استخلاص الفلزات

استخلاص الفلزات
الفلزات قليلة النشاط
توجد معظم الفلزات في الطبيعة في الصخور على شكل مركبات ، متحدةً مع غيرها من العناصر .
توجد الفلزات قليلة النشاط والموجودة في أسفل سلسلة النشاط في الطبيعة بشكل منفرد أو حر .
يمكن أن يوجد النحاس والفضة والذهب والبلاتين بشكل حر في الطبيعة.
تحميص الخام
العديد من خامات الفلزات تتألف من أكسيد الفلز وكبريتيده .
أحد خامات النحاس يدعى تشالكوسيت ويحتوي على كبريتيد النحاس (I) .
يمكن الحصول على النحاس من هذا الخام بمجرد تسخينه في الهواء .

انظر إلى المعادلة التالية :


يتم التعامل بحذر مع غاز ثاني أكسيد الكبريت خوفاً من هروبه من الفرن ، وهذا الغاز يسبب تكون المطر الحمضي
فلزات منتصف سلسلة النشاط
يقع الرصاص فوق النحاس في سلسلة النشاط .
يمكن استخلاص الرصاص من خام يحتوي على كبريتيد الرصاص .
تجربة 8 – 1 تحميص كبريتيد الرصاص
تجري التجربة في خزانة أبخرة .
شغِّل مضخة الماء لسحب الهواء المحيط بكبريتيد الرصاص .
سخِّن كبريتيد الرصاص .


ماذا حدث في المحلول الحاوي على كاشف ؟
ماذا يخبرك ذلك عن الغاز الناتج ؟
هل تشاهد تكوّن فلز الرصاص ؟


فلزات منتصف سلسلة النشاط

عندما حمّصنا كبريتيد النحاس (I) حصلنا على نحاس .
عندما حمّصنا كبريتيد الرصاص لم نحصل على رصاص .
وبدلاً منه حصلنا على أكسيد الرصاص وغاز ثاني أكسيد الكبريت .
يجمع غاز ثاني أكسيد الكبريت ويصنع منه حمض الكبريتيك.



يوجد علاقة بين موقع الفلز في سلسلة النشاط وسهولة استخلاصه :



الفلزات النشطة تميل بشدة للارتباط مع اللافلزات . وعند ارتباطها مع اللافلزات تكون مركبات ، ولا ترغب بالعودة مرة أخرى على شكل ذرات حرة .
من جهة أخرى يسهُل استرجاع الفلزات الأقل نشاطاً من مركباتها .

حصلنا في التجربة السابقة على أكسيد الرصاص .
كيف يمكن أن نستخلص الرصاص من أكسيده ؟
هنا يدخل الكربون في القصة .


استخلاص الفلزات بالكربون
الكربون وسلسلة النشاط
الكربون من اللافلزات ، وعلى الرغم من ذلك يمكن وضعه في سلسلة النشاط بين الألومنيوم والخارصين .
وهذا يعني أن الكربون يمكن أن يحل محل أي فلز تحته .
يمكن الحصول على الكربون من الفحم .
الفحم رخيص ومتوفر بكثرة . لذلك يكون استخلاص الفلزات بواسطة الكربون غير مكلف .

تجربة 8 – 2 استخلاص الرصاص والنحاس
امزج مقدار ملعقة من مسحوق الكربون مع نفس المقدار من أكسيد الرصاص .
ضعهما في أنبوب اختبار .
سخن بلطف في البداية ، ثم زد الحرارة .
ابحث عن علامات حدوث تفاعل في الأنبوب .
هل ترى أي أثر لمادة فضية بعد حدوث التفاعل؟
المادة الفضية عبارة عن فلز الرصاص .
أعد نفس التجربة مستخدماً الكربون وأكسيد النحاس .
هل ترى أي أثر لفلز النحاس (مسحوق بني محمّر) ؟
الكربون أكثر نشاطاً من الرصاص ، لذلك يمكن للكربون أن يحل محل الرصاص في أكسيد الرصاص .




الكربون أكثر نشاطاً من الرصاص ، لذلك يمكن للكربون أن يحل محل الرصاص في أكسيد الرصاص .



التأكسد والاختزال
انظر إلى المعادلة السابقة ، فقد أكسيد الرصاص أكسجينه ، لذا نقول أن الرصاص اخْتُزِل .
وفي نفس المعادلة اكتسب الكربون ذلك الأكسجين . لذا نقول أن الكربون تأكسد .


استخلاص الحديد
يُعد الكربون مهماً في استخلاص الحديد .
يستخدم الفرن اللافح لاستخلاص الحديد من خاماته .
يتم تغذية الفرن اللافح بالمواد الأولية من أعلى الفرن .
المواد الأولية هي :
خام الحديد ( أكسيد الحديد III ) .
فحم الكوك ( فحم رخيص ) .
حجر جيري ( للتخلص من الشوائب الرملية ) .

انظر للشكل المجاور :
لماذا سُمي الفرن اللافح بهذا الاسم ؟

استخلاص الحديد
التفاعلات داخل الفرن اللافح :
1. يتفاعل فحم الكوك ( كربون ) مع الأكسجين في الهواء الساخن لإنتاج ثاني أكسيد الكربون .

2. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع مزيد من فحم الكوك الساخن ويعطي غاز أول أكسيد الكربون .



3. يختزل أول أكسيد الكربون أكسيد الحديد وينتج الحديد .


4. يعمل الحجر الجيري على تخليص الحديد من الشوائب الرملية ويحولها إلى خبث سائل تطفو على سطح الحديد المنصهر .
في الخطوة (3) يعمل أول أكسيد الكربون على اختزال أكسيد الحديد إلى حديد ، لذا يسمى عاملاً مختزلاً .
العامل المختزل يسحب الأكسجين من المادة الأخرى .


ولأن درجة الحرارة عالية داخل الفرن ، يتحول الحديد إلى مصهور ( سائل ) ويتجمع في قاع الفرن ، يسحب بعدها إلى خارج الفرن .
يتجمع الخبث السائل على سطح الحديد المنصهر ويسحب أيضاً خارج الفرن ويستخدم في تعبيد الطرق .

يحوَّل الحديد إلى فولاذ بإمرار تيار من الأكسجين فيحرق الكربون والشوائب اللافلزية الأخرى.



تحويل الحديد إلى فولاذ
الحديد الناتج من الفرن اللافح غير نقي ، فهو يحتوي على 3 – 4% كربون وبعض اللافلزات الأخرى .
الحديد الناتج هش وينسحق بسهولة .
يحول معظم الحديد الناتج إلى فولاذ الذي يمتاز بالصلابة .
يتكون الفولاذ بشكل رئيس من حديد (أكثر من 98%) وكميات قليلة من الكربون . وتضاف أحياناً فلزات أخرى .

هنالك خطوتان رئيستان يتم تحويل الحديد من خلالهما إلى فولاذ :

1- إزالة الكربون :
يضخ الأكسجين خلال الحديد المصهور ، فيحترق الكربون ويتحول إلى غاز ثاني أكسيد الكربون .


2- إضافة فلزات أخرى :

تضاف كميات قليلة من فلزات أخرى لإكساب الفولاذ صفات مميزة . فعلى سبيل المثال يمكن تحضير فولاذ مقاوم للصدأ (Stainless Steel) بإضافة القليل من الكروم والنيكل . وذلك يجعل الفولاذ مقاوماً للصدأ ، ويستخدم في أدوات المطبخ.
تآكل الحديد
يسبب صدأ الحديد خسائر بملايين الدولارات سنوياً .
يتكون الصدأ على سطح الحديد ( أو الفولاذ ) .
لسوء الحظ تكون طبقة الصدأ هشة ، سرعان ما تسقط عن سطح الحديد مما يسبب استمرار تآكل الحديد وتكوين مزيد من صدأ الحديد .
تجربة 8 – 3 ما الذي يسبب صدأ الحديد

جهز أنابيب الاختبار الموضحة جانباً . الأنبوب ( أ ) لدراسة أثر الهواء في عملية الصدأ . الأنبوب (ب) لدراسة أثر الماء في عملية الصدأ . الأنبوب (ج) لدراسة أثر الهواء والماء في عملية الصدأ .
اترك الأنابيب لمدة أسبوع .
ماذا ترى في كل أنبوب ؟

يتكون الصدأ من أكسيد الحديد (III) مرتبطاً بعدد من جزيئات الماء .
لذا يُسمى صدأ الحديد أكسيد الحديد (III) المائي .


تآكل الحديد
تجربة 8 – 4 زيادة سرعة الصدأ

جهِّز أنبوبي الاختبار الموضحين جانباً .
اترك الأنبوبين لمدة أسبوع .
في أي الأنبوبين ازداد الصدأ ؟
يزيد الملح من سرعة صدأ الحديد .

أصحاب السيارات الذين يعيشون بالقرب من البحر عليهم أن يغسلوا سياراتهم بشكل منتظم . لماذا؟
لماذا تزداد مشكلتهم تفاقماً في الشتاء ؟
ماذا علينا أن نفعل للتقليل من مشكة الصدأ ؟
الحماية من الصدأ
تعلم بأنه لكي يحدث الصدأ ، يجب توفر الماء والهواء .
لحماية الحديد من الصدأ ، علينا أن نبعده عنهما .

لعمل ذلك علينا تغطية الحديد أو الفولاذ بـِ :

1- دهان .
2- زيت أو شحم .
3- بلاستيك .
4- فلز أقل منه نشاطاً .
5- فلز أكثر منه نشاطاً .


تجربة 8 – 5
رتب أنابيب الاختبار المبينة جانباً .
الأنبوب ( أ ) لدراسة أثر الدهان في وقف الصدأ .
الأنبوب (ب) لدراسة أثر الشحم في وقف الصدأ .
الأنبوب (ج) لمقارنة الأنبوبين ( أ ) و (ب) به .
اترك الأنابيب لمدة أسبوع .
ماذا ترى في كل أنبوب ؟

جميع الطرق السابقة تعمل على إيقاف الصدأ .
إلا أن الصدأ يحدث إذا حدث خدش في مادة التغطية .
ولكن الصدأ لا يحدث إذا تم تغطية الحديد بفلز أنشط ، حتى لو حدث خدش فيه.
يستخدم الخارصين عادة لحماية الحديد من الصدأ .
يسمى الحديد المغطى بالخارصين حديد مغلفن لذلك فإن الماء والهواء يهاجمان الخارصين ولا يهاجمان الحديد . لماذا ؟
ارجع إلى سلسلة النشاط للإجابة على ذلك .
ويمكن استخدام المغنيسيوم بدلاً من الخارصين .


استخدامات الفولاذ
يعد الفولاذ من أكثر المواد استخداماً وبخاصة في أعمال البناء .
تستخدم قضبان الفولاذ مع الإسمنت لإنشاء المباني .
كما تستخدم أنابيب الفولاذ كسقالات في أعمال البناء .

أنواع الفولاذ
يتألف الفولاذ كما درست سابقاً بشكل رئيس من الحديد .
كما يحتوي على كميات ضئيلة من الكربون ، وهذه الكميات الضئيلة من الكربون تؤثر في خصائص الفولاذ.


انظر إلى الجدول التالي :
نوع الفولاذ نسبة الكربون الصلابة الاستخدامات

الفولاذ منخفض الكربون 0.2% قابل للتشكيل بسهولة أجسام السيارات، الأسلاك،
الأنابيب،الدراجات

الفولاذ المتوسط 0.3- 0.6 % صلب النوابض، الجسور.

الفولاذ عالي الكربون 0.6 - 1.5 % صلب جداً المقادح، المطارق.
ماذا يحدث لصلابة الفولاذ عند زيادة نسبة الكربون ؟
لماذا يستخدم الفولاذ منخفض الكربون في صناعة أجسام السيارات ؟

سبائك الفولاذ
يمكنك تغيير صفات الفولاذ بإضافة كميات قليلة من فلزات أخرى .
على سبيل المثال ، إضافة التنجستن للفولاذ يجعله قاسياً جداً ، حتى في درجات الحرارة العالية .
تستخدم السبيكة الناتجة في آلات القطع عالية السرعة .
يدعى مزيج الفلزات "سبائك" .

منع الصدأ
الحديد والفولاذ لسوء الحظ يصدءان .
على كل حال ، لدينا عدة وسائل لمقاومة الصدأ .
إذا أضيف الكروم والنيكل إلى الفولاذ نحصل على سبيكة مقاومة للصدأ (Stainless Steel) .
الفولاذ المقاوم للصدأ مكلف ، لذلك فهو يستخدم في الأشياء الصغيرة مثل السكاكين وأدوات الجراحة .
لماذا لا تصنع السيارات من الفولاذ المقاوم للصدأ ؟







استخدام الكهرباء للحماية من الصدأ !


وجد العلماء طريقة لإيقاف الصدأ ، وخاصة في أجسام البواخر ومنصات استخراج النفط في البحر .
تتمثل الطريقة في إمرار تيار صغير من الكهرباء خلال الفولاذ ، فيحميه من الصدأ .
الفلزات عالية النشاط
يصعب استخلاص الفلزات عالية النشاط من خاماتها . ويرجع ذلك لوجودها على شكل مركبات مستقرة .
استخلاصها بالكربون لا يجدي نفعاً ، لأنه يقع أسفلها في سلسلة النشاط.
لذلك لا يستطيع الكربون أن يحل محلها في مركباتها .
على أي حال هنالك طريقة لاستخلاص هذه الفلزات ، الطريقة تدعى التحليل الكهربائي





تتم الطريقة بخطوتين :
1- إصهر المركب الحاوي على الفلز المطلوب استخلاصه .
2- مرر تياراً كهربائياً خلاله .
كلا الخطوتين تحتاجان لطاقة عالية .
لذلك كلما زاد نشاط الفلز زادت صعوبة استخلاصه .
في الفصل القادم ستتعرف على تفاصيل هذه الطريقة .


الخلاصة :

تعتمد طريقة استخلاص الفلز من خاماته على موقعه في سلسلة النشاط .
كلما زاد نشاط الفلز ازدادت صعوبة استخلاصه .
انظر إلى قائمة الفلزات التالية :