فيديو الدرس: استخلاص الحديد الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نلقي نظرة على استخلاص الحديد من خاماته في الفرن العالي. وسنتناول المواد الكيميائية المستخدمة في هذا الفرن ودرجات الحرارة التي يتضمنها.

يعد الحديد أحد الفلزات المتوفرة بكثرة، وإنتاجه منخفض التكلفة نسبيًّا. يمكن العثور على الخامات التي تحتوي على نسبة عالية من الحديد في جميع أنحاء العالم. هناك العديد من مركبات الحديد التي يمكن العثور عليها في الطبيعة. لكن المركب الأكثر شيوعًا في استخلاص الحديد الذي سنسلط عليه الضوء في هذا الفيديو هو الهيماتيت. الهيماتيت هو صورة طبيعية لأكسيد الحديد الثلاثي، ‪Fe2O3‬‏. ويحتوي على حديد بنسبة 70 في المائة تقريبًا من كتلته. هذا يعني أنه، بالاستخلاص المثالي، إذا وضعنا كيلوجرامًا واحدًا من خام الحديد، ينبغي أن نحصل على 0.7 كيلوجرام أو 700 جرام من الحديد النقي. لكن الأمر ليس بهذه البساطة، لذا دعونا نلق نظرة على التفاصيل.

يمكن استخلاص الحديد من مادته الخام باستخدام الكربون، وهذا أمر رائع. الكربون رخيص للغاية ومتوفر بكثرة. ونحصل عادة على الكربون المستخدم في استخلاص الحديد من الفحم. يحتوي الفحم عادة على هيدروكربونات وشوائب متطايرة أخرى. يؤدي تسخين الفحم إلى أكثر من ألف درجة سلزية إلى التخلص من بعض هذه الشوائب، وتكوين ما يسمى بفحم الكوك. يعد فحم الكوك صورة من الكربون أكثر نقاء من الفحم، وهو ما يعني إدخاله شوائب أقل في الحديد المستخلص. وعندما يتفاعل الهيماتيت مع الكربون مباشرة، يمكن أن يحدث تفاعل أكسدة واختزال.

يختزل الهيماتيت، ‪Fe2O3‬‏، إلى الحديد. وفي الوقت نفسه، يتأكسد الكربون إلى خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. وتعتمد الحسابات الكيميائية التكافئية الدقيقة على ظروف التفاعل. إذا نظرنا إلى سلسلة النشاط الكيميائي، فسنتذكر أن الكربون أكثر نشاطًا من الحديد. لذا عند تسخين أكاسيد الحديد مع الكربون، ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.

حتى الآن، يبدو هذا بسيطًا للغاية. كل ما علينا فعله هو تسخين الهيماتيت مع فحم الكوك وسنحصل على الحديد، ولكن ليت الأمر بهذه البساطة. ينصهر الهيماتيت النقي عند 1565 درجة سلزية، وينصهر الحديد عند درجة سلزية مقاربة للغاية وهي 1538. أما الكربون، فهو مقاوم نسبيًّا للانصهار. فلا ينصهر، وإنما يتسامى عند درجة حرارة هائلة تبلغ 4827 درجة سلزية. هذا يعني أنه حتى نصل إلى حوالي 1500 درجة سلزية على الأقل، سنتعامل مع متفاعلات جميعها مواد صلبة. ويصعب خلط المواد الصلبة، وسيكون التفاعل بطيئًا للغاية.

حتى في حالة التسخين بدرجة كافية لصهر الهيماتيت، لن يمثل هذا بالضرورة تحسنًا كبيرًا في التفاعل. فستظل عملية خلط الكربون ذي الكثافة الأقل عملية صعبة للغاية. لحسن الحظ، لا نحتاج إلى الوصول إلى درجة حرارة تقارب 5000 درجة سلزية لتسريع التفاعل. بدلًا من ذلك، يمكننا الاستفادة من ميزة رائعة من ميزات الكربون. عندما يتفاعل الكربون مع كمية محدودة من الأكسجين، يكون أول أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة. وباستخدام المزيد من الأكسجين، يمكن أن يتفاعل أول أكسيد الكربون ليكون ثاني أكسيد الكربون، في تفاعل طارد للحرارة أيضًا. وإذا استخدمنا، في نفس الظروف، أول أكسيد الكربون بدلًا من الكربون عاملًا مختزلًا، فسيكون لدينا تفاعل أكثر فاعلية بكثير؛ لأن خلط الغاز سيكون أسهل كثيرًا.

في الفرن العالي الذي يحدث فيه هذا التفاعل، قد يكون الهيماتيت لا يزال صلبًا. لكن الحديد الذي نستخلصه في النهاية يكون سائلًا بكل تأكيد. أهم تفاعل علينا تذكره هنا هو التفاعل بين الهيماتيت وأول أكسيد الكربون. يحدث بالفعل تفاعل بين الهيماتيت والكربون، لكنه أقل نشاطًا وأهمية.

بعد ذلك، سنتناول واحدة من أهم خصائص كيمياء الحياة اليومية، وهي الشوائب. يحتوي فحم الكوك الفعلي وخام الحديد الفعلي على شوائب. والشائبة المهمة التي سنتناولها هنا هي الرمل الذي يتكون معظمه من ثاني أكسيد السليكون. وقد تسمع أن ثاني أكسيد السليكون يسمى السليكا. إذا لم نزل معظم هذه الشائبة، فسينتهي بها المطاف في الحديد، مانحة إياه خواص لا نريدها.

لإزالة ثاني أكسيد السليكون، سنضيف مادة كيميائية تتفاعل معه. المادة الكيميائية التي سنضيفها هي كربونات الكالسيوم في صورة حجر جيري. في الواقع، لا تؤدي كربونات الكالسيوم المهمة بمفردها. ولكن عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن تتحلل حراريًّا، منتجة أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون. يمكن أن يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السليكون، وينتج عن ذلك سليكات الكالسيوم، ‪CaSiO3‬‏. هذا النوع من سليكات الكالسيوم له درجة انصهار تبلغ 1540 درجة سلزية تقريبًا، وهي قريبة جدًّا من درجة انصهار الحديد. تنفصل سليكات الكالسيوم المنصهرة بصورة طبيعية عن الحديد المصهور بسبب كثافتها التي تقارب نصف كثافة الحديد. تسمح لنا إضافة كربونات الكالسيوم بتكوين طبقة من الشوائب يمكننا فصلها تمامًا عن طريق فتح صنبور. نسمي هذه الطبقة الخبث.

بعد ذلك، علينا الانتقال إلى أساس طريقة استخلاص الحديد، وهو الفرن العالي. في عام 2019 بأكمله، تم تعدين 2.5 مليار طن متري من الحديد في جميع أنحاء العالم. وهذا يعادل كتلة مبنى إمباير ستيت 7500 مرة. نحتاج إلى عدد هائل من المعدات لمعالجة كل هذا الخام. وهنا يأتي دور الفرن العالي.

يبلغ عرض الفرن العالي الحديث 15 مترًا وطوله 35 مترًا. ويضاهي حجمه حجم حمامي سباحة أولمبيين. ويمكن الحصول من كل فرن من هذه الأفران على حوالي 10000 طن من الحديد المنصهر يوميًّا. التصميم الكامل للفرن العالي معقد للغاية. لذا سنتناول نسخة مبسطة منه فقط.

في الخطوة الأولى، يضاف فحم الكوك، وخام الحديد، والحجر الجيري إلى الفرن من الجزء العلوي. يوفر فحم الكوك الكربون، ويوفر الخام أكسيد الحديد الثلاثي، ويوفر الحجر الجيري كربونات الكالسيوم. في الخطوة التالية، يضخ هواء ساخن تتراوح درجة حرارته بين 900 و1300 درجة سلزية من الجزء السفلي للفرن. ويرجع سبب تسمية هذا الفرن بالفرن اللافح إلى هذه اللفحات من الهواء الساخن. يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء سريعًا مع الكربون الصلب الموجود في فحم الكوك، منتجًا غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتصاعد من الفرن. ويزيد هذا التفاعل والتفاعلات الأخرى الطاردة للحرارة درجة حرارة الجزء السفلي من الفرن لتصل إلى ما بين 1500 و2000 درجة سلزية.

وعندما يتصاعد ثاني أكسيد الكربون ويختلط بمزيد من الكربون، يتفاعل لينتج أول أكسيد الكربون. وهذا تفاعل طارد للحرارة أيضًا. يتصاعد أول أكسيد الكربون إلى أعلى الفرن العالي لتنفيذ المهمة الأكثر أهمية، وهي اختزال أكسيد الحديد. يتفاعل أول أكسيد الكربون مع خام الحديد في الجزء العلوي من الفرن العالي أثناء سقوط الخام فيه. ويتفاعل أكسيد الحديد الثلاثي مع أول أكسيد الكربون لينتج الحديد وثاني أكسيد الكربون. ويكون الحديد الناتج في الجزء العلوي صلبًا؛ لأن درجة حرارته لم ترتفع بما يكفي لانصهاره. لكن عندما يصل إلى الجزء السفلي، فإنه ينصهر بالتأكيد. لذا يمكننا اعتبار أن المعادلة الإجمالية هي المعادلة التي تنتج الحديد السائل.

سيتحرك الخام والحديد أسفل العمود، ويبدأ استخلاصهما من الجزء السفلي. وكلما اقتربنا من الجزء السفلي، تكون لدينا كمية أكبر من الحديد وكمية أقل من خام الحديد. ويكون لدينا أيضًا كربونات الكالسيوم من الحجر الجيري التي تتحرك لأسفل، لكنني سأفرغ بعض المساحة لكي نتمكن من الحديث عنها كما ينبغي. عند درجة حرارة 800 درجة تقريبًا، تتفكك كربونات الكالسيوم التي يوفرها الحجر الجيري بسرعة كافية لإنتاج أكسيد الكالسيوم الذي نحتاج إليه. يعد تفكك كربونات الكالسيوم إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكاسيد الكربون تفاعلًا ماصًّا للحرارة. لذا تمتص هذه العملية بعض الحرارة الناتجة عن احتراق فحم الكوك. ويمكن أن يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الزائد الناتج أيضًا مع الكربون لإنتاج المزيد من أول أكسيد الكربون.

في الخطوة التالية، يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السليكون الموجودة في الخام. وهذا يساعد على إبقاء مستويات شوائب السليكون في الحديد منخفضة في النهاية. وسليكات الكالسيوم المتكونة تنصهر عند نفس درجة الحرارة التي ينصهر عندها الحديد تقريبًا. لذا فهي تنصهر في الجزء السفلي. في الجزء السفلي، لدينا طبقة من الحديد المنصهر تغطيها طبقة من الشوائب المنصهرة مثل سليكات الكالسيوم. نسمي هذه الطبقة العليا الخبث. ويصرف الخبث بشكل منفصل عن الحديد المصهور. ويسمى الحديد المنصهر الناتج في هذه العملية حديد الصب.

يظل حديد الصب الناتج من الأفران العالية مشوبًا نسبيًّا، بحوالي أربعة بالمائة من وزنه بالكربون، بالإضافة إلى شوائب أخرى. وبسبب هذا المستوى المرتفع من الكربون يصبح الحديد عند تصلبه قويًّا للغاية، ولكن هشًّا جدًّا. لإنتاج حديد صلب يصلح للاستخدام في الأغراض الإنشائية، يجب إزالة جزء من هذا الكربون. ويمكن فعل ذلك باستخدام طريقة الأكسجين الأساسية. ولكن هذا ليس محور تركيز هذا الفيديو. دعونا بدلًا من ذلك نتناول بعض التدريبات.

أي مادة من المواد الآتية التي توجد داخل الفرن العالي تختزل خام الحديد؟ (أ) ‪CO‬‏، (ب) ‪CO2‬‏، (ج) ‪CaCO3‬‏، (د) ‪H2O‬‏، (هـ) ‪O2‬‏

يستخدم الفرن العالي خليطًا من الهواء الساخن والكربون في صورة فحم الكوك لاختزال خامات الفلزات؛ مثل: خامات الحديد، وخامات الرصاص. في حالة الحديد، يعد الهيماتيت خام الحديد الأكثر استخدامًا، وهو أحد أشكال أكسيد الحديد الثلاثي. ويتضمن اختزال خام الحديد إزالة الأكسجين، وبقاء الحديد.

تتمثل إحدى طرق حل هذا السؤال في تحديد أي من هذه المواد الكيميائية الخمس قادرة على استخلاص الأكسجين من خام الحديد. في هذا السؤال، سأعتبر أن الاختزال هو عملية إزالة الأكسجين من شيء ما. ويمكننا أن نفكر فيها باعتبارها إزالة للإلكترونات، لكن التفكير في إزالة الأكسجين أسهل في هذه الحالة.

باختبار سريع، يمكننا معرفة كيفية استجابة هذه المواد لجزيئات الأكسجين. يتفاعل أول أكسيد الكربون مع الأكسجين ليكون ثاني أكسيد الكربون. لذا، فإن أول أكسيد الكربون قادر على اكتساب المزيد من الأكسجين. ومن ثم، يمكننا اعتبار أول أكسيد الكربون عاملًا مختزلًا فعالًا محتملًا. من ناحية أخرى، لا يتفاعل ثاني أكسيد الكربون بدرجة كبيرة مع الأكسجين. لذا، لا يرجح أن يكون عاملًا مختزلًا فعالًا. وهذا ينطبق على المواد الكيميائية الثلاث الأخرى. فلا تتفاعل كربونات الكالسيوم ولا الماء ولا الأكسجين بسهولة مع المزيد من الأكسجين. يتبقى لدينا بذلك أول أكسيد الكربون. لكن دعونا نتناول الأمر بطريقة أخرى.

لنلق نظرة على دور كل مادة من هذه المواد الكيميائية في الفرن العالي. في الفرن العالي، الدور الأساسي لأول أكسيد الكربون هو اختزال خام الحديد، في حين أن الدور الذي يلعبه ثاني أكسيد الكربون هو التفاعل مع الكربون لتكوين أول أكسيد الكربون. لذا يدخل ثاني أكسيد الكربون في السلسلة التي تنتج العامل الكيميائي الذي يختزل الخام. لكن ثاني أكسيد الكربون لا يختزل الخام بمفرده. تضاف كربونات الكالسيوم، في صورة حجر جيري عادة، إلى الأفران العالية لكي تتفكك وتنتج أكسيد الكالسيوم. ويوجد أكسيد الكالسيوم للتخلص من شوائب ثاني أكسيد السليكون الموجودة في الخام. مقارنة بالمواد الكيميائية الأخرى، من المستبعد وجود ‪H2O‬‏ في الفرن العالي. لكن قد توجد بعض الهيدروكربونات في فحم الكوك، وهي التي تنتج ‪H2O‬‏ عند احتراقها. لكن الماء لا يشارك في عملية اختزال الخام.

لنلق نظرة على الخيار الأخير. الأكسجين عامل مؤكسد جيد، ومن ثم لا يرجح أن يكون عاملًا مختزلًا. في الفرن العالي، يتمثل دوره في التفاعل مع الكربون لتكوين ثاني أكسيد الكربون. وبناء على ذلك، فإجابتنا النهائية بشأن المادة الموجودة داخل الفرن العالي التي تختزل خام الحديد ستكون أول أكسيد الكربون، ‪CO‬‏. ولدينا هنا المعادلة الكيمائية الموزونة لاختزال الهيماتيت أو أكسيد الحديد الثلاثي.

وأخيرًا، فلنلق نظرة على النقاط الرئيسية. يستخلص الحديد من خام الحديد باستخدام الفرن العالي. يخلط فحم الكوك، وخام الحديد، والحجر الجيري، ويضاف الخليط إلى الفرن. يتفاعل فحم الكوك مع الهواء الساخن، منتجًا ثاني أكسيد الكربون الذي يتفاعل مع المزيد من فحم الكوك لإنتاج أول أكسيد الكربون. يختزل أول أكسيد الكربون خام الحديد، مكونًا الحديد الذي ينصهر في الجزء السفلي من الفرن العالي. ويتفكك الحجر الجيري ليكون أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون. يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السليكون، ثم تصرف طبقة الخبث المنصهرة. وبذلك، تتبقى طبقة الحديد المنصهر وهو الناتج.

في هذه العملية، تتجاوز درجة حرارة الجزء السفلي من الفرن العالي 1500 درجة سلزية. تتكون طبقة من الحديد المنصهر مع طبقة من الشوائب المنصهرة نسميها الخبث. في الجزء العلوي من الفرن، تقترب درجة الحرارة من 400 درجة سلزية. وفي الجزء الواقع بينهما، توجد منطقة تصل درجة حرارتها إلى 800 درجة سلزية تقريبًا، وهي المكان الذي تبدأ فيه كربونات الكالسيوم في التفكك.