استخلاص الحديد ( Fe )

الحديد ( Fe ) :

الموقع : يقع الحديد في الدورة الرابعة في السلسلة الإنتقاليةالأولى في المجموعة الثامنة الإنتقالية .

علل : يعتبر الحديد من أكثر الفلزات الإنتقاليةأستخداما ؟

ü      وذلك لوفرته النسبية وسهولة إستخلاصه من خاماته .

علل : يتم إضافة كميات قليلة من الكربون وبعض الفلزات الى الحديد النقي ؟

ü      وذلك للحصول على سبائك الفولاذ القوية ( لان الحديد النقي ليس قاسيا جدا ) .

خامات الحديد :

علل لما ياتي:

1-     جميع خامات الحديد لا تتفق في خواصها ؟

ü      نظرا لاختلافها في التركيب الكيميائي والمعدني .

2-     تختلف أنواع الحديد ( الزهر , الصلب , المطاوع )  في خواصها ؟

ü      بسبب إختلافها في نسبة الكربون والشوائب الأخرى .

هناك عدة أنواع من الخامات  في الطبيعة التي تعتبر مصدرا رئيسيا للحصول على الحديد منها .

جدول : يوضح أهم خامات الحديد

وجه المقارنة	أكسيد الحديد المغناطيسي	أكسيد الحديد اللامائي	أكسيد الحديد المائي
اللون	رمادي مائل للسواد	أحمر	أصفر
التسمية	الماجنيتايت	الهيماتيت	اللليمونايت
الرمز	Fe3O4  أو   ( FeO , Fe2O3)	Fe2O3	Fe2O3 .nH2O
عدد تأكسد الحديد فيه	+2  , +3	+3	+3
نسبة الحديد في الخام	40 – 70 %	45 – 50%	نسبة الحديد 57,14 % نسبة الماء 25,53 %

توجد خامات أخرى للحديد مثل البيريت رمزه  FeS₂, خامة أخرى تسمى السيدريت ورمزه   FeCO₃

علل لما يأتي :

1-     لا يحضر الحديد من الماجنتيت بالرغم من ارتفاع نسبة الحديد فيه ؟

ü      وذلك لأن عملية اختزاله ليست سهلة .

2-     استخراج الحديد من الهيماتيت يعد إقتصاديا ؟

ü      بسبب سهولة إستخلاصه من خاماته

تعدين الحديد : هي عملية إستخلاص الحديد من خاماته باستخدام الفرن اللافح

ý     يستخلص الحديد من خاماته بعملية تسمى الإختزال

علل : يستخلص الحديد من خاماته بعملية الإختزال بواسطة الفرن اللافح وليس بالتحليل الكهربي ؟

ü      وذلك لسهولة إختزال أيوناته بالعوامل المختزلةولان جهد أختزاله أعلى من جهد الفلزات النشطة ( الصوديوم والالومنيوم ) والتي تختزل خاماتها بالتحليل الكهربي وأقل من جهد إختزال الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية.

الفرن اللافح : هو بناء رأسي كبير من الصلب يبطن بالطوب الحراري ؟    علل

ü      لكي يتحمل درجة الحرارة العالية دون أن ينصهر .

عملية إختزال الحديد في الفرن اللافح ( العالي ) :

1-     يضاف إلى الفرنمن الفتحة العلوية مزيج من الخامات تسمى الشحنة  .

2-     يدفع إلى داخل الفرن هواء ساخن مضغوظ أو أكسجين نقي .

3-     يتفاعل الأكسجين مع فحم الكوك مكونا غاز ثاني أكسيد الكربون

                                                                 C     +    O₂      →  CO₂  ∆H = -394 Kj/ mole

ونتيجة لهذا التفاعل تنطلق كمية كبيرة من الحرارة ( أسفل الفرن ) تؤدي الى رفع درجة الحرارة الى ما يقارب  1900مْ .

4-     يختزل فحم الكوك غاز ثاني أكسيد الكربون في وسط الفرن إلى غاز أول أكسيد الكربون وهو العامل المختزل الأساسي في الفرن

                                                     C      +    CO₂          →        2CO    ∆H = +173  KJ/mole

المعادلات الكيميائية لعملية إختزال خام الحديد في الفرن :

يتم إختزال خام الحديد الهيماتيتFe₂O₃  بواسطة غاز أول أكسيد الكربون على مراحل تعتمد على درجة الحرارة كما يلي :

                                                                    3Fe₂O₃         +      CO          →     2Fe₃O₄    +   CO₂↑ 

                                                                  Fe₃O₄       +        CO            →     3FeO      +      CO₂↑

                                                                   FeO         +         CO          →     Fe       +       CO₂↑ 

الحجر الجيري    CaCO3    الجير الحي  ( أكسيد قاعدي )          CaO العامل المختزل الفعال في الفرن        CO

سؤال : ما الدور الذي يقوم به الحجر الجيري  CaCO₃ في الفرن اللافح ؟

الجواب : يزود الفرن بوسط قاعدي تتفاعل معه الأكاسيد الحامضية مثل SiO₂ , P₂O₅ أو الأكاسيد الأمفوتيرية مثل Al₂O₃مكونا الخبث .

§         يتفكك الحجر الجيري عند درجات الحرارة المرتفعة إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون , كما في المعادلة ألآتية :

                                                                             CaCO₃         →       CaO   +   CO₂↑

§         يتحد أكسيد الكالسيوم مع الأكاسيد الحامضية و الأكاسيد الأمفوتيرية مكونا الخبث كما في المعادلات الآتية :

                                                        CaO    +     SiO₂     →         CaSiO₃

                                                       3CaO   +   P₂O₅        →      Ca₃(PO₄)₂

                                                       CaO     +   Al₂O₃        →     Ca(AlO₂)                                

تعريفات :

v     الشحنة : هي خليط من المواد المتفاعلة التي تضاف من الفتحة العلوية للفرن  ( خام الحديد +  فحم الكوك + الحجر الجيري ) .

v     الخبث : هو ناتج ثانوي من الفرن عند استخلاص الحديد ويستخدم في صناعة الإسمنت .

        أو الخبث: هو طبقة هشة تطفو فوق مصهور الحديد  في الفرن اللافح ويستخدم في صناعة الإسمنت .

v     الحديد الفضي : هو الحديد السائل الذي يتم سحبه من الفرن العالي . ويتكون من  95 % حديد , 4% من الكربون , مع بعض الكميات الضئيلة من السليكون والمنجنيز والكبريت والفوسفور  .

سؤال : ما الدور الذي يقوم به كل مما يلي في الفرن اللافح ؟

أول أكسيد الكربون : هو العامل المختزل الفعال في الفرن يختزل خام الهيماتيت الى فلز الحديد .

الخبث : يطفو فوق سطح مصهور الحديد ويحميه من الأكسدة .

فحم الكوك : يتفاعل مع الأكسجين مكونا ثاني أكسيد الكربون ثم يختزله الى أول أكسيد الكربون ( العامل المختزل الأساسي في الفرن ).