيما يلي جهود الاختزال القياسية في المحلول المائي الحمضي لبعض أيونات الحديد الشائعة: ^{[ 11 ]}

[Fe(H₂O ) ₆ ] ²⁺ + 2 e⁻	⇌ Fe	E 0 = −0.447 فولت
[Fe( H₂O ) ₆ ] ³⁺ + e⁻	⇌ [Fe( H₂O ) ₆ ] ²⁺	E 0 = +0.77 فولت
FeO 2− 4 + 8 H 3 O + + 3 e −	⇌ [Fe( H₂O ) ₆ ] ³⁺ + 6 H₂O	E 0 = +2.20 فولت

إن أنيون الفيرات (VI) رباعي السطوح ذو اللون الأحمر الأرجواني هو عامل مؤكسد قوي لدرجة أنه يؤكسد الأمونيا إلى النيتروجين (N2 ₎ والماء إلى الأكسجين: ^{[ 69 ]}

4 FeO ²⁻ ₄ + 34 H₂ O→ 4[Fe(H₂O)₆]³⁺+ 20OH ⁻+ 3 O ₂

إن المركب المائي السداسي ذو اللون البنفسجي الباهت [ Fe(H2O ₎ 6 _] 3+ ^هو حمض بحيث أنه يتحلل بالكامل فوق الرقم الهيدروجيني 0: ^{[ 72 ]}

[ Fe( H₂O ) ₆ ] ³⁺	⇌ [ Fe(H₂O ) ₅ ( OH)] ²⁺ + H⁺	K = 10 −3.05 مول دسم −3
[ Fe(H₂O ) ₅ ( OH)] ²⁺	⇌ [ Fe(H₂O ) ₄ ( OH) ₂ ] ⁺ + H⁺	K = 10 −3.26 مول دسم −3
2 [ Fe(H 2 O) 6 ] 3+	⇌ [ Fe (H₂O ) ₄ ( OH ) ] ⁴⁺² + 2H⁺ + 2H₂O	K = 10 −2.91 مول دسم −3

مع ارتفاع الرقم الهيدروجيني فوق الصفر، تتشكل الأنواع الصفراء المتحللة المذكورة أعلاه، ومع ارتفاعه فوق 2-3، يترسب أكسيد الحديد(III) المائي ذو اللون البني المحمر من المحلول. على الرغم من أن Fe³⁺ ^له التكوين الإلكتروني ad⁵ ^، إلا أن طيف امتصاصه يختلف عن طيف Mn²⁺ ^ذي نطاقات d-d الضعيفة والمحظورة دورانيًا، وذلك لأن Fe³⁺ ^يتمتع بشحنة موجبة أعلى واستقطاب أكبر، مما يقلل من طاقة امتصاص انتقال الشحنة من الرابطة إلى المعدن . وبالتالي، فإن جميع المركبات المذكورة أعلاه ذات ألوان قوية، باستثناء أيون الهيكسا أكوا - وحتى هذا الأيون له طيف يهيمن عليه انتقال الشحنة في منطقة الأشعة فوق البنفسجية القريبة. ^{[ 72 ]} من ناحية أخرى، فإن أيون الحديد(II) الهيكسا أكوا الأخضر الباهت [ Fe(H₂O ₎ ₆ _] ²⁺ ^لا يخضع لتحلل مائي ملحوظ. لا ينطلق ثاني أكسيد الكربون عند إضافة أيونات الكربونات ، مما يؤدي بدلاً من ذلك إلى ترسب كربونات الحديد الثنائي البيضاء . في وجود فائض من ثاني أكسيد الكربون، يتشكل البيكربونات قليل الذوبان، والذي يوجد عادةً في المياه الجوفية، ولكنه يتأكسد بسرعة في الهواء ليشكل أكسيد الحديد الثلاثي، وهو المسؤول عن الرواسب البنية الموجودة في عدد كبير من الجداول. ^{[ 73 ]}

بسبب بنيته الإلكترونية، يتمتع الحديد بتناسق كبير جدًا وكيمياء عضوية فلزية.

تُعرف العديد من مركبات التناسق للحديد. ومن الأنيونات السداسية التناسق النموذجية سداسي كلورو الحديدات (III)، [FeCl6 _] 3− ^، الموجود في الملح المختلط رباعي (ميثيل أمونيوم) سداسي كلورو الحديدات (III) كلوريد . ^{[ 74 ] [ 75 ]} تمتلك المعقدات ذات الروابط ثنائية السن المتعددة متصاوغات هندسية . على سبيل المثال، يُستخدم معقد trans- كلوروهيدريدو ثنائي ( ثنائي-1،2-(ثنائي فينيل فوسفينو) إيثان) حديد (II) كمادة أولية للمركبات التي تحتوي على جزء Fe( dppe ) ₂ . ^{[ 76 ] [ 77 ]} يُظهر أيون فيريوكسالات، الذي يحتوي على ثلاثة روابط أوكسالات، كيرالية حلزونية ، حيث يُرمز له بـ Λ (لامدا) للمحور اللولبي الأيسر، و Δ (دلتا) للمحور اللولبي الأيمن، وذلك وفقًا لاتفاقيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC). ^{[ 72 ]} يُستخدم فيريوكسالات البوتاسيوم في قياس الإشعاع الكيميائي ، ويخضع، مع ملحه الصوديومي، للاختزال الضوئي المُستخدم في عمليات التصوير الفوتوغرافي التقليدية. يتميز ثنائي هيدرات أوكسالات الحديد (II) ببنية بوليمرية ، حيث تربط أيونات الأوكسالات المستوية بين مراكز الحديد، بينما تُشكل جزيئات ماء التبلور أغطية كل ثماني السطوح، كما هو موضح أدناه. ^{[ 78 ]}

تتشابه معقدات الحديد الثلاثي إلى حد كبير مع معقدات الكروم الثلاثي، باستثناء ميل الحديد الثلاثي إلى الارتباط بروابط مانحة للأكسجين بدلاً من روابط مانحة للنيتروجين . تميل هذه الروابط الأخيرة إلى أن تكون أقل استقرارًا من معقدات الحديد الثنائي، وغالبًا ما تتفكك في الماء. تُظهر العديد من معقدات الحديد-أكسجين ألوانًا زاهية، وتُستخدم في اختبارات الكشف عن الفينولات أو الإينولات . على سبيل المثال، في اختبار كلوريد الحديديك ، المستخدم لتحديد وجود الفينولات، يتفاعل كلوريد الحديد الثلاثي مع الفينول لتكوين معقد بنفسجي داكن: ^{[ 72 ]}

3 ArOH + FeCl ₃ → Fe(OAr) ₃ + 3 حمض الهيدروكلوريك (Ar = أريل )

من بين معقدات الهاليدات وشبه الهاليدات، تُعدّ معقدات الفلورو للحديد (III) الأكثر استقرارًا، حيث يُعتبر المركب عديم اللون [FeF₅ ₍ H₂O ₎ ] ^²⁻ الأكثر استقرارًا في المحلول المائي. أما معقدات الكلورو فهي أقل استقرارًا وتُفضّل التناسق رباعي الأوجه كما في [FeCl₄ _] ⁻ ^؛ بينما يُختزل كل من [FeBr₄ _] ⁻ ^و [FeI₄ _] ⁻ ^{بسهولة إلى حديد (II). يُعدّ} الثيوسيانات اختبارًا شائعًا للكشف عن وجود الحديد (III) لأنه يُكوّن المركب الأحمر القاني [Fe(SCN)(H₂O ₎ ₅ _] ²⁺ ^. ومثل المنغنيز (II)، فإن معظم معقدات الحديد (III) ذات دوران مغزلي عالٍ، باستثناء تلك التي تحتوي على روابط ذات قيمة عالية في السلسلة الطيفية الكيميائية مثل السيانيد . من الأمثلة على معقدات الحديد(III) ذات الدوران المنخفض المركب [Fe(CN) ₆ ] ³⁻ . يُظهر الحديد تنوعًا كبيرًا في حالات الدوران الإلكتروني ، بما في ذلك جميع قيم عدد الكم الدوراني الممكنة لعنصر من عناصر المجموعة d، بدءًا من 0 (مغناطيسية معاكسة) وصولًا إلى 5/2 ( 5 إلكترونات منفردة). هذه القيمة دائمًا ما تساوي نصف عدد الإلكترونات المنفردة. تُعتبر المعقدات التي تحتوي على صفر إلى إلكترونين منفردين ذات دوران منخفض، بينما تُعتبر تلك التي تحتوي على أربعة أو خمسة إلكترونات ذات دوران عالٍ . ^{[ 68 ]}

تُعدّ معقدات الحديد الثنائي أقل استقرارًا من معقدات الحديد الثلاثي، لكن ميلها نحو الروابط المانحة للأكسجين أقل وضوحًا، لذا على سبيل المثال، يُعرف المركب [ Fe(NH₃ ₎ ₆ _] ²⁺ ^{بينما لا يُعرف المركب} [ Fe(NH₃ ₎ ₆ _] ³⁺ ^. تميل هذه المعقدات إلى التأكسد إلى حديد ثلاثي، ولكن يمكن الحدّ من ذلك بانخفاض الرقم الهيدروجيني ونوع الروابط المستخدمة. ^{[ 73 ]}

كيمياء الحديد العضوية هي دراسة المركبات العضوية الفلزية للحديد، حيث ترتبط ذرات الكربون تساهميًا بذرة الفلز. وهي كثيرة ومتنوعة، بما في ذلك معقدات السيانيد ، ومعقدات الكربونيل ، ومركبات الساندويتش ومركبات نصف الساندويتش .

الأزرق البروسي ، أو "فيروسيانيد الحديديك"، Fe₄ _[ Fe(CN) _₆ ] _₃ ، هو مركب سيانيد حديدي قديم ومعروف، يُستخدم على نطاق واسع كصبغة وفي العديد من التطبيقات الأخرى. ويمكن استخدام تكوينه كاختبار كيميائي رطب بسيط للتمييز بين المحاليل المائية لأيونات الحديد الثنائي (Fe²⁺ ⁾ والثلاثي (Fe³⁺ ⁾ ، حيث يتفاعلان (على التوالي) مع فيروسيانيد البوتاسيوم وفيروسيانيد البوتاسيوم لتكوين الأزرق البروسي. ^{[ 64 ]}

من الأمثلة القديمة الأخرى على مركبات الحديد العضوية خماسي كربونيل الحديد ، Fe(CO) _₅ ، حيث ترتبط ذرة حديد متعادلة بذرات الكربون لخمس جزيئات من أول أكسيد الكربون . يُستخدم هذا المركب في صناعة مسحوق كربونيل الحديد ، وهو شكل شديد التفاعل من الحديد المعدني. ينتج عن التحلل الحراري لخماسي كربونيل الحديد _ثلاثي كربونيل الحديد ، Fe₃ (CO) _₁₂ ، وهو معقد يحتوي على عنقود من ثلاث ذرات حديد في نواته. يُعد كاشف كولمان، رباعي كربونيل الحديد ثنائي الصوديوم ، كاشفًا مفيدًا في الكيمياء العضوية؛ إذ يحتوي على الحديد في حالة الأكسدة -2. يحتوي ثنائي كربونيل سيكلوبنتادينيل الحديد على الحديد في حالة الأكسدة النادرة +1. ^{[ 79 ]}

الصيغة البنائية للفيروسين وعينة مسحوقة

كان اكتشاف مركب الفيروسين Fe( _C₅H₅ ) _₂ ، وهو مركب ذو بنية شطيرية مستقرة بشكل ملحوظ ، عام 1951 ، من قِبل باوسون وكيلي ^{[ 80 ]} ، وبشكل مستقل من قِبل ميلر وزملائه ^{[ 81 ]} _، علامة فارقة في هذا المجال ، وقد تم تحديد بنيته الجزيئية المذهلة بعد عام واحد فقط من قِبل وودوارد وويلكنسون ^{[ 82 ]} وفيشر ^{[ 83 ]} . ولا يزال الفيروسين أحد أهم الأدوات والنماذج في هذه الفئة ^{[ 84 ] .}

تُستخدم المركبات العضوية المعدنية التي تتمركز حول الحديد كعوامل محفزة . على سبيل المثال، يُعد مركب كنولكر عاملًا محفزًا للهدرجة الانتقالية للكيتونات . ^{[ 85 ]}

_تُعدّ كبريتات الحديد الثنائي ₍ FeSO₄ · 7H₂O ) وكلوريد الحديد الثلاثي (FeCl₃ ₎ من أكثر مركبات الحديد إنتاجًا في الصناعة . تُعتبر كبريتات الحديد الثنائي من أكثر مصادر الحديد الثنائي وفرةً، إلا أنها أقل استقرارًا ضد الأكسدة الهوائية من ملح مور ( NH₄ ) _₂Fe (SO₄ _{) ₂ ·} 6H₂O ) . تميل مركبات الحديد _{الثنائي} إلى التأكسد إلى مركبات الحديد الثلاثي في ​​الهواء ^{. [ 64} ]

يُعدّ الحديد أحد العناصر التي عرفها العالم القديم بلا شك. ^{[ 86 ]} وقد استُخدم في صناعة الأدوات والأسلحة لآلاف السنين. مع ذلك، فإنّ المصنوعات الحديدية القديمة نادرةٌ جدًا مقارنةً بالقطع المصنوعة من الذهب أو الفضة، نظرًا لسهولة تآكل الحديد. ^{[ 87 ]} وقد تطوّرت تقنيات صناعته ببطء، وحتى بعد اكتشاف صهره، استغرق الأمر قرونًا عديدة قبل أن يحلّ الحديد محلّ البرونز كمعدنٍ مفضلٍ لصناعة الأدوات والأسلحة.

حديد نيزكي

عُثر على خرز مصنوع من الحديد النيزكي في جرزة بمصر عام 3500 قبل الميلاد أو قبل ذلك، وذلك على يد جي إيه وينرايت . ^{[ 88 ]} يحتوي الخرز على 7.5% من النيكل، وهو ما يُعدّ مؤشراً على الأصل النيزكي، حيث أن الحديد الموجود في قشرة الأرض يحتوي عموماً على شوائب ضئيلة جداً من النيكل.

كان الحديد النيزكي يحظى بتقدير كبير نظرًا لأصله السماوي، وكثيرًا ما استُخدم في صناعة الأسلحة والأدوات. ^{[ 88 ]} فعلى سبيل المثال، عُثر على خنجر مصنوع من الحديد النيزكي في مقبرة توت عنخ آمون ، يحتوي على نسب مماثلة من الحديد والكوبالت والنيكل لتلك الموجودة في نيزك اكتُشف في المنطقة، والذي ترسب نتيجة وابل نيزكي قديم. ^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]} وتعود القطع التي يُرجح أن المصريين صنعوها من الحديد إلى الفترة ما بين 3000 و2500 قبل الميلاد. ^{[ 87 ]}

يتميز الحديد النيزكي بنعومته وليونته وسهولة تشكيله على البارد ، ولكنه قد يصبح هشاً عند تسخينه بسبب محتواه من النيكل . ^{[ 92 ]}

الحديد المطاوع

بدأ إنتاج الحديد لأول مرة في العصر البرونزي الوسيط ، لكن استغرق الأمر عدة قرون قبل أن يحل الحديد محل البرونز. وقد عُثر على عينات من الحديد المصهور في أسمر ، بلاد ما بين النهرين، وسوق تل جغر في شمال سوريا ، ويعود تاريخها إلى ما بين 3000 و2700 قبل الميلاد. ^{[ 93 ]} أسس الحيثيون إمبراطورية في شمال وسط الأناضول حوالي عام 1600 قبل الميلاد. ويبدو أنهم كانوا أول من فهم إنتاج الحديد من خاماته، وقدّروا قيمته في مجتمعهم. ^{[ 94 ]} بدأ الحيثيون بصهر الحديد بين عامي 1500 و1200 قبل الميلاد، وانتشرت هذه الممارسة إلى بقية أنحاء الشرق الأدنى بعد سقوط إمبراطوريتهم عام 1180 قبل الميلاد. ^{[ 93 ]} وتُسمى الفترة اللاحقة بالعصر الحديدي .

عُثر على مصنوعات من الحديد المصهور في الهند يعود تاريخها إلى ما بين 1800 و1200 قبل الميلاد، ^{[ 95 ]} وفي بلاد الشام منذ حوالي 1500 قبل الميلاد (مما يشير إلى صهر الحديد في الأناضول أو القوقاز ). ^{[ 96 ] [ 97 ]} وقد استُخدمت إشارات مزعومة (قارن تاريخ علم المعادن في جنوب آسيا ) إلى الحديد في الفيدا الهندية للادعاء باستخدام الحديد في وقت مبكر جدًا في الهند، وذلك لتحديد تاريخ هذه النصوص. يشير مصطلح "أياس " (المعدن) في الريجفيدا إلى النحاس، بينما ذُكر الحديد، الذي يُسمى " شياما أياس " (النحاس الأسود)، لأول مرة في أثارفافيدا، وهو نصٌّ لاحق للريجفيدا . ^{[ 98 ]}

تشير بعض الأدلة الأثرية إلى أن الحديد كان يُصهر في زيمبابوي وجنوب شرق أفريقيا منذ القرن الثامن قبل الميلاد. ^{[ 99 ]} وقد أُدخلت صناعة الحديد إلى اليونان في أواخر القرن الحادي عشر قبل الميلاد، ومنها انتشرت بسرعة في جميع أنحاء أوروبا. ^{[ 100 ]}

يرتبط انتشار صناعة الحديد في وسط وغرب أوروبا بالتوسع السلتي . ووفقًا لبلينيوس الأكبر ، كان استخدام الحديد شائعًا في العصر الروماني . ^{[ 88 ]} وفي أراضي ما يُعرف اليوم بالصين ، ظهر الحديد في الفترة ما بين 700 و500 قبل الميلاد تقريبًا. ^{[ 101 ]} ويُحتمل أن تكون صناعة الحديد قد دخلت الصين عبر آسيا الوسطى. ^{[ 102 ]} ويعود أقدم دليل على استخدام الفرن العالي في الصين إلى القرن الأول الميلادي، ^{[ 103 ]} بينما استُخدمت أفران القبة منذ فترة الممالك المتحاربة (403-221 قبل الميلاد). ^{[ 104 ]} وظل استخدام الفرن العالي وأفران القبة واسع الانتشار خلال عهد أسرتي تانغ وسونغ . ^{[ 105 ]}

خلال الثورة الصناعية في بريطانيا، بدأ هنري كورت بتكرير الحديد من الحديد الزهر إلى الحديد المطاوع (أو الحديد المصبوب) باستخدام أنظمة إنتاج مبتكرة. وفي عام 1783، حصل على براءة اختراع لعملية التكرير بالتلبيد لخام الحديد. وقد تم تطويرها لاحقًا من قبل آخرين، بمن فيهم جوزيف هول . ^{[ 106 ]}

حديد الزهر

أُنتج الحديد الزهر لأول مرة في الصين خلال القرن الخامس قبل الميلاد، ^{[ 107 ]} لكنه لم ينتشر في أوروبا إلا في العصور الوسطى. ^{[ 108 ] [ 109 ]} اكتشف علماء الآثار أقدم القطع الأثرية المصنوعة من الحديد الزهر في ما يُعرف اليوم بمقاطعة لوهي ، جيانغسو في الصين. استُخدم الحديد الزهر في الصين القديمة في الحروب والزراعة والعمارة. ^{[ 110 ]} خلال العصور الوسطى ، وُجدت في أوروبا وسائل لإنتاج الحديد المطاوع من الحديد الزهر (المعروف في هذا السياق باسم الحديد الخام ) باستخدام أفران الصهر . كانت جميع هذه العمليات تتطلب الفحم كوقود. ^{[ 111 ]}

كانت أفران الصهر في العصور الوسطى بارتفاع حوالي 3 أمتار (10 أقدام) ومصنوعة من الطوب المقاوم للحريق؛ وكان يتم توفير الهواء القسري عادةً بواسطة منفاخ يدوي. ^{[ 109 ]} أما أفران الصهر الحديثة فقد أصبحت أكبر بكثير، حيث يصل قطر مواقدها إلى 14 مترًا، مما يسمح لها بإنتاج آلاف الأطنان من الحديد يوميًا، ولكنها تعمل في الأساس بنفس الطريقة التي كانت تعمل بها خلال العصور الوسطى. ^{[ 111 ]} 

في عام ١٧٠٩، أنشأ أبراهام داربي الأول فرن صهر يعمل بفحم الكوك لإنتاج الحديد الزهر، ليحل محل الفحم النباتي، مع استمراره في استخدام أفران الصهر. وكان توفر الحديد الرخيص نتيجة لذلك أحد العوامل التي أدت إلى الثورة الصناعية . ومع نهاية القرن الثامن عشر، بدأ الحديد الزهر يحل محل الحديد المطاوع في بعض الأغراض، لانخفاض تكلفته. ولم يُعزى اختلاف خصائص الحديد المطاوع والحديد الزهر والفولاذ إلى محتوى الكربون في الحديد إلا في القرن الثامن عشر. ^{[ ٩٣ ]}

مع انخفاض أسعار الحديد وتزايد وفرته، أصبح مادة بناء رئيسية بعد بناء أول جسر حديدي مبتكر عام 1778. ولا يزال هذا الجسر قائماً حتى اليوم شاهداً على دور الحديد في الثورة الصناعية. بعد ذلك، استُخدم الحديد في السكك الحديدية، والقوارب، والسفن، والقنوات المائية، والمباني، بالإضافة إلى أسطوانات الحديد في محركات البخار . ^{[ 111 ]} لعبت السكك الحديدية دوراً محورياً في تشكيل الحداثة ومفاهيم التقدم ^{[ 112 ]} ، وتشير لغات عديدة إلى السكك الحديدية باسم "الطريق الحديدي" (مثل الفرنسية " chemin de fer "، والألمانية " Eisenbahn "، والتركية " demiryolu "، والروسية " железная дорога" ، والصينية واليابانية والكورية "鐵道"، والفيتنامية " đường sắt ").

في عام 1774، استخدم أنطوان لافوازييه تفاعل بخار الماء مع الحديد المعدني داخل أنبوب حديدي متوهج لإنتاج الهيدروجين في تجاربه التي أدت إلى إثبات قانون حفظ الكتلة ، والذي كان له دور أساسي في تحويل الكيمياء من علم نوعي إلى علم كمي. ^{[ 115 ]}

لأغراض محدودة عند الحاجة، يُنتج الحديد النقي في المختبر بكميات صغيرة عن طريق اختزال أكسيد أو هيدروكسيد الحديد النقي بالهيدروجين، أو بتكوين خماسي كربونيل الحديد وتسخينه إلى 250  درجة مئوية ليتحلل إلى مسحوق حديد نقي. ^{[ 48 ]} وهناك طريقة أخرى تتمثل في التحليل الكهربائي لكلوريد الحديدوز على مهبط حديدي. ^{[ 118 ]}

إنتاج الحديد 2009 (مليون طن ) ^{[ 119 ]}

دولة	خام الحديد	مكاشط	حديد مباشر	فُولاَذ
الصين	1114.9	549.4		573.6
أستراليا	393.9	4.4		5.2
البرازيل	305.0	25.1	0.011	26.5
اليابان		66.9		87.5
الهند	257.4	38.2	23.4	63.5
روسيا	92.1	43.9	4.7	60.0
أوكرانيا	65.8	25.7		29.9
كوريا الجنوبية	0.1	27.3		48.6
ألمانيا	0.4	20.1	0.38	32.7
عالم	1594.9	914.0	64.5	1232.4

تتألف عملية الإنتاج الصناعي للحديد أو الصلب من مرحلتين رئيسيتين. في المرحلة الأولى، يُختزل خام الحديد مع فحم الكوك في فرن الصهر ، ويُفصل المعدن المنصهر عن الشوائب الكبيرة مثل معادن السيليكات . تُنتج هذه المرحلة سبيكة - الحديد الزهر - تحتوي على كميات كبيرة نسبيًا من الكربون. في المرحلة الثانية، تُخفض كمية الكربون في الحديد الزهر عن طريق الأكسدة لإنتاج الحديد المطاوع أو الصلب أو الحديد الزهر. ^{[ 120 ]} يمكن إضافة معادن أخرى في هذه المرحلة لتكوين سبائك الصلب .

نظراً للمخاوف البيئية ، تم تطوير طرق بديلة لمعالجة الحديد. تُختزل خامات الحديد إلى كتلة حديدية تُسمى الحديد الإسفنجي أو الحديد المباشر، وهي مناسبة لصناعة الصلب. ^{[ 109 ]} يتكون تفاعل الاختزال المباشر من تفاعلين رئيسيين:

يتم أكسدة الغاز الطبيعي جزئياً (بالحرارة والمحفز): ^{[ 109 ]}

2 CH ₄ + O ₂ → 2 CO + 4 H ₂

ثم يتم معالجة خام الحديد بهذه الغازات في فرن، مما ينتج عنه حديد إسفنجي صلب: ^{[ 109 ]}

Fe ₂ O ₃ + CO + 2 H ₂ → 2 Fe + CO ₂ + 2 H ₂ O

تتم إزالة السيليكا بإضافة مادة صهر من الحجر الجيري كما هو موضح أعلاه. ^{[ 109 ]}

يؤدي احتراق خليط من مسحوق الألومنيوم وأكسيد الحديد إلى إنتاج الحديد المعدني عبر تفاعل الثرميت :

الحديد ₂ يا ₃ + 2 آل → 2 الحديد + آل ₂ يا ₃

بدلاً من ذلك، يمكن تحويل الحديد الزهر إلى فولاذ (يحتوي على نسبة كربون تصل إلى 2% تقريبًا) أو حديد مطاوع (حديد نقي تجاريًا). وقد استُخدمت عمليات متنوعة لهذا الغرض، بما في ذلك أفران الصهر الدقيقة ، وأفران التكرير ، ومحولات بسمر ، وأفران الموقد المفتوح ، وأفران الأكسجين القاعدية ، وأفران القوس الكهربائي . في جميع الحالات، يكمن الهدف في أكسدة بعض أو كل الكربون، بالإضافة إلى الشوائب الأخرى. من ناحية أخرى، يمكن إضافة معادن أخرى لصنع سبائك الفولاذ. ^{[ 111 ]}

تستخدم عملية التحليل الكهربائي لأكسيد الحديد المنصهر (MOE) التحليل الكهربائي لأكسيد الحديد المنصهر لإنتاج الحديد المعدني. وقد دُرست هذه العملية في تجارب مخبرية، واقتُرح استخدامها كطريقة لإنتاج الحديد صناعيًا دون انبعاثات مباشرة لثاني أكسيد الكربون. وتعتمد هذه العملية على مهبط من الحديد السائل، ومصعد مصنوع من سبيكة من الكروم والألومنيوم والحديد، ^{[ 124 ]} ، والإلكتروليت عبارة عن خليط من أكاسيد المعادن المنصهرة مذاب فيها خام الحديد. ويحافظ التيار الكهربائي على انصهار الإلكتروليت ويختزل أكسيد الحديد. وينتج غاز الأكسجين بالإضافة إلى الحديد السائل. وتأتي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الوحيدة من الكهرباء المولدة من الوقود الأحفوري المستخدمة في تسخين المعدن واختزاله. ^{[ 125 ] [ 126 ] [ 127 ]}

يُعدّ الحديد أكثر المعادن استخدامًا، إذ يُشكّل أكثر من 90% من الإنتاج المعدني العالمي. ^{[ 130 ]} وبفضل انخفاض تكلفته وقوته العالية، يُفضّل استخدامه في تحمّل الإجهاد ونقل القوى، كما في صناعة الآلات وأدواتها ، والسكك الحديدية ، والسيارات ، وهياكل السفن ، وقضبان تسليح الخرسانة ، والهياكل الحاملة للمباني. ونظرًا لنعومة الحديد النقي، يُخلط عادةً بعناصر أخرى لصنع الفولاذ. ^{[ 131 ]}

أنواع الفولاذ والسبائك

يُعدّ حديد ألفا معدنًا لينًا نسبيًا، ولا يذيب إلا تركيزًا ضئيلًا من الكربون (لا يتجاوز 0.021% من الكتلة عند 910  درجة مئوية). ^{[ 135 ]} أما الأوستنيت (حديد غاما) فهو معدن لين مماثل، ولكنه يذيب كمية أكبر بكثير من الكربون (تصل إلى 2.04% من الكتلة عند 1146  درجة مئوية). يُستخدم هذا النوع من الحديد في صناعة الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم في صناعة أدوات المائدة، ومعدات المستشفيات، ومعدات خدمات الطعام. ^{[ 21 ]}

يُصنَّف الحديد المتوفر تجاريًا بناءً على نقائه ووفرة الإضافات فيه. يحتوي الحديد الزهر على نسبة كربون تتراوح بين 3.5 و4.5% ^{[ 136 ]} ، ويحتوي على كميات متفاوتة من الشوائب مثل الكبريت والسيليكون والفوسفور . لا يُعدّ الحديد الزهر منتجًا جاهزًا للبيع، بل هو مرحلة وسيطة في إنتاج الحديد الزهر والصلب. يؤدي تقليل الشوائب الموجودة في الحديد الزهر والتي تؤثر سلبًا على خواص المادة، مثل الكبريت والفوسفور، إلى إنتاج حديد زهر يحتوي على نسبة كربون تتراوح بين 2 و4%، ونسبة سيليكون تتراوح بين 1 و6%، وكميات ضئيلة من المنغنيز . ^{[ 120 ]} تبلغ درجة انصهار الحديد الزهر ما بين 1420 و1470 كلفن، وهي أقل من درجة انصهار أيٍّ من مكونيه الرئيسيين، مما يجعله أول منتج ينصهر عند تسخين الكربون والحديد معًا. ^{[ 11 ]} تختلف خواصه الميكانيكية اختلافًا كبيرًا وتعتمد على شكل الكربون في السبيكة. ^{[ 17 ]}

يحتوي الحديد الزهر "الأبيض" على الكربون في صورة السمنتيت ، أو كربيد الحديد (Fe3C ₎ . ^{[ 17 ]} يهيمن هذا المركب الصلب الهش على الخواص الميكانيكية للحديد الزهر الأبيض، مما يجعله صلبًا، ولكنه غير مقاوم للصدمات. سطح الحديد الزهر الأبيض المكسور مليء بأوجه دقيقة من كربيد الحديد المكسور، وهي مادة فضية لامعة باهتة اللون، ومن هنا جاءت التسمية. يؤدي تبريد خليط من الحديد يحتوي على 0.8% كربون ببطء إلى ما دون 723  درجة مئوية حتى درجة حرارة الغرفة إلى تكوين طبقات منفصلة ومتناوبة من السمنتيت وحديد ألفا، وهو حديد لين وقابل للطرق ويُسمى بيرلايت بسبب مظهره. من ناحية أخرى، لا يسمح التبريد السريع بحدوث هذا الانفصال، مما يؤدي إلى تكوين مارتنسيت صلب وهش . يمكن بعد ذلك تليين الفولاذ عن طريق إعادة تسخينه إلى درجة حرارة متوسطة، مما يغير نسب البيرلايت والمارتنسيت. المنتج النهائي الذي تقل نسبة الكربون فيه عن 0.8% هو خليط من البيرلايت وألفا حديد، أما المنتج الذي تزيد نسبة الكربون فيه عن 0.8% فهو خليط من البيرلايت والسمنتيت. ^{[ 17 ]}

يوجد الكربون في الحديد الرمادي على شكل رقائق جرافيت دقيقة منفصلة ، ​​مما يجعل المادة هشة بسبب حواف رقائق الجرافيت الحادة التي تُسبب تركيز الإجهاد داخل المادة. ^{[ 137 ]} أما النوع الأحدث من الحديد الرمادي، والذي يُشار إليه بالحديد المطاوع ، فيُعالج بكميات ضئيلة من المغنيسيوم لتغيير شكل الجرافيت إلى كروي أو عقيدات، مما يُقلل من تركيز الإجهاد ويزيد بشكل كبير من صلابة المادة وقوتها. ^{[ 137 ]}

يحتوي الحديد المطاوع على أقل من 0.25% من الكربون، ولكنه يحتوي على كميات كبيرة من الخبث الذي يمنحه خصائص ليفية. ^{[ 136 ]} يتميز الحديد المطاوع بمقاومته العالية للتآكل مقارنةً بالفولاذ. وقد حلّ الفولاذ الطري محله بشكل شبه كامل ، مع أنه يتآكل بسهولة أكبر من الحديد المطاوع، ولكنه أرخص وأكثر توفرًا. يحتوي الفولاذ الكربوني على 2.0% من الكربون أو أقل، ^{[ 138 ]} مع كميات ضئيلة من المنغنيز والكبريت والفوسفور والسيليكون . أما سبائك الفولاذ فتحتوي على كميات متفاوتة من الكربون بالإضافة إلى معادن أخرى، مثل الكروم والفاناديوم والموليبدينوم والنيكل والتنغستن ، وغيرها . ويرفع محتوى السبائك من تكلفتها، ولذلك تُستخدم عادةً في تطبيقات متخصصة فقط. ومن سبائك الفولاذ الشائعة الفولاذ المقاوم للصدأ . أدت التطورات الحديثة في علم المعادن الحديدية إلى إنتاج مجموعة متنامية من الفولاذ المُعالج بالسبائك الدقيقة، والذي يُطلق عليه أيضًا اسم " HSLA " أو الفولاذ عالي القوة منخفض السبائك، والذي يحتوي على إضافات ضئيلة لإنتاج قوة عالية ومتانة فائقة في كثير من الأحيان بأقل تكلفة. ^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}

تتميز السبائك ذات التركيبات العنصرية عالية النقاء (مثل سبائك الحديد الإلكتروليتي ) بخصائص محسنة بشكل خاص مثل الليونة ، وقوة الشد ، والمتانة ، وقوة الإجهاد ، ومقاومة الحرارة، ومقاومة التآكل.

إلى جانب استخداماته التقليدية، يُستخدم الحديد أيضاً للحماية من الإشعاع المؤين. ورغم أنه أخف وزناً من مادة الحماية التقليدية الأخرى، الرصاص ، إلا أنه أقوى منه ميكانيكياً بكثير. ^{[ 141 ]}

تتمثل العيوب الرئيسية للحديد والصلب في أن الحديد النقي، ومعظم سبائكه، يتأثر بشدة بالصدأ إذا لم تتم حمايته بطريقة ما، بتكلفة تصل إلى أكثر من 1% من الاقتصاد العالمي. ^{[ 142 ]} تُستخدم الطلاء ، والجلفنة ، والتخميل ، والطلاء البلاستيكي، والتزريق لحماية الحديد من الصدأ عن طريق منع وصول الماء والأكسجين إليه أو عن طريق الحماية الكاثودية . آلية صدأ الحديد هي كما يلي: ^{[ 142 ]}

الكاثود: 3 O ₂ + 6 H ₂ O + 12 e ⁻ → 12 OH ⁻

المصعد: 4 Fe → 4 ^Fe²⁺ + 8 e⁻ ^; 4 Fe²⁺ ^→ 4 ^Fe³⁺ + 4 ^e⁻

التفاعل الكلي: 4 Fe + 3 O₂ ₊ 6 H₂O _→ 4 ^Fe³⁺ + 12 OH⁻ ^→ 4 Fe(OH) _₃ أو 4 FeO(OH) + 4 _H₂O

عادةً ما يكون الإلكتروليت كبريتات الحديد (II) في المناطق الحضرية (تتشكل عندما يهاجم ثاني أكسيد الكبريت الجوي الحديد)، وجزيئات الملح في الغلاف الجوي في المناطق الساحلية. ^{[ 142 ]}

نظرًا لانخفاض تكلفة الحديد وعدم سميته، بُذلت جهودٌ كبيرة لتطوير المحفزات والكواشف القائمة على الحديد . مع ذلك، يُعدّ الحديد أقل شيوعًا كمحفز في العمليات التجارية مقارنةً بالمعادن الأغلى ثمنًا. ^{[ 143 ]} أما في علم الأحياء، فتنتشر الإنزيمات المحتوية على الحديد على نطاق واسع. ^{[ 144 ]}

تُستخدم محفزات الحديد تقليديًا في عملية هابر-بوش لإنتاج الأمونيا، وفي عملية فيشر-تروبش لتحويل أول أكسيد الكربون إلى هيدروكربونات تُستخدم في صناعة الوقود ومواد التشحيم. ^{[ 145 ]} كما يُستخدم مسحوق الحديد في وسط حمضي في اختزال بيشامب ، وهو عملية تحويل النيتروبنزين إلى أنيلين . ^{[ 146 ]}

يمكن إشعال أكسيد الحديد الثلاثي الممزوج بمسحوق الألومنيوم لإحداث تفاعل الثرميت ، الذي يُستخدم في لحام الأجزاء الحديدية الكبيرة (مثل قضبان السكك الحديدية ) وتنقية الخامات. كما يُستخدم أكسيد الحديد الثلاثي وهيدروكسيده كأصباغ حمراء وأخرى صفراء .

يُستخدم كلوريد الحديد الثلاثي في ​​تنقية المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي ، وفي صباغة الأقمشة، وكعامل تلوين في الدهانات، وكمضاف في علف الحيوانات، وكعامل حفر للنحاس في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة . ^{[ 147 ]} كما يمكن إذابته في الكحول لتكوين صبغة الحديد، والتي تُستخدم كدواء لوقف نزيف طيور الكناري . ^{[ 148 ]}

يُستخدم كبريتات الحديد الثنائي كمادة أولية لمركبات الحديد الأخرى. كما يُستخدم لاختزال الكرومات في الأسمنت. ويُستخدم أيضًا لتدعيم الأغذية وعلاج فقر الدم الناتج عن نقص الحديد . أما كبريتات الحديد الثلاثي فتُستخدم في ترسيب جزيئات مياه الصرف الصحي الدقيقة في مياه الخزانات. ويُستخدم كلوريد الحديد الثنائي كعامل اختزال مُرَسِّب، وفي تكوين معقدات الحديد وأكاسيد الحديد المغناطيسية، وكعامل اختزال في التخليق العضوي. ^{[ 147 ]}

نيتروبروسيد الصوديوم هو دواء يستخدم كموسع للأوعية الدموية . وهو مدرج في قائمة منظمة الصحة العالمية للأدوية الأساسية . ^{[ 149 ]}

يُشكّل امتصاص الحديد مشكلةً للكائنات الهوائية لأن الحديديك قليل الذوبان عند درجة حموضة قريبة من المتعادلة. لذا، طوّرت هذه الكائنات وسائل لامتصاص الحديد على شكل مركبات، فتمتص أحيانًا الحديدوز قبل أكسدته مرة أخرى إلى حديديك. ^{[ 10 ]} وعلى وجه الخصوص، طوّرت البكتيريا عوامل عزل ذات ألفة عالية جدًا تُسمى السديروفورات . ^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]}

بعد امتصاص الحديد في خلايا الجسم ، تُنظَّم عملية تخزينه بدقة. ^{[ 10 ] [ 159 ]} يُعدّ بروتين الترانسفيرين أحد المكونات الرئيسية لهذه العملية ، حيث يرتبط بأيونات الحديد الممتصة من الاثني عشر وينقلها عبر الدم إلى الخلايا. ^{[ 10 ] [ 160 ]} يحتوي الترانسفيرين على أيون الحديد ^{الثلاثي (} Fe³⁺) في منتصف ثماني السطوح المشوه، مرتبطًا بذرة نيتروجين واحدة، وثلاث ذرات أكسجين، وأيون كربونات مخلبي يحبس أيون الحديد ^{الثلاثي} . يتميز الترانسفيرين بثابت استقرار عالٍ جدًا ، مما يجعله فعالًا للغاية في امتصاص أيونات الحديد ^{الثلاثي} حتى من أكثر المركبات استقرارًا. في نخاع العظم، يُختزل الترانسفيرين من الحديد ^{الثلاثي} إلى الحديد ^{الثنائي} (Fe²⁺) ويُخزَّن على شكل فيريتين ليُدمج في الهيموجلوبين. ^{[ 152 ]}

تُعدّ بروتينات الهيم من أكثر مركبات الحديد اللاعضوية الحيوية (جزيئات الحديد البيولوجية) شيوعًا ودراسةً ، ومن أمثلتها الهيموجلوبين والميوجلوبين والسيتوكروم P450 . ^{[ 10 ]} تُشارك هذه المركبات في نقل الغازات، وبناء الإنزيمات ، ونقل الإلكترونات . ^{[ 152 ]} أما البروتينات المعدنية فهي مجموعة من البروتينات التي تحتوي على عوامل مساعدة من أيونات المعادن . ومن أمثلة البروتينات المعدنية الحديدية الفيريتين والروبريدوكسين . ^{[ 152 ]} تحتوي العديد من الإنزيمات الحيوية على الحديد، مثل الكاتالاز ، ^{[ 161 ]} والليب أوكسيجيناز ، ^{[ 162 ]} و IRE-BP . ^{[ 163 ]}

الهيموجلوبين ناقل للأكسجين يوجد في خلايا الدم الحمراء ، وهو المسؤول عن لونها. ينقل الأكسجين في الشرايين من الرئتين إلى العضلات، حيث يُنقل إلى الميوغلوبين الذي يخزنه لحين الحاجة إليه في عملية أكسدة الجلوكوز ، مُولِّدًا الطاقة. ^{[ 10 ]} يرتبط الهيموجلوبين بثاني أكسيد الكربون الناتج عن أكسدة الجلوكوز، والذي يُنقل عبر الأوردة بواسطة الهيموجلوبين (غالبًا على شكل أنيونات البيكربونات ) عائدًا إلى الرئتين حيث يُزفر. ^{[ 152 ]} في الهيموجلوبين، يوجد الحديد في إحدى مجموعات الهيم الأربع ، وله ستة مواقع تنسيق محتملة؛ أربعة منها تشغلها ذرات النيتروجين في حلقة البورفيرين ، والخامس يشغله نيتروجين الإيميدازول في بقايا الهيستيدين لإحدى سلاسل البروتين المتصلة بمجموعة الهيم، أما السادس فهو مخصص لجزيء الأكسجين الذي يمكن للهيموجلوبين الارتباط به بشكل عكسي. ^{[ 152 ]} عندما لا يكون الهيموجلوبين مرتبطًا بالأكسجين (ويُسمى حينها ديوكسي هيموجلوبين)، يكون أيون الحديد ^{الثنائي} (Fe²⁺ ) الموجود في مركز مجموعة الهيم (داخل الجزء الداخلي الكاره للماء من البروتين) في حالة دوران مغزلي عالٍ . ولذلك، يكون حجمه كبيرًا جدًا بحيث لا يتسع داخل حلقة البورفيرين، التي تنحني بدلًا من ذلك على شكل قبة، ويكون أيون الحديد ^{الثنائي} (Fe²⁺) على بُعد حوالي 55 بيكومترًا فوقها. في هذه الحالة، يكون موقع التنسيق السادس المخصص للأكسجين محجوبًا ببقايا هيستيدين أخرى. ^{[ 152 ]}

عندما يرتبط الهيموغلوبين منزوع الأكسجين بجزيء أكسجين، يتحرك بقايا الهيستيدين بعيدًا ثم يعود بمجرد ارتباط الأكسجين به لتكوين رابطة هيدروجينية . ينتج عن ذلك تحول أيون الحديد ^{الثنائي (} Fe²⁺ ) إلى حالة دوران مغزلي منخفض، مما يؤدي إلى انخفاض نصف قطره الأيوني بنسبة 20%، ليصبح قادرًا على التواجد داخل حلقة البورفيرين المستوية. ^{[ 152 ]} بالإضافة إلى ذلك، تؤدي هذه الرابطة الهيدروجينية إلى ميلان جزيء الأكسجين، مما ينتج عنه زاوية رابطة Fe–O–O تبلغ حوالي 120 درجة، وهو ما يمنع تكوين جسور Fe–O–Fe أو Fe–O₂– _Fe التي قد تؤدي إلى انتقال الإلكترونات، وأكسدة Fe²⁺ ^إلى Fe³⁺ ^، وتدمير الهيموغلوبين. ينتج عن ذلك حركة جميع سلاسل البروتين، مما يؤدي إلى تغيير شكل الوحدات الفرعية الأخرى للهيموغلوبين إلى شكل ذي ألفة أكبر للأكسجين. وبالتالي، عندما يمتص الهيموغلوبين منزوع الأكسجين الأكسجين، تزداد ألفته له، والعكس صحيح. ^{[ 152 ]} أما الميوغلوبين، من ناحية أخرى، فيحتوي على مجموعة هيم واحدة فقط، ولذا لا يمكن أن يحدث هذا التأثير التعاوني. وهكذا، بينما يكون الهيموغلوبين مشبعًا تقريبًا بالأكسجين في الضغوط الجزئية العالية للأكسجين الموجودة في الرئتين، فإن ألفته للأكسجين أقل بكثير من ألفة الميوغلوبين، الذي يتأكسد حتى في الضغوط الجزئية المنخفضة للأكسجين الموجودة في أنسجة العضلات. ^{[ 152 ]} وكما هو موضح في تأثير بور (نسبةً إلى كريستيان بور ، والد نيلز بور )، تتضاءل ألفة الهيموغلوبين للأكسجين في وجود ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 152 ]}

يُعدّ أول أكسيد الكربون وثلاثي فلوريد الفوسفور سامّين للإنسان لأنهما يرتبطان بالهيموجلوبين بشكلٍ مشابهٍ للأكسجين، ولكن بقوةٍ أكبر بكثير، مما يمنع نقل الأكسجين في جميع أنحاء الجسم. يُعرف الهيموجلوبين المرتبط بأول أكسيد الكربون باسم كاربوكسي هيموجلوبين . يلعب هذا التأثير دورًا ثانويًا في سمية السيانيد ، ولكن التأثير الرئيسي هناك هو تداخله مع الأداء السليم لبروتين نقل الإلكترون، السيتوكروم أ . ^{[ 152 ]} تحتوي بروتينات السيتوكروم أيضًا على مجموعات الهيم وتشارك في أكسدة الجلوكوز بواسطة الأكسجين. يشغل موقع التنسيق السادس إما نيتروجين إيميدازول آخر أو كبريت ميثيونين ، مما يجعل هذه البروتينات خاملة إلى حد كبير تجاه الأكسجين - باستثناء السيتوكروم أ، الذي يرتبط مباشرةً بالأكسجين وبالتالي يتسمم بسهولة بالغة بالسيانيد. ^{[ 152 ]} هنا، يحدث نقل الإلكترون بينما يبقى الحديد في حالة دوران منخفض ولكنه يتغير بين حالتي الأكسدة +2 و+3. بما أن جهد الاختزال لكل خطوة أكبر قليلاً من سابقتها، فإن الطاقة تُطلق تدريجياً ويمكن بالتالي تخزينها في الأدينوسين ثلاثي الفوسفات . يختلف السيتوكروم أ قليلاً، إذ يوجد في غشاء الميتوكوندريا، ويرتبط مباشرة بالأكسجين، وينقل البروتونات والإلكترونات، كما يلي: ^{[ 152 ]}

4 سيتوكروم ²⁺ + O2 ₊ 8H ⁺ _{داخل الخلية} → 4 سيتوكروم ³⁺ + 2 H2O ₊ 4H ⁺ _{خارج الخلية}

على الرغم من أن بروتينات الهيم هي أهم فئة من البروتينات المحتوية على الحديد، فإن بروتينات الحديد والكبريت لا تقل أهمية، إذ تشارك في نقل الإلكترونات، وهو أمر ممكن لأن الحديد يمكن أن يوجد بثبات في حالتي الأكسدة +2 أو +3. تحتوي هذه البروتينات على ذرة حديد واحدة أو اثنتين أو أربع أو ثماني ذرات حديد، ترتبط كل منها بأربع ذرات كبريت بروابط رباعية السطوح تقريبًا؛ وبسبب هذا التنسيق الرباعي السطوح، يكون الحديد فيها دائمًا في حالة دوران مغزلي عالٍ. أبسط هذه المركبات هو الروبيريدوكسين ، الذي يحتوي على ذرة حديد واحدة فقط مرتبطة بأربع ذرات كبريت من بقايا السيستين في سلاسل الببتيد المحيطة. فئة أخرى مهمة من بروتينات الحديد والكبريت هي الفيريدوكسينات ، التي تحتوي على ذرات حديد متعددة. لا ينتمي الترانسفيرين إلى أي من هاتين الفئتين. ^{[ 152 ]}

تُسهّل الروابط العضوية المعدنية القائمة على الحديد في طبقة الكيوتيكل الغنية بالبروتين قدرة بلح البحر على التشبث بالصخور في المحيط . وبناءً على نماذج اصطناعية، أدى وجود الحديد في هذه التراكيب إلى زيادة معامل المرونة 770 ضعفًا، وقوة الشد 58 ضعفًا، والمتانة 92 ضعفًا. كما زاد مقدار الإجهاد اللازم لإتلافها بشكل دائم 76 ضعفًا. ^{[ 165 ]}

يُعدّ نقص الحديد أكثر أنواع نقص التغذية شيوعًا في العالم. ^{[ 10 ] [ 177 ] [ 178 ] [ 179 ]} عندما لا يُعوَّض نقص الحديد بشكل كافٍ بتناول كميات كافية منه في النظام الغذائي، تحدث حالة نقص الحديد الكامن ، والتي تتطور مع مرور الوقت إلى فقر الدم الناتج عن نقص الحديد إذا تُركت دون علاج، والذي يتميز بانخفاض عدد خلايا الدم الحمراء ومستوى الهيموجلوبين. ^{[ 180 ]} يُعدّ الأطفال والنساء في سن الإنجاب (قبل انقطاع الطمث) والأشخاص الذين يعانون من سوء التغذية أكثر عرضةً للإصابة بهذا المرض. تكون معظم حالات فقر الدم الناتج عن نقص الحديد خفيفة، ولكن إذا لم تُعالج، فقد تُسبب مشاكل مثل سرعة أو عدم انتظام ضربات القلب، ومضاعفات أثناء الحمل، وتأخر النمو لدى الرضع والأطفال. ^{[ 181 ]}

يُقاوم الدماغ نقص الحديد الحاد نظرًا لبطء نقل الحديد عبر الحاجز الدموي الدماغي. ^{[ 182 ]} لا تعكس التقلبات الحادة في مستوى الحديد (التي يُشير إليها مستوى الفيريتين في الدم) حالة الحديد في الدماغ، ولكن يُشتبه في أن نقص الحديد الغذائي المطوّل يُقلل من تركيز الحديد في الدماغ مع مرور الوقت. ^{[ 183 ] ​​[ 184 ]} في الدماغ، يلعب الحديد دورًا في نقل الأكسجين، وتكوين الميالين، والتنفس الميتوكوندري، وكعامل مساعد لتخليق النواقل العصبية واستقلابها. ^{[ 185 ]} تُشير النماذج الحيوانية لنقص الحديد الغذائي إلى تغيرات جزيئية حيوية تُشبه تلك التي تُرى في مرض باركنسون ومرض هنتنغتون. ^{[ 186 ] [ 187 ]} ومع ذلك، فقد رُبط تراكم الحديد في الدماغ المرتبط بالعمر أيضًا بتطور مرض باركنسون. ^{[ 188 ]}

يخضع امتصاص الحديد لتنظيم دقيق في جسم الإنسان، الذي لا يملك آلية فسيولوجية منظمة للتخلص منه. ولا تُفقد سوى كميات ضئيلة من الحديد يوميًا نتيجة تقشر خلايا الأغشية المخاطية والخلايا الظهارية الجلدية، لذا فإن التحكم في مستويات الحديد يتم بشكل أساسي عن طريق تنظيم امتصاصه. ^{[ 189 ]} ويتعطل تنظيم امتصاص الحديد لدى بعض الأشخاص نتيجة خلل جيني يقع في منطقة جين HLA-H على الكروموسوم 6 ، مما يؤدي إلى انخفاض غير طبيعي في مستويات الهيبسيدين ، وهو منظم رئيسي لدخول الحديد إلى الدورة الدموية لدى الثدييات. ^{[ 190 ]} وفي هؤلاء الأشخاص، قد يؤدي الإفراط في تناول الحديد إلى اضطرابات فرط الحديد ، والمعروفة طبيًا باسم داء ترسب الأصبغة الدموية . ^{[ 10 ]} ويعاني الكثير من الأشخاص من استعداد وراثي غير مشخص لفرط الحديد، ولا يدركون وجود تاريخ عائلي لهذه المشكلة. لهذا السبب، لا ينبغي تناول مكملات الحديد إلا في حالة الإصابة بنقص الحديد واستشارة الطبيب. تشير التقديرات إلى أن داء ترسب الأصبغة الدموية هو سبب 0.3-0.8% من جميع الأمراض الأيضية لدى القوقازيين. ^{[ 191 ]}

قد تؤدي الجرعات الزائدة من الحديد المتناول إلى ارتفاع مستويات الحديد الحر في الدم. تتفاعل المستويات المرتفعة من الحديدوز الحر في الدم مع البيروكسيدات لإنتاج جذور حرة شديدة التفاعل ، قادرة على إتلاف الحمض النووي والبروتينات والدهون ومكونات خلوية أخرى. تحدث سمية الحديد عندما تحتوي الخلية على حديد حر، وهو ما يحدث عادةً عندما تتجاوز مستويات الحديد قدرة الترانسفيرين على الارتباط به. كما أن تلف خلايا الجهاز الهضمي قد يمنعها من تنظيم امتصاص الحديد، مما يؤدي إلى زيادة مستوياته في الدم. يُلحق الحديد عادةً الضرر بخلايا القلب والكبد وأجزاء أخرى من الجسم ، مُسببًا آثارًا ضارة تشمل الغيبوبة ، والحماض الاستقلابي ، والصدمة ، وفشل الكبد ، واضطرابات التخثر ، وتلف الأعضاء على المدى الطويل، وحتى الموت. ^{[ 192 ]} يُصاب الإنسان بسمية الحديد عندما تتجاوز نسبة الحديد في جسمه 20 ملليغرامًا لكل كيلوغرام من كتلة الجسم؛ وتُعتبر جرعة 60 ملليغرامًا لكل كيلوغرام جرعة قاتلة . ^{[ 193 ]} يُعدّ الإفراط في تناول الحديد، والذي غالبًا ما ينتج عن تناول الأطفال كميات كبيرة من أقراص كبريتات الحديدوز المخصصة للبالغين، أحد أكثر الأسباب السمية شيوعًا للوفاة لدى الأطفال دون سن السادسة. ^{[ 193 ]} تحدد المدخول الغذائي المرجعي (DRI) الحد الأقصى المسموح به لتناول الحديد للبالغين عند 45 ملغ/يوم. أما بالنسبة للأطفال دون سن الرابعة عشرة، فيبلغ الحد الأقصى المسموح به 40 ملغ/يوم. ^{[ 194 ]}  

تُعدّ المعالجة الطبية لتسمم الحديد معقدة، وقد تشمل استخدام عامل استخلاب محدد يُسمى ديفيروكسامين لربط الحديد الزائد وطرده من الجسم. ^{[ 192 ] [ 195 ] [ 196 ]}

يُعدّ الحديد عنصرًا حيويًا لوظائف الدماغ البشري. ويخضع الحديد لتنظيم دقيق في الدماغ، مما يحدّ من تأثير كلٍّ من نقص الحديد وزيادته. وإذا ما أُرهقت هذه الأنظمة بسبب نقص التغذية، لا سيما خلال فترة الحمل والرضاعة، فقد تترتب على ذلك عواقب صحية طويلة الأمد، إلا أنه يصعب إثبات وجود صلة مباشرة بين نقص التغذية ومشاكل صحية أخرى. وترتبط زيادة الحديد ببعض الأمراض التنكسية العصبية، ولكن السبب غير معروف. ^{[ 197 ]}

يمكن وصف دور الحديد في مكافحة السرطان بأنه "سلاح ذو حدين" نظرًا لوجوده الواسع في العمليات غير المرضية. ^{[ 198 ]} قد يُصاب الأشخاص الذين يخضعون للعلاج الكيميائي بنقص الحديد وفقر الدم ، ولذلك يُستخدم العلاج بالحديد عن طريق الوريد لاستعادة مستويات الحديد. ^{[ 199 ]} قد يؤدي فرط الحديد، الذي قد ينتج عن الإفراط في تناول اللحوم الحمراء، ^{[ 10 ]} إلى بدء نمو الأورام وزيادة قابلية الإصابة بالسرطان، ^{[ 199 ]} وخاصة سرطان القولون والمستقيم . ^{[ 10 ]}

يلعب الحديد دورًا أساسيًا في النظم البيئية البحرية، وقد يكون عنصرًا غذائيًا محددًا لنشاط العوالق. ^{[ 200 ]} ولهذا السبب، قد يؤدي انخفاض مستوى الحديد بشكل كبير إلى انخفاض معدلات نمو الكائنات الحية العوالق النباتية، مثل الدياتومات. ^{[ 201 ]} كما يمكن للميكروبات البحرية أكسدة الحديد في ظروف غنية بالحديد وفقيرة بالأكسجين. ^{[ 202 ]}

يمكن للحديد أن يدخل الأنظمة البحرية عبر الأنهار المجاورة ومباشرةً من الغلاف الجوي. وبمجرد دخوله المحيط، ينتشر في عمود الماء من خلال اختلاط مياه المحيط وإعادة تدويره على المستوى الخلوي. ^{[ 203 ]} في القطب الشمالي، يلعب الجليد البحري دورًا رئيسيًا في تخزين الحديد وتوزيعه في المحيط، حيث يستنزف مخزون الحديد المحيطي عند تجمده شتاءً، ثم يُطلقه مجددًا في الماء عند ذوبانه صيفًا. ^{[ 204 ]} قد تُغير دورة الحديد أشكال الحديد من الحالة المائية إلى الحالة الجزيئية، مما يؤثر على توافره للكائنات المنتجة الأولية. ^{[ 205 ]} كما أن زيادة الضوء والحرارة تزيد من كمية الحديد الموجودة بأشكال قابلة للاستخدام من قِبل هذه الكائنات. ^{[ 206 ]}