الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على كتابة المعادلات الرئيسية لاستخلاص الحديد في الفرن اللافح، وحساب كتل المواد المتفاعلة والناتجة.
شرح الدرس
يُستخلص الحديد صناعياً من خامه الرئيسي (أكسيد الحديد الثلاثي Fe₂O₃) في الفرن اللافح، من خلال سلسلة من التفاعلات:
1) احتراق فحم الكوك: C + O₂ → CO₂ (يوفر الحرارة اللازمة للعملية).
2) اختزال ثاني أكسيد الكربون بالكوك الزائد: CO₂ + C → 2CO (يُنتج غاز أول أكسيد الكربون، وهو العامل المختزل الرئيسي).
3) التفاعل الرئيسي لاختزال خام الحديد: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
4) تحلل الحجر الجيري (يُضاف لإزالة الشوائب): CaCO₃ → CaO + CO₂، ثم يتفاعل أكسيد الكالسيوم الناتج مع شوائب السيليكا (الرمل) مكوّناً الخبث: CaO + SiO₂ → CaSiO₃، الذي يُفصل بسهولة عن الحديد المنصهر لاختلاف كثافتيهما.
أسئلة تدريبية
1. احسب عدد مولات الحديد Fe الناتجة عن اختزال 1 مول من Fe₂O₃ بالكامل وفق المعادلة Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
عرض الإجابة
وفق النسبة المولية في المعادلة الموزونة، كل 1 مول Fe₂O₃ ينتج 2 مول Fe.
2. احسب كتلة الحديد الناتجة نظرياً من اختزال 160 جرام من Fe₂O₃ بالكامل. (الكتلة المولية لـ Fe₂O₃ = 160 جم/مول، وللحديد Fe = 56 جم/مول)
عرض الإجابة
عدد مولات Fe₂O₃ = 160/160 = 1 مول؛ ينتج 2 مول Fe (من النسبة المولية 1:2)؛ كتلة Fe = 2×56 = 112 جرام.
3. في التفاعل CO₂ + C → 2CO، ما الدور الذي يلعبه فحم الكوك الزائد C في هذه الخطوة تحديداً؟
عرض الإجابة
يعمل الكوك الزائد كعامل مختزل لثاني أكسيد الكربون CO₂ الناتج من الاحتراق، محوّلاً إياه إلى أول أكسيد الكربون CO، وهو الغاز الذي يقوم فعلياً باختزال خام الحديد في الخطوة التالية.
4. لماذا يُعد أول أكسيد الكربون CO (وليس فحم الكوك الصلب C مباشرة) هو العامل المختزل الرئيسي لخام الحديد Fe₂O₃ في الفرن اللافح؟
عرض الإجابة
لأن الغاز CO يمكنه الاختلاط بكفاءة أكبر بكثير مع خام الحديد الصلب داخل الفرن (تلامس أوسع بين الغاز والصلب)، بخلاف التلامس المحدود والأبطأ بين قطع الكوك الصلبة وقطع الخام الصلبة مباشرة.
5. احسب كتلة CO اللازمة نظرياً لاختزال 320 جرام من Fe₂O₃ بالكامل وفق Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. (الكتلة المولية لـ Fe₂O₃=160 جم/مول، وCO=28 جم/مول)
عرض الإجابة
عدد مولات Fe₂O₃ = 320/160 = 2 مول؛ يلزم 3×2=6 مول CO (من النسبة المولية 1:3)؛ كتلة CO = 6×28 = 168 جرام.
6. لماذا يُضاف الحجر الجيري CaCO₃ تحديداً إلى الفرن اللافح، رغم أنه لا يشارك مباشرة في اختزال خام الحديد؟
عرض الإجابة
يُضاف لإزالة الشوائب (خاصة السيليكا SiO₂) الموجودة في الخام الخام؛ فيتحلل الحجر الجيري بالحرارة منتجاً أكسيد الكالسيوم CaO، الذي يتفاعل بدوره مع السيليكا مكوّناً الخبث CaSiO₃، الذي يُفصل بسهولة عن الحديد المنصهر.
7. اكتب معادلة تحلل الحجر الجيري بالحرارة، وحدد نوع هذا التفاعل.
عرض الإجابة
CaCO₃ → CaO + CO₂؛ وهو تفاعل تفكك حراري (تحلل حراري لمركب واحد إلى ناتجين).
8. لماذا يمكن فصل الخبث CaSiO₃ بسهولة عن الحديد المنصهر داخل الفرن اللافح؟
عرض الإجابة
لأن كثافة الخبث المنصهر أقل بكثير من كثافة الحديد المنصهر، فيطفو الخبث فوق طبقة الحديد المنصهر، مما يسمح بتصريفه وفصله بسهولة عن الحديد من فتحة منفصلة في الفرن.
9. احسب عدد مولات CO₂ الناتجة عن اختزال 5 مولات من Fe₂O₃ بالكامل وفق Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
عرض الإجابة
وفق النسبة المولية 1:3 بين Fe₂O₃ وCO₂ الناتج، فإن 5 مول Fe₂O₃ تنتج 5×3=15 مول CO₂.
10. ما الغرض الأساسي من احتراق فحم الكوك (C + O₂ → CO₂) كخطوة أولى في عملية الفرن اللافح؟
عرض الإجابة
توفير الحرارة اللازمة لتشغيل الفرن ورفع درجة حرارته إلى المستوى المطلوب لحدوث التفاعلات اللاحقة (تحلل الحجر الجيري، واختزال خام الحديد بواسطة CO).
11. احسب كتلة Fe₂O₃ اللازمة نظرياً لإنتاج 560 كجم من الحديد. (الكتلة المولية لـ Fe₂O₃=160 جم/مول، وFe=56 جم/مول)
عرض الإجابة
عدد مولات Fe المطلوبة = 560000/56 = 10000 مول؛ عدد مولات Fe₂O₃ اللازمة = 10000/2 = 5000 مول (من النسبة المولية 1:2)؛ كتلة Fe₂O₃ = 5000×160 = 800000 جرام = 800 كجم.
12. رتّب الخطوات الأربع الرئيسية لعملية استخلاص الحديد في الفرن اللافح بالترتيب المنطقي الصحيح، مع ذكر الغرض المختصر من كل خطوة.
عرض الإجابة
(1) احتراق الكوك لتوفير الحرارة؛ (2) اختزال CO₂ بالكوك الزائد لإنتاج غاز CO المختزل؛ (3) اختزال خام الحديد Fe₂O₃ بواسطة CO لإنتاج الحديد المنصهر؛ (4) تحلل الحجر الجيري وتفاعله مع السيليكا لتكوين الخبث وإزالة الشوائب.