الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك

نبذة عن الحديد

• الحديد ₂₆Fe تركيبه الإلكتروني [Ar] 4s² 3d⁶.
• يعتبر عصب الصناعات الثقيلة.
• ترتيبه الرابع بين العناصر في القشرة الأرضية بعد الأكسجين والسيليكون والألومنيوم، ويكوّن 5.1% من وزنها.
• تزداد كميته تدريجيًا كلما اقتربنا من باطن الأرض.
• لا يوجد حرًا إلا في النيازك (نحو 90% منه).

خامات الحديد

• يوجد في القشرة الأرضية في صورة خامات طبيعية تحتوي على أكاسيد الحديد مختلطة بشوائب.
• تتحدد صلاحية الخام للاستخلاص بثلاثة عوامل:
  • نسبة الحديد في الخام.
  • تركيب الشوائب المصاحبة له.
  • وجود عناصر ضارة مختلطة به مثل الكبريت والفوسفور والزرنيخ.

  أهم الخامات

  وجه المقارنة	الهيماتيت	الليمونيت	المجنتيت	السيدريت
  الاسم الكيميائي	أكسيد الحديد III	أكسيد الحديد III المتهدرت	أكسيد الحديد المغناطيسي	كربونات الحديد II
  الصيغة	Fe₂O₃	2Fe₂O₃·3H₂O	Fe₃O₄	FeCO₃
  الخواص	لونه أحمر داكن، سهل الاختزال	لونه أصفر، سهل الاختزال	لونه أسود، له خواص مغناطيسية	لونه رمادي مصفر، سهل الاختزال
  نسبة الحديد في الخام	50 - 60%	20 - 60%	45 - 70%	30 - 42%
  أماكن وجوده في مصر	الجزء الغربي لمدينة أسوان، الواحات البحرية	الواحات البحرية	الصحراء الشرقية	-

• تتم عمليات التجهيز عادة لتحقيق هدفين: تحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية للخام، وتحسين خواصه الكيميائية.

أولًا: تحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية

• التكسير والطحن: للحصول على الحجم المناسب لعمليات الاختزال.
• التلبيد:
  • ينتج عن التكسير والطحن وعن تنظيف غازات الأفران العالية كميات هائلة من الخام الناعم لا يمكن استخدامه مباشرة في الأفران العالية.
  • تعالج هذه الأحجام الدقيقة بربط حبيباتها وتجميعها في أحجام أكبر متماثلة ومتجانسة، وتسمى العملية التلبيد.
• التركيز:
  • عمليات تهدف إلى زيادة نسبة الحديد بفصل الشوائب والمواد غير المرغوب فيها المتحدة كيميائيًا أو المختلطة بالخام.
  • تستخدم فيها خاصية التوتر السطحي أو الفصل المغناطيسي أو الفصل الكهربي.

ثانيًا: تحسين الخواص الكيميائية (التحميص)

• التحميص: تسخين الخام بشدة في الهواء لغرضين:

(أ) تجفيف الخام والتخلص من الرطوبة ورفع نسبة الحديد فيه

• كربونات الحديد II (48.5% حديد) تتحلل ثم تتأكسد:
  • FeCO₃(s) → FeO(s) + CO₂(g) (بالتسخين Δ)
  • 2FeO(s) + ½O₂(g) → Fe₂O₃(s) (بالتسخين Δ، ونسبة الحديد في الناتج 69.6%)
• الليمونيت (40% حديد) يفقد ماء التهدرت:
  • 2Fe₂O₃·3H₂O(s) → 2Fe₂O₃(s) + 3H₂O(v) (بالتسخين Δ، ونسبة الحديد ترتفع من 40% إلى 69.6%)

(ب) أكسدة بعض الشوائب مثل الكبريت والفوسفور

• S(s) + O₂(g) → SO₂(g) (بالتسخين Δ)
• 4P(s) + 5O₂(g) → 2P₂O₅(s) (بالتسخين Δ)
• تتحول هذه الشوائب إلى مواد متطايرة أو سهلة الفصل.

• يتم فيها اختزال أكاسيد الحديد إلى حديد بإحدى طريقتين حسب العامل المختزل المستخدم.

(أ) الاختزال بغاز أول أكسيد الكربون في الفرن العالي

• مصدر أول أكسيد الكربون هو فحم الكوك، وتتم العملية في الفرن العالي.
• تفاعلات الفرن:
  • C(s) + O₂(g) → CO₂(g) (بالتسخين Δ)
  • CO₂(g) + C(s) → 2CO(g) (بالتسخين Δ)
  • Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g) (عند درجة حرارة أعلى من 700°C)

  (ب) الاختزال بخليط من CO وH₂ في فرن ميدركس

  • يستخدم الغاز المائي (خليط أول أكسيد الكربون والهيدروجين)، وينتج من الغاز الطبيعي الذي تبلغ نسبة الميثان CH₄ فيه نحو 93%.
  • تتم العملية في فرن ميدركس:
    • 2CH₄(g) + CO₂(g) + H₂O(l) → 3CO(g) + 5H₂(g) (بالتسخين Δ)
    • 2Fe₂O₃(s) + 3CO(g) + 3H₂(g) → 4Fe(s) + 3CO₂(g) + 3H₂O(l) (بالتسخين Δ)

    مقارنة بين الطريقتين

    وجه المقارنة	الفرن العالي	فرن ميدركس
    العامل المختزل	غاز CO	خليط CO وH₂ (الغاز المائي)
    مصدر العامل المختزل	فحم الكوك	الغاز الطبيعي (الميثان)
    معادلة الاختزال	Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂	2Fe₂O₃ + 3CO + 3H₂ → 4Fe + 3CO₂ + 3H₂O

• بعد اختزال الخام في الفرن العالي أو فرن ميدركس تأتي المرحلة الثالثة وهي إنتاج الأنواع المختلفة من الحديد مثل الحديد الزهر أو الصلب.

الصلب

• تعتمد صناعة الصلب على عمليتين أساسيتين:
  • التخلص من الشوائب الموجودة في الحديد الناتج من أفران الاختزال.
  • إضافة بعض العناصر إلى الحديد لتكسب الصلب الناتج الخواص المطلوبة للأغراض الصناعية.
• تتم صناعة الصلب في واحد من ثلاثة أنواع من الأفران:
  • المحولات الأكسجينية.
  • الفرن المفتوح.
  • الفرن الكهربائي.

تعريف السبيكة

• السبيكة: مادة تتكون عادة من فلزين أو أكثر، مثل الحديد والكروم أو الحديد والمنجنيز أو الحديد والفانديوم أو الحديد والنيكل.
• يمكن أن تتكون من فلز وعناصر لافلزية مثل الكربون.

طرق التحضير

• الصهر: تحضر السبائك عادة بصهر الفلزات مع بعضها وترك المنصهر ليبرد تدريجيًا.
• الترسيب الكهربي:
  • يمكن الحصول على السبائك بترسيب فلزين أو أكثر في الوقت نفسه بالتحليل الكهربي.
  • مثال: تغطية المقابض الحديدية بالنحاس الأصفر (نحاس + خارصين) بترسيبه كهربيًا من محلول يحتوي على أيونات النحاس والخارصين.

أولًا: السبائك البينية

• الفلز النقي (كالحديد) يتكون من شبكة بلورية من ذرات مرصوصة بإحكام بينها مسافات بينية.
• عند الطرق تتحرك طبقة من الذرات فوق أخرى، فيلين الفلز.
• إذا أُدخل فلز (أو لافلز) حجم ذراته أقل في المسافات البينية فإن ذلك يعوق انزلاق الطبقات.
• النتيجة: تزداد صلابة الفلز، وتتأثر خواص أخرى كقابلية الطرق والسحب ودرجات الانصهار والتوصيل الكهربي والخواص المغناطيسية.
• مثال: سبيكة الحديد والكربون (الحديد الصلب).

ثانيًا: السبائك الاستبدالية

• تُستبدل فيها بعض ذرات الفلز الأصلي بذرات فلز آخر له نفس القطر والشكل البلوري والخواص الكيميائية.
• أمثلة:
  • سبيكة الحديد والكروم (الصلب الذي لا يصدأ).
  • سبيكة الذهب والنحاس.
  • سبيكة الحديد والنيكل.

  ثالثًا: سبائك المركبات البينفلزية

  • تتحد فيها العناصر المكوّنة للسبيكة اتحادًا كيميائيًا فتتكون مركبات كيميائية.
  • لا تخضع صيغتها الكيميائية لقوانين التكافؤ المعروفة.
  • هي مركبات صلبة تتكون من فلزات لا تقع في مجموعة واحدة من الجدول الدوري.
  • أمثلة:
    • سبيكتا الألومنيوم-النيكل والألومنيوم-النحاس المعروفتان باسم الديور ألومين.
    • سبيكة الرصاص-الذهب Au₂Pb.
    • السمنتيت Fe₃C.

    مقارنة بين أنواع السبائك

    وجه المقارنة	البينية	الاستبدالية	المركبات البينفلزية
    طريقة التكوين	دخول ذرات أصغر في المسافات البينية	استبدال ذرات الفلز الأصلي بذرات فلز آخر	اتحاد كيميائي بين مكونات السبيكة
    شرط التكوين	حجم ذرات الفلز الداخل أقل	تساوي القطر والشكل البلوري والخواص الكيميائية	فلزات من مجموعات مختلفة وصيغ لا تخضع للتكافؤ
    مثال	الحديد والكربون	الحديد والكروم	Au₂Pb وFe₃C