الأسبوع 4 · الباب الأول (٤): الحديد في الطبيعة وخاماته وتجهيز الخام والتحميص واختزال الخام في الفرن العالي وفرن الغاز وإنتاج الحديد الزهر والصلب وأنواع السبائك الثلاثة (وصف مفاهيمي للعمليات الصناعية) · 3 دروس
1
خامات الحديد وتجهيزها
Chemistry Sec 3 Term 1, Chapter 1: pp. 16–20
الهدفسمِّ خامات الحديد الأربعة بصيغها، وقارن محتواها من الحديد بالحساب، وصف تجهيز الخام والتحميص.
كلمات جديدة
الخام · صخر يمكن استخلاص فلز منه بربحتجهيز الخام · إعداد الخام قبل الاختزال: التكسير والتلبيد والتركيزالتحميص · تسخين الخام في الهواء فيجفّف الخام ويحوّل الكربونات والمركبات المائية إلى أكسيد ويحرق الكبريت والفوسفور
الشرح
الحديد رابع أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، بنحو 5 % من الكتلة بعد الأكسجين والسيليكون والألومنيوم. ويوجد الحديد الحر خاصة في النيازك، فيُستخلص الحديد في الغالب من الخامات. ويُختار الخام بنسبة الحديد فيه وبشوائبه وبما فيه من عناصر ضارة، أهمها الكبريت والفوسفور والزرنيخ. والخامات الأربعة هي الهيماتيت Fe₂O₃ والليمونيت 2Fe₂O₃·3H₂O والماجنتيت Fe₃O₄ والسيدريت FeCO₃. ويُجهَّز الخام بالتكسير الذي يقطّعه قطعًا صغيرة، والتلبيد الذي يجمع الخام الناعم في كتل أكبر، والتركيز الذي يزيل الصخور غير النافعة؛ ويمكن فصل خام مغناطيسي كالماجنتيت بالمغانط. ثم يأتي التحميص: تسخين الخام في الهواء يجفّفه ويحوّل الليمونيت والسيدريت إلى Fe₂O₃ ويحرق الكبريت والفوسفور على هيئة أكاسيد. والمعادلات هي 2Fe₂O₃·3H₂O → 2Fe₂O₃ + 3H₂O وFeCO₃ → FeO + CO₂ ثم 4FeO + O₂ → 2Fe₂O₃ وS + O₂ → SO₂ و4P + 5O₂ → 2P₂O₅. وهي تصف عمليات في المصانع وتُحَل على الورق فقط.
الخام
الصيغة
الحديد، % بالكتلة (محسوبة)
ملاحظة
الهيماتيت
Fe₂O₃
70.0
بني محمر
الليمونيت
2Fe₂O₃·3H₂O
59.9
بني مصفر، يحتوي ماءً
الماجنتيت
Fe₃O₄
72.4
أسود، مغناطيسي
السيدريت
FeCO₃
48.3
كربونات
أمثلة محلولة
ƒالقانون
% Fe = (كتلة Fe في الصيغة ÷ M) × 100
M الكتلة المولية للمركب
نسبة الحديد في مركب خام. للمركب Fe₂O₃ (Fe = 56, O = 16): M = 2 × 56 + 3 × 16 = 160 g/mol. الحديد في مول واحد 2 × 56 = 112 g، فالنسبة 112 ÷ 160 × 100 = 70.0 %.
كتلة الحديد في عينة. طنان من الهيماتيت النقي فيهما 2 × 0.700 = 1.4 طن حديد. ولو كان الخام 60 % فقط من Fe₂O₃ لكان الحديد 2 × 0.60 × 0.700 = 0.84 طن، ولهذا تُقارن الخامات بمحتواها الفعلي من الحديد.
ƒالمعادلة
FeCO₃(s) → FeO(s) + CO₂(g)
تحميص السيدريت على الورق: FeCO₃ → FeO + CO₂ (Fe = 56, C = 12, O = 16). M(FeCO₃) = 116 g/mol وM(FeO) = 72 g/mol وM(CO₂) = 44 g/mol. فـ 116 g تعطي 72 g من FeO و44 g من CO₂، و72 + 44 = 116 فالكتلة محفوظة.
نشاط الفصل
ثلاثة نماذج لتجهيز الخام بمساعدة شخص بالغ ودون تسخين. التركيز: اخلط مشابك ورق في وعاء عدس أو أرز والتقطها بمغناطيس داخل كيس بلاستيك؛ هذا يمثّل فصل خام مغناطيسي. التكسير: فتّت بسكويتة جافة إلى فتات. التلبيد: اضغط فتات السكر في كتلة بقطرات ماء قليلة؛ هذا يمثّل فقط ضم الجسيمات الدقيقة في كتلة وليس ما يجري في المصنع. اكتب أي خطوة يمثّلها كل نموذج.
