فلز الحديد: خاماته واستخلاصه وسبائكه
درس فلز الحديد: نبدأ بوجوده في الطبيعة وخاماته، ثم تجهيز الخام واستخلاصه، وأخيرًا الصلب وأنواع السبائك. وفي صفحة الأسئلة تجد باقي الدرس.
الحديد في الطبيعة
- الحديد هو المكوّن الأكبر لباطن الأرض، ونسبته في القشرة الأرضية نحو 5%، وهي أقل من الألومنيوم (8%).
- يوجد الحديد حرًا في النيازك، ويصل نحو 90% من كتلة النيزك الحديدي.
- مركبات الحديد الطبيعية مختلطة بشوائب، وتتحدد صلاحية الخام بـ نسبة الحديد وتركيب الشوائب، فالفوسفور شائب ضار، بينما وجود المنجنيز بنسبة 5 : 15% يزيد قيمة الخام.
| الخام | الصيغة | ملاحظة |
|---|---|---|
| الهيماتيت | Fe₂O₃ | أحمر، أهم الخامات |
| المجنتيت | Fe₃O₄ | أسود مغناطيسي، أعلى نسبة حديد |
| الليمونيت (المتهدرت) | Fe₂O₃ · nH₂O | أصفر |
| السيدريت | FeCO₃ | كربونات الحديد (II) |
المغنيسيت ليس من خامات الحديد، فهو خام المغنيسيوم.
اعرض الحل
في باطن الأرض الحديد هو المكوّن الأكبر، وهو (4).
في القشرة الأرضية أكثر العناصر O ثم Si، والبقية: (1) الألومنيوم (نحو 8%) و(2) الحديد (نحو 5%).
الإجابة (ج).
اعرض الحل
مشبك الورق ينجذب إلى الحجر، فهو خام مغناطيسي: المجنتيت Fe₃O₄ (أكسيد الحديد المغناطيسي).
الإجابة (ج).
اعرض الحل
الخام الأحمر هو الهيماتيت Fe₂O₃، وفيه الحديد في حالة +3 وهي الحالة المستقرة (3d⁵) التي لا يمكن أكسدتها.
وبقية العبارات خطأ: يُستخلص الحديد بالاختزال لا بالتحليل الكهربي، ونسبة الحديد في المجنتيت أعلى منها في الهيماتيت، وأيون Fe³⁺ بارامغناطيسي.
الإجابة (د).
تجهيز الخامات
قبل الاختزال يُجهَّز الخام في مرحلتين:
- تحسين الخواص الفيزيائية (دون تغير كيميائي): التكسير يزيد مساحة السطح، والفصل المغناطيسي (أو التوتر السطحي) يزيل الشوائب ويرفع نسبة الحديد، ثم تجميع الحبيبات الدقيقة.
- تحسين الخواص الكيميائية بالتحميص: تسخين الخام بشدة في الهواء فيحدث تغير كيميائي:
- يتحول الخام إلى Fe₂O₃ ويفقد الماء و CO₂.
- تتأكسد بعض الشوائب إلى غازات مثل SO₂ و P₂O₅ فتُفصل.
- تقل كتلة الخام وتزداد نسبة الحديد فيه (لا تتغير كتلة الحديد نفسه).
اعرض الحل
(X) حبيبات الخام المكسَّر مع شوائبها. تنجذب حبيبات خام الحديد المغناطيسية إلى القرص المغناطيسي وتسقط في الوعاء (Y)، بينما تسقط الشوائب غير المغناطيسية في الوعاء (Z).
هذه عملية فصل مغناطيسي، وهي تغيير فيزيائي.
الإجابة (ج).
استخلاص الحديد في الفرن العالي
يُستخدم في الفرن العالي الهيماتيت المحمص وفحم الكوك والهواء الساخن، وتحدث تفاعلات أهمها:
- أسفل الفرن: احتراق الكوك، وهو طارد للحرارة فيرفع درجة حرارة الفرن:
- المنطقة الوسطى (نحو 1000°C): يتفاعل CO₂ مع الكربون الساخن ويتكون العامل المختزل CO:
- يختزل CO أكسيد الحديد إلى الحديد على مراحل بحسب درجة الحرارة:
- العامل المختزل في الفرن: C و CO. والعوامل المؤكسدة: O₂ و CO₂ و Fe₂O₃.
- الناتج هو الحديد الزهر، وفيه نسبة من الشوائب (الكربون وغيره)، وهو غير الصلب.
اعرض الحل
التفاعل (1) هو احتراق الكربون في الأكسجين، وهو شديد الانطلاق للحرارة فيرفع درجة حرارة الفرن. أما (2) فتفاعل ماص للحرارة، و(3) و(4) تفاعلا اختزال لأكاسيد الحديد.
الإجابة (أ).
اعرض الحل
(1) مادة صلبة سوداء هي فحم الكوك C، يتفاعل مع CO₂ ساخنًا فيعطي العامل المختزل (2) وهو CO:
ثم يختزل CO أكسيد الفلز الأحمر Fe₂O₃ إلى الفلز.
الإجابة (أ).
طرق أخرى للاختزال
- فرن مدركس وطريقة فيشر – تروبش: يُستخدم الغاز المائي (CO و H₂)، ويمكن الحصول عليه من الغاز الطبيعي، وهو عامل مختزل:
- في طريقة فيشر – تروبش يُحوَّل الغاز المائي إلى وقود سائل بوجود الكوبلت عاملًا حفازًا.
الحديد الصلب والسبائك
- الحديد النقي فلز لين، تترتب ذراته في طبقات تنزلق فوق بعضها عند الطرق.
- إضافة نسبة ضئيلة من الكربون تعطي الحديد الصلب الأصلب، لكنها تغير بعض خواصه الفيزيائية الأخرى مثل التوصيل الكهربي ودرجة الانصهار والخواص المغناطيسية.
- السبيكة مادة فلزية تتكون من فلز أساسي مع عنصر أو أكثر، ولها ثلاثة أنواع:
| النوع | وصفه | مثال |
|---|---|---|
| استبدالية | تحل ذرات فلز محل ذرات فلز آخر قريب منه في نصف القطر والشكل البللوري والخواص الكيميائية | الحديد والنيكل، النحاس والخارصين (النحاس الأصفر) |
| بينية | ذرات صغيرة تشغل الفراغات البينية فتمنع انزلاق الطبقات | الحديد والكربون (الصلب) |
| بينفلزية | اتحاد كيميائي بين فلزين لا تخضع صيغته لقوانين التكافؤ | الألومنيوم والنيكل، والألومنيوم والنحاس |
- من السبائك المهمة:
- صلب الفاناديوم: زنبركات السيارات (قساوة عالية ومقاومة للتآكل).
- صلب التنجستين: شديد الصلابة.
- الصلب الذي لا يصدأ: حديد مع كروم.
- النحاس الأصفر (Cu و Zn): تغطية مقابض الأبواب الحديدية بالترسيب الكهربي.
- الديورألومين (الألومنيوم مع نحو 4.5% نحاس): أجزاء من السفن لمقاومته لمياه البحار.
- التيتانيوم والألومنيوم: هياكل الطائرات والمركبات الفضائية.
- النيكل كروم: ملفات التسخين.
اعرض الحل
السبيكة التي لا تنزلق فيها ذرات الفلز الأصلي هي السبيكة البينية: ذرات صغيرة تملأ الفراغات بين ذرات الفلز الأصلي فتمنع الطبقات من الانزلاق.
هذا هو الشكل (ب): ذرات حمراء صغيرة بين الذرات الزرقاء الكبيرة.
الإجابة (ب).
اعرض الحل
الديورألومين سبيكة من الألومنيوم والنحاس.
الألومنيوم (1) أول عناصر المجموعة 3A، والنحاس (4) من عناصر المجموعة 1B في الدورة الرابعة.
الإجابة (د).