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
2
من الخام إلى الحديد والصلب
Chemistry Sec 3 Term 1, Chapter 1: pp. 16–20
الهدفاكتب معادلات الاختزال في الفرن العالي وفي فرن الاختزال بالغاز، واحسب الكتل على الورق، وميّز الحديد الزهر من الصلب.
كلمات جديدة
الاختزال · نزع الأكسجين من أكسيد ليبقى الفلز؛ ويتأكسد العامل المختزل (CO أو H₂)الكوك · شكل شبه نقي من الكربون يُصنع من الفحم، وهو الوقود ومصدر CO في الفرن العاليالحديد الزهر · الحديد الخارج من الفرن العالي مباشرة، عالي الكربون، صلب لكنه هش
الشرح
بعد التجهيز يُختزل الأكسيد. في الفرن العالي الوقود هو الكوك. يحترق الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون، ويلاقي ثاني أكسيد الكربون مزيدًا من الكربون الساخن فيصير أول أكسيد الكربون، وهو العامل المختزل الحقيقي: C + O₂ → CO₂؛ CO₂ + C → 2CO؛ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. وفي فرن الاختزال بالغاز تُصنع الغازات المختزلة من الغاز الطبيعي (معظمه ميثان): 2CH₄ + CO₂ + H₂O → 3CO + 5H₂، ثم 2Fe₂O₃ + 3CO + 3H₂ → 4Fe + 3CO₂ + 3H₂O. والطريقتان معادلات تُدرس على الورق؛ أما الأفران الحقيقية فتعمل عند درجات حرارة عالية جدًّا بإشراف مختصين. والناتج الأول، الحديد الزهر، يحوي كثيرًا من الكربون وبعض الشوائب، فهو صلب لكنه هش. أما الصلب فهو حديد فيه كمية صغيرة محكومة من الكربون، وغالبًا فلزات أخرى، بعد إزالة الشوائب؛ وهو قوي ويمكن تشكيله. وتُذكر أفران صنع الصلب (محوّل الأكسجين والفرن المفتوح والفرن الكهربائي) بأسمائها فقط هنا.
الطريقة
مصدر الغاز المختزل
معادلة الاختزال
الفرن العالي
الكوك، على هيئة CO
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
فرن الاختزال بالغاز
الغاز الطبيعي، على هيئة CO وH₂
2Fe₂O₃ + 3CO + 3H₂ → 4Fe + 3CO₂ + 3H₂O
أمثلة محلولة
ƒالمعادلة
Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g)
النسبة 1 : 3 : 2 : 3
الكتل في الفرن العالي (Fe = 56, C = 12, O = 16). خذ 80 g من Fe₂O₃ في Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. M(Fe₂O₃) = 160 g/mol فـ n = 0.5 mol. تعطي النسبة 1 : 3 : 2 : 3: 1.5 mol من CO = 42 g و1.0 mol من Fe = 56 g و1.5 mol من CO₂ = 66 g. تحقّق: 80 + 42 = 122 و56 + 66 = 122.
الخطوة
المعادلة
الكتل
1
C + O₂ → CO₂
12 g + 32 g → 44 g
2
CO₂ + C → 2CO
44 g + 12 g → 56 g
من أين يأتي أول أكسيد الكربون. 12 g من الكربون (مول واحد) تحترق في 32 g من الأكسجين لتعطي 44 g من CO₂. وإذا لاقت هذه الـ 44 g من CO₂ 12 g أخرى من الكربون تكوّن مولان من CO: 2 × 28 = 56 g، و44 + 12 = 56 g.
الحديد الزهر
الصلب
الكربون (تقريبًا)
نحو 3 إلى 4.5 %
أقل من نحو 2 %
الشوائب
بعضها باقٍ
أُزيلت
السلوك
صلب، هش
قوي، يمكن تشكيله
مقارنة بين الحديد الزهر والصلب. الفرق في معظمه في محتوى الكربون وفي الشوائب.
نشاط الفصل
لعبة ترتيب بالبطاقات على الورق. اكتب على بطاقات منفصلة: التكسير، التلبيد، التركيز، التحميص، الاختزال، الحديد الزهر، الصلب. اخلطها ورتّبها بترتيب العملية. ثم اكتب معادلتي الكوك ومعادلة الاختزال على ثلاث بطاقات أخرى وطابق كلًّا منها بالجملة التي تصفها. لا يُسخَّن شيء ولا يُبنى فرن: إنها وسيلة للمذاكرة.
تدرّب
1
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. لـ 32 g من Fe₂O₃ (Fe = 56, C = 12, O = 16) أوجد كتلة CO اللازمة وكتلة Fe وCO₂ الناتجتين.
