يصف الشكل تحميص خام الحديد، وهو تسخينه بدرجة حرارة أقل من درجة انصهاره بحرية في الهواء، لإزالة الرطوبة والمواد المتطايرة وتحويل بعض الكربونات والكبريتيدات إلى أكاسيد.
وتحسّن هذه المرحلة من تجهيز الخام صلاحيته للاختزال في الفرن العالي.
التعرف على الحديد وخاماته وأماكن وجودها في مصر.
شرح مراحل استخلاص الحديد: تجهيز الخام، الاختزال في الفرن العالي وفرن ميدركس، إنتاج الصلب.
التعرف على السبائك وطرق تحضيرها وأنواعها وأمثلتها. 🌳 شجرة المفاهيم الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك ├── الحديد وأهميته ووجوده في الطبيعة │ ├── نبذة عن الحديد │ ├── خامات الحديد │ └── أهم الخامات ├── المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد │ ├── أولًا: تحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية │ └── ثانيًا: تحسين الخواص الكيميائية (التحميص) ├── المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد │ ├── (أ) الاختزال بغاز أول أكسيد الكربون في الفرن العالي │ ├── (ب) الاختزال بخليط من CO وH₂ في فرن ميدركس │ └── مقارنة بين الطريقتين ├── المرحلة الثالثة: إنتاج الحديد والصلب │ └── الصلب ├── السبائك: تعريفها وطرق تحضيرها │ ├── تعريف السبيكة │ └── طرق التحضير └── أنواع السبائك ├── أولًا: السبائك البينية ├── ثانيًا: السبائك الاستبدالية ├── ثالثًا: سبائك المركبات البينفلزية └── مقارنة بين أنواع السبائك
الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك · 1 / 12
الحديد وأهميته ووجوده في الطبيعة
الحديد وأهميته ووجوده في الطبيعة
شكل 2: رسم توضيحي — النقطة 1: الحديد وأهميته ووجوده في الطبيعة يوضح الشكل وجود الحديد في القشرة الأرضية وبعض خاماته، فهو رابع العناصر وفق وفرتها بعد الأكسجين والسيليكون والألومنيوم، ويكوّن نحو 5.1% من وزن القشرة. ولا يوجد الحديد حرًا على الأرض إلا في النيازك، إذ يرتبط بالأكسجين في خامات كالهيماتيت والماجنتيت.
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 –
الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك · 2 / 12
المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد
المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد
شكل 3: تلبيد الخام — المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد يبيّن الشكل عملية تلبيد الخام، وفيها يُسخَّن الخام المطحون حتى يلتحم ويتكتل في قطع مسامية صالحة للفرن العالي. ويحسّن التلبيد الخواص الفيزيائية والميكانيكية للخام، إذ تصبح قطعه متماسكة ولا تنهار أو تسد الفرن أثناء الاختزال.
شكل توضيحي — تكسير خام الحديد — المرحلة الأولى←تجهيز خامات الحديد:
شكل 4: تكسير خام الحديد — المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد يصور الشكل تكسير خام الحديد وطحنه إلى حبيبات بالحجم المناسب لعمليات الاختزال، وهي الخطوة الأولى في تحسين الخواص الفيزيائية للخام. فكلما صغر الحجم زادت المساحة السطحية المعرضة للتفاعل، فيُسرع الاختزال في الفرن.
شكل توضيحي — رسم توضيحي — النقطة 2←المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد:
شكل 5: رسم توضيحي — النقطة 2: المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد يمثل الشكل خطوة التركيز في تجهيز خامات الحديد، وهي زيادة نسبة الحديد بفصل الشوائب والمواد الصخرية غير المرغوب فيها. وتعتمد هذه الخطوة على التوتر السطحي أو الخواص المغناطيسية أو الكهربية، أي أن الخام يُعالَج فيزيائيًا قبل إدخاله فرن الاختزال.
تتم عمليات التجهيز عادة لتحقيق هدفين←تحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية للخام، وتحسين خواصه الكيميائية.
أولًا: تحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
التكسير والطحن
للحصول على الحجم المناسب لعمليات الاختزال
للحصولالحجمالمناسبلعمليات
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
ينتجالتكسيروالطحنتنظيف
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. شكل 6: الفصل المغناطيسي — المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد يبيّن الشكل الفصل المغناطيسي لخام الحديد
إذ يمر الخام المطحون فوق مغناطيس قوي فتنجذب جزيئات الحديد وتُفصل عن الشوائب غير المغناطيسية. ويزيد هذا الفصل نسبة الحديد في الخام
ويقلل كمية المخلفات الصخرية التي تُنقل إلى الفرن
عملياتتهدفزيادةنسبة
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)
P(s) + 5O₂(g) → 2P₂O₅(s) (بالتسخين Δ)
تتحول هذه الشوائب إلى مواد متطايرة أو سهلة الفصل.
الفصل المغناطيسي — المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد
├── المرحلة الأولى←تجهيز خامات الحديد
شكل 1: تحميص خامات الحديد
شكل 1: تحميص خامات الحديد←المرحلة الأولى: تجهيز خامات الحديد
الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك · 3 / 12
المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد
المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد
شكل 7: فرن ميدركس — المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد يعرض الشكل فرن ميدركس الذي يختزل أكاسيد الحديد بغاز مختزل ناتج من الغاز الطبيعي بدلًا من الفحم. ويعتمد هذا الأسلوب على اختزال الخام في الحالة الصلبة دون انصهار، فينتج حديدًا إسفنجيًا يُنقل بعد ذلك إلى أفران صناعة الصلب.
شكل توضيحي — رسم توضيحي — النقطة 3←المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد:
شكل 8: رسم توضيحي — النقطة 3: المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد يلخص الشكل تفاعلات الاختزال في الفرن العالي، فيتكون غاز أول أكسيد الكربون من احتراق الكوك وتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الكربون الساخن. ثم يختزل أول أكسيد الكربون أكسيد الحديد III وفق المعادلة Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
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.
شكل 9: الفرن العالي — المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد
يوضح الشكل الفرن العالي الذي يُشحن من أعلاه بالخام والكوك والحجر الجيري، ويُنفخ الهواء الساخن من أسفله ليحترق الكوك مكونًا أول أكسيد الكربون المختزل. وتتحرك المواد نحو أسفل الفرن فيُختزل الخام تدريجيًا حتى يتجمع الحديد المنصهر في القاع.
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
الفرن العالي — المرحلة الثانية: اختزال خامات الحديد
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
مثال
كلمات مفتاحية
شرح مراحل استخلاص الحديد
تجهيز الخام
الاختزال في الفرن العالي وفرن ميدركس
إنتاج الصلب
—
تجهيزالخامالاختزالالفرن
├── المرحلة الثانية
اختزال خامات الحديد
—
اختزالخاماتالحديد
•
الحديد الزهر أو الصلب
اختزالالخامالفرنالعالي
الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك · 4 / 12
المرحلة الثالثة: إنتاج الحديد والصلب
المرحلة الثالثة: إنتاج الحديد والصلب
شكل 10: رسم توضيحي — النقطة 4: المرحلة الثالثة: إنتاج الحديد والصلب يعرض الشكل المرحلة الثالثة لإنتاج الحديد والصلب، وفيها تُزال الشوائب من الحديد الناتج من أفران الاختزال، وتُضاف عناصر تحسّن الخواص المطلوبة. ويتم الإنتاج في أحد ثلاثة أنواع من الأفران، منها المحول الأكسجيني الذي يختلف في طريقة التنقية عن غيره.
بعد اختزال الخام في الفرن العالي أو فرن ميدركس تأتي المرحلة الثالثة وهي إنتاج الأنواع المختلفة من الحديد مثل الحديد الزهر أو الصلب.
الصلب
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
مثال
كلمات مفتاحية
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
—
التخلصالشوائبالموجودةالحديد
تتم صناعة الصلب في واحد من ثلاثة أنواع من الأفران
الشكل المحول الأكسجيني الذي يُنفخ فيه الأكسجين على الحديد المنصهر
فيتأكسد الكربون والشوائب مكونة أكاسيدها التي تنفصل في الخبث. وبهذه الطريقة يتحول الحديد الزهر إلى صلب بعد التخلص من معظم الكربون الزائد
وهي طريقة سريعة في إنتاج الصلب. الفرن المفتوح. الفرن الكهربائي
المحولاتالأكسجينيةالمحولالأكسجيني
المحول الأكسجيني — المرحلة الثالثة: إنتاج الحديد والصلب
├── المرحلة الثالثة←إنتاج الحديد والصلب
الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك · 5 / 12
السبائك: تعريفها وطرق تحضيرها
السبائك: تعريفها وطرق تحضيرها
شكل 12: رسم توضيحي — النقطة 5: السبائك: تعريفها وطرق تحضيرها يوضح الشكل تعريف السبيكة بأنها مادة تتكون من فلزين أو أكثر، وقد يدخل فيها لافلز كالكربون. وتحضّر السبائك عادة بصهر المكونات معًا ثم تبريد المنصهر تدريجيًا، أو بالترسيب الكهربي لفلزين معًا في الوقت نفسه.
تعريف السبيكة
السبيكة مادة تتكون عادة من فلزين أو أكثر، مثل الحديد والكروم أو الحديد والمنجنيز أو الحديد والفاناديوم أو الحديد والنيكل.
يمكن أن تتكون من فلز وعناصر لافلزية مثل الكربون.
طرق التحضير
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
مثال
كلمات مفتاحية
الصهر
تحضر السبائك عادة بصهر الفلزات مع بعضها وترك المنصهر ليبرد تدريجيًا
—
تحضرالسبائكعادةبصهر
الترسيب الكهربي
يمكن الحصول على السبائك بترسيب فلزين أو أكثر في الوقت نفسه بالتحليل الكهربي
تغطية المقابض الحديدية بالنحاس الأصفر (نحاس + خارصين) بترسيبه كهربيًا من محلول يحتوي على أيونات النحاس والخارصين
الحصولالسبائكبترسيبفلزين
الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك · 6 / 12
أنواع السبائك
أنواع السبائك
شكل 13: رسم توضيحي — النقطة 6: أنواع السبائك يبيّن الشكل السبيكة البينية، وفيها تملأ ذرات صغيرة مثل الكربون الفراغات بين ذرات الحديد في الشبكة البلورية، فيعوق ذلك انزلاق الطبقات عند الطرق. فيزداد صلب الحديد نتيجة ذلك، وتتغير خواص أخرى كالصلابة ودرجة الانصهار، كما في سبيكة الحديد والكربون.
أولًا: السبائك البينية
شكل 14 السبيكة البينية — أنواع السبائك
يركّز الشكل على انزلاق طبقات الذرات في الفلز النقي، فعند الطرق تنزلق الطبقات فوق بعضها فيلين الفلز.
ولكن عند وجود ذرات لافلزية صغيرة في الفراغات البينية تُعيق هذا الانزلاق، فتقل قابلية الفلز للطرق وتزداد صلابته.
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
شكل 15 السبيكة الاستبدالية — أنواع السبائك
يصف الشكل السبيكة الاستبدالية، حيث تحل ذرات فلز آخر محل بعض ذرات الفلز الأساسي في الشبكة البلورية لأن حجمها متقارب.
ولأن الاختلاف في الحجم يضطرب الشبكة ويعيق انزلاق الطبقات، تصبح السبيكة أصلب وأكثر مقاومة من الفلز النقي.
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
السبيكة البينية — أنواع السبائك
السبيكة الاستبدالية — أنواع السبائك
وجه المقارنة
السبيكة البينية — أنواع السبائك
السبيكة الاستبدالية — أنواع السبائك
ذرات
ولكن عند وجود ذرات لافلزية صغيرة في الفراغات البينية تُعيق هذا الانزلاق
حيث تحل ذرات فلز آخر محل بعض ذرات الفلز الأساسي في الشبكة البلورية لأن حجمها متقارب
الفلز
فتقل قابلية الفلز للطرق وتزداد صلابته
سبيكة يتم فيها استبدال بعض ذرات الفلز الأصلي بذرات فلز آخر له نفس نصف القطر والشكل البلوري والخواص الكيميائية
الفلز
الفلز النقي (كالحديد) يتكون من شبكة بلورية من ذرات مرصوصة بإحكام بينها مسافات بينية
تتكون عند استبدال بعض ذرات الفلز الأصلي بذرات فلز آخر
لافلز
إذا أُدخل فلز (أو لافلز) حجم ذراته أقل في المسافات البينية فإن ذلك يعوق انزلاق الطبقات
—
ذرات
سبيكة تتكون عند إدخال ذرات فلزية أو لافلزية صغيرة الحجم (مثل الكربون) في المسافات البينية للشبكة البلورية للفلز الأصلي (مثل الحديد النقي)
(أ) تقارب أنصاف أقطار الذرات (الحجم الذري متقارب)
الحديد
مما يعيق انزلاق الطبقات ويزيد الصلابة والخصائص الميكانيكية مثل الحديد الصلب
مثل سبيكة الصلب الذي لا يصدأ (حديد وكروم) وسبيكة الذهب والنحاس
التمييز
• التمييز بين أنواع السبائك الثلاث (البينية
• التمييز بين أنواع السبائك الثلاث (البينية
نقطة
الاستبدالية
—
والمركبات
والمركبات البينفلزية) مع أمثلة لكل نوع وشروط تكوينها الذرية
والمركبات البينفلزية) مع أمثلة لكل نوع وشروط تكوينها الذرية
تسخين خامات الحديد بشدة في الهواء الجوي بهدف تجفيف الخام والتخلص من الرطوبة ورفع نسبة الحديد فيه، وأكسدة الشوائب الضارة مثل الكبريت والفوسفور والزرنيخ إلى غازات طيارة.
الغاز المائي (Water Gas):
خليط متساوي النسبة تقريباً من غازي أول أكسيد الكربون والهيدروجين (CO + H2) ينتج من إمرار بخار الماء وغاز ثاني أكسيد الكربون على الغاز الطبيعي (الميثان)، ويستخدم كعامل مختزل في فرن مدركس.
السبيكة البينية (Interstitial Alloy):
سبيكة تتكون عند إدخال ذرات فلزية أو لافلزية صغيرة الحجم (مثل الكربون) في المسافات البينية للشبكة البلورية للفلز الأصلي (مثل الحديد النقي)، مما يعيق انزلاق الطبقات ويزيد الصلابة والخصائص الميكانيكية مثل الحديد الصلب.
السبيكة الاستبدالية (Substitutional Alloy):
سبيكة يتم فيها استبدال بعض ذرات الفلز الأصلي بذرات فلز آخر له نفس نصف القطر والشكل البلوري والخواص الكيميائية، مثل سبيكة الصلب الذي لا يصدأ (حديد وكروم) وسبيكة الذهب والنحاس.
سبيكة المركبات البينفلزية (Intermetallic Alloy):
سبيكة تتكون من اتحاد كيميائي تام بين عناصرها بنسب كيميائية ثابتة لا تخضع لقوانين التكافؤ المعروفة، وتكون مركبات صلبة جداً مثل السيمنتيت (Fe3C) والدورالومين (ألومنيوم مع النحاس والمغنيسيوم والمنجنيز).
ظاهرة الخمول الكيميائي للحديد (Passivity of Iron):
توقف تفاعل الحديد مع حمض النيتريك المركز الساخن بسبب تكوين طبقة مجهرية رقيقة متماسكة وغير مسامية من الأكسيد على سطحه تعزله عن استمرار ملامسة وتأثير الحمض، وتزال هذه الطبقة بالحك الميكانيكي أو بإضافة حمض الهيدروكلوريك المخفف.
الدرس الثالث: استخلاص الحديد والسبائك · 10 / 12
⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:
⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
معادلة اختزال الفرن العالي (Blast Furnace)
[ الصيغة الفيزيائية والرياضية: Fe2O3 + 3CO –(> 700°C)–> 2Fe + 3CO2 ] العامل المختزل هو أول أكسيد الكربون CO المحضر من تفاعل فحم الكوك مع الأكسجين: C + O2 -> CO2 ثم CO2 + C -> 2CO
الصيغةالفيزيائيةوالرياضيةFe2O3
معادلة اختزال فرن مدركس (Midrex Furnace)
[ الصيغة الفيزيائية والرياضية: 2Fe2O3 + 3CO + 3H2 —-> 4Fe + 3CO2 + 3H2O ] العامل المختزل هو الغاز المائي المحضر من الميثان: 2CH4 + CO2 + H2O –(Cat/Heat)–> 3CO + 5H2
الصيغةالفيزيائيةوالرياضية2Fe2O3
أكسدة أكسيد الحديد الأسود والمغناطيسي إلى هيماتيت
[ الصيغة الفيزيائية والرياضية: 4FeO + O2 –(Δ)–> 2Fe2O3 | 2Fe3O4 + 1/2 O2 –(Δ)–> 3Fe2O3 ] التسخين في الهواء يؤكسد أي أكسيد حديد أدنى إلى الأكسيد الثلاثي الأكثر ثباتاً واستقراراً
★ كتاب الشرح والتفصيل العلمي الشامل المعتمد 2026 / 2027 ★
كتاب الشرح المفصل خواص واستخلاص الحديد وأكاسيده والسبائك
الصف الثالث الثانوي | الباب الأول – العناصر الانتقالية | المنهج المصري الحديث 2026/2027
🎯 أهداف التعلم ومخرجات الفهم الوزارية المقررة 2026/2027:
• شرح مراحل استخلاص الحديد من خاماته (تجهيز الخام، الاختزال، وإنتاج الصلب) مع كتابة المعادلات الكيميائية المتزنة بدقة.
• المقارنة الشاملة بين الفرن العالي (Blast Furnace) وفرن مدركس (Midrex Furnace) من حيث العامل المختزل ومصدره والمعادلات وظروف التشغيل.
• التمييز بين أنواع السبائك الثلاث (البينية، الاستبدالية، والمركبات البينفلزية) مع أمثلة لكل نوع وشروط تكوينها الذرية.
• دراسة خواص وتفاعلات الحديد النقي وأكاسيده الثلاثة أكسيد الحديد الثنائي (FeO)، أكسيد الحديد الثلاثي (Fe2O3 الهيماتيت)، وأكسيد الحديد المغناطيسي (Fe3O4 الماجنتيت).
• المقارنة الدقيقة بين تفاعل الأحماض المخففة والمركّزة مع الحديد وأكاسيده، وتفسير ظاهرة الخمول الكيميائي مع حمض النيتريك المركز.
• حل مخططات التحويلات الكيميائية بين مركبات وأكاسيد الحديد في خطوة واحدة أو خطوات متتابعة.
1. مراحل استخلاص وتعدين الحديد: تجهيز الخام، الاختزال، وإنتاج الصلب
تتضمن عملية استخلاص الحديد من القشرة الأرضية ثلاث مراحل صناعية كبرى متسلسلة بدقة هندسية عالية:
ثانياً: مرحلة اختزال خامات الحديد (Reduction Stage): وتتم في نوعين من الأفران العملاقة: الفرن العالي وفرن مدركس. في الفرن العالي، يستخدم فحم الكوك لتوليد غاز أول أكسيد الكربون (CO) الحار، والذي يتولى اختزال الهيماتيت عند درجات حرارة أعلى من 700°C لينتج الحديد الغفل (Pig Iron) المنصهر وخبث السيليكات (Slag) الذي يطفو فوق الحديد لحمايته من إعادة الأكسدة. وفي فرن مدركس، يستخدم الغاز المائي (CO + H2) في دورة غازية مغلقة ومستمرة لإعادة التدوير، لينتج الحديد الإسفنجي فائق النقاوة.
ثالثاً: مرحلة إنتاج الحديد والصلب (Steel Making): وتهدف للتخلص التام من بواقي الشوائب وإضافة نسب محسوبة بدقة شديدة من عناصر سبائكية (مثل الكربون، المنجنيز، الفاناديوم، الكروم، أو النيكل) لإكساب الحديد الخواص الميكانيكية المطلوبة. وتتم هذه المرحلة في المحول الأكسجيني (Oxygen Converter) أو الفرن الكهربي (Electric Arc Furnace) أو فرن القوس المفتوح.
2. دراسة أنواع السبائك والشروط الهندسية والبلورية لتكوينها
الحديد النقي تماماً ليس له استخدامات صناعية كبرى لأنه لين نسبياً، سهل التشكيل، ودرجة انصهاره 1538°C وينزلق بسهولة تحت الضغط الميكانيكي لوجود مسافات بينية ومستويات انزلاق بين ذراته البلورية.
لذلك يعتمد العالم الصناعي على (السبائك Alloys).
3. سبيكة المركبات البينفلزية: تتحد فيها العناصر كيميائياً اتحاداً تاماً بنسب ذرية محددة، ولكن هذه الصيغ الناتجة لا تخضع لقوانين التكافؤ الكيميائي التقليدي، وتتميز بصلابة شديدة جداً وانفصال بلوري فريد. من أشهر أمثلتها: سبيكة السيمنتيت (كربيد الحديد Fe3C)، وسبيكة الدورالومين (سبيكة الألومنيوم والنيكل Al3Ni أو الألومنيوم والنحاس CuAl2)، وسبيكة الرصاص والذهب (Au2Pb). ولا توجد ذرات العناصر في هذه السبيكة حرة بل متحدة كيميائياً بروابط قوية.
3. تفاعلات الحديد النقي ومركباته: أكسيد الحديد الثنائي، الثلاثي، والمغناطيسي
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
تفاعلات الحديد الفلز (Fe)
يتفاعل الحديد المسخن لدرجة الاحمرار (500°C) مع أكسجين الهواء أو بخار الماء ليعطي أكسيد الحديد المغناطيسي الماجنتيت الأسود: 3Fe + 2O2 -> Fe3O4 وكذلك 3Fe + 4H2O(g) -> Fe3O4 + 4H2
يتفاعلالمسخنلدرجةالاحمرار
ويتفاعل مع اللافلزات
مع غاز الكلور ليعطي كلوريد الحديد الثلاثي FeCl3 مباشرة لأن الكلور عامل مؤكسد قوي يؤكسد أي كلوريد ثنائي يتكون: 2Fe + 3Cl2 -> 2FeCl3
الكلورليعطيكلوريدالحديد
ومع الكبريت بالتسخين ليعطي كبريتيد الحديد الثنائي
Fe + S -> FeS
تفاعل الحديد مع الأحماض يتفاعل الحديد مع الأحماض المخففة مثل حمض الهيدروكلوريك HCl وحمض الكبريتيك H2SO4 ليعطي أملاح الحديد الثنائي وغاز الهيدروجين الذي يشتعل بفرقعة: Fe + 2HCl(dil) -> FeCl2 + H2.
ويتكون الملح الثنائي دائماً وليس الثلاثي لأن غاز الهيدروجين المتصاعد عامل مختزل قوي يختزل أي ملح ثلاثي إلى ثنائي.
أما مع حمض الكبريتيك المركز الساخن (H2SO4 conc.)، فيتفاعل الحديد ليعطي خليطاً من كبريتات الحديد الثنائي FeSO4 وكبريتات الحديد الثلاثي Fe2(SO4)3 والماء وغاز ثاني أكسيد الكبريت SO2 الخانق ذي الرائحة النفاذة الذي يخضر ورقة مبللة بمحلول ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة: 3Fe + 8H2SO4(conc) -> FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4SO2 + 8H2O.
أكاسيد الحديد الثلاثة وطرق تحضيرها وخواصها:
ثالثاً: أكسيد الحديد المغناطيسي (Fe3O4 الماجنتيت): أكسيد أسود ذو خواص مغناطيسية قوية، وهو أكسيد مركب ومختلط يتكون في الحقيقة من خليط متكافئ من (FeO + Fe2O3). ولهذا السبب الحاسم، عندما يتفاعل مع الأحماض المركزة الساخنة يعطي خليطاً متكافئاً من أملاح الحديد الثنائي وأملاح الحديد الثلاثي معاً والماء: Fe3O4 + 8HCl(conc) -> FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O.
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
جدول
مقارنة شاملة ودقيقة بين أكاسيد الحديد الثلاثة (FeO
Fe2O3
Fe3O4)
مقارنةشاملةودقيقةأكاسيد
جدول
مقارنة بين أفران اختزال خام الحديد: الفرن العالي وفرن مدركس
مقارنةأفراناختزالالحديد
•
✏️ أمثلة ومسائل وتطبيقات محلولة بالخطوات النموذجية والبرهان العلمي
أمثلةومسائلوتطبيقاتمحلولة
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
★ حل مخطط تحويلات كيميائية معقد للحديد المعطيات والمطلوب
كيف تحصل على أكسيد الحديد المغناطيسي Fe3O4 انطلاقاً من كبريتات الحديد الثنائي FeSO4؟
فتتفكك حرارياً لتعطي أكسيد الحديد الثلاثي (Fe2O3) وغازي ثاني وثالث أكسيد الكبريت وفق المعادلة: 2FeSO4(s) –(Δ)–> Fe2O3(s) + SO2(g) + SO3(g)
الخطوةالأولىنقومبتسخين
[2] الخطوة الثانية
نأخذ أكسيد الحديد الثلاثي Fe2O3 الناتج ونجري له عملية اختزال جزئي متحكم به باستخدام غاز أول أكسيد الكربون (CO) أو غاز الهيدروجين (H2) عند درجة حرارة مضبوطة تماماً بين (230°C – 300°C)
[4] وبذلك نكون قد حصلنا بنجاح على أكسيد الحديد المغناطيسي النقي في خطوتين كيميائيتين علميتين مضبوطتين تماماً
وبذلكنكونحصلنابنجاح
💡 فنية وتريك للحل السريع وتجنب الخطأ
تذكر قاعدة درجات الحرارة لاختزال الهيماتيت: من 230-300 يعطي Fe3O4
ومن 400-700 يعطي FeO
وأعلى من 700 يعطي الحديد الفلز Fe!
تذكرقاعدةدرجاتالحرارة
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
•
★ التمييز العملي بين الحديد وأكسيد الحديد المغناطيسي المعطيات والمطلوب: كيف تميز عملياً في المختبر بين برادة الحديد النقي Fe ومسحوق أكسيد الحديد المغناطيسي Fe3O4 دون استخدام مغناطيس؟
التمييزالعمليالحديدوأكسيد
خطوات الحل والبرهان الفيزيائي
[1] طريقة التمييز العملي: نضيف إلى كل منهما كمية من حمض الهيدروكلوريك المخفف HCl(dil) في أنبوبتي اختبار في درجة حرارة الغرفة
طريقةالتمييزالعملينضيف
[2] المشاهدة والاستنتاج مع برادة الحديد
يحدث فوران وتصاعد لفقاعات غازية تشتعل بفرقعة زرقاء مميزة عند تقريب شظية مشتعلة إليها (وهو غاز الهيدروجين H2)
ويتكون محلول كلوريد الحديد الثنائي الأخضر الفاتح: Fe + 2HCl(dil) -> FeCl2 + H2
يحدثفورانوتصاعدلفقاعات
[3] المشاهدة والاستنتاج مع أكسيد الحديد المغناطيسي Fe3O4
لا يحدث أي تفاعل ولا يتصاعد أي غاز ويبقى المسحوق الأسود راسباً دون ذوبان
لأن Fe3O4 لا يتفاعل قط مع الأحماض المخففة
بل يشترط حمضاً معدنياً مركزاً وساخناً
يحدثتفاعليتصاعدويبقى
•
[4] وبذلك تم التمييز المخبري القاطع بينهما بمجرد إضافة الحمض المخفف وملاحظة تصاعد الهيدروجين
وبذلكالتمييزالمخبريالقاطع
💡 فنية وتريك للحل السريع وتجنب الخطأ
أسهل كاشف للتمييز بين الحديد وأكاسيده الثلاثة هو الحمض المخفف: الحديد وحده يخرج غاز الهيدروجين المفرقع!
أسهلكاشفللتمييزالحديد
وجه المقارنة
أكسيد الحديد الثنائي FeO
أكسيد الحديد الثلاثي Fe2O3 (الهيماتيت)
أكسيد الحديد المغناطيسي Fe3O4 (الماجنتيت)
الاسم الشائع واللون
أكسيد الحديدوز (أسود)
الهيماتيت / خام الحديد الأحمر (أحمر داكن)
الماجنتيت / الأكسيد الأسود المغناطيسي
حالة التأكسد للحديد
+2
+3
مختلط (+2 و +3) متوسطها +2.67
طريقة التحضير النموذجية
تسخين أوكسالات الحديد II بمعزل عن الهواء
تسخين Fe(OH)3 أعلى من 200°C أو تسخين FeSO4
تسخين الحديد للاحمرار مع الهواء أو بخار الماء 500°C
الأكسدة في الهواء الساخن
يتأكسد سريعاً إلى Fe2O3 أحمر
لا يتأكسد (أعلى حالة تأكسد مستقرة)
يتأكسد بالتسخين في الهواء ليعطي Fe2O3 أحمر
التفاعل مع الأحماض المخففة
يتفاعل بسهولة ويعطي أملاح Fe(II) والماء
لا يتفاعل إطلاقاً مع الأحماض المخففة
لا يتفاعل إطلاقاً مع الأحماض المخففة
التفاعل مع الأحماض المركزة الساخنة
يتفاعل معطياً أملاح Fe(II) والماء
يتفاعل معطياً أملاح Fe(III) والماء فقط
يتفاعل معطياً خليطاً من أملاح Fe(II) و Fe(III) والماء
وجه المقارنة
الفرن العالي (Blast Furnace)
فرن مدركس (Midrex Furnace)
العامل المختزل المستخدم
غاز أول أكسيد الكربون فقط (CO)
الغاز المائي (خليط غازي CO + H2)
مصدر تحضير العامل المختزل
فحم الكوك (C)
الغاز الطبيعي / الميثان (CH4 بنسبة 93%)
معادلة تحضير العامل المختزل
C + O2 -> CO2 ثم CO2 + C -> 2CO
2CH4 + CO2 + H2O –(Cat/Heat)–> 3CO + 5H2
معادلة الاختزال الرئيسية
Fe2O3 + 3CO –(> 700°C)–> 2Fe + 3CO2
2Fe2O3 + 3CO + 3H2 —-> 4Fe + 3CO2 + 3H2O
طبيعة الحديد الناتج
حديد غفل (منصهر محمل بالشوائب والخبث)
حديد إسفنجي صلب نقي عالي الجودة
إعادة تدوير الغازات
غير مغلقة الدورة بالكامل
دورة غازية مغلقة بالكامل لإعادة إنتاج الغاز المائي