القائمة الرئيسية

الباب الأول - الدرس 4: اختزال الحديد وتصنيع السبائك

العامل المختزل (أول أكسيد الكربون / الغاز المائي)، التفاعلات الكيميائية، وإنتاج الحديد الصلب - شرح تفاعلي أكاديمي مدعوم بالمفردات الناطقة وبنك أسئلة تقييمي فوري.

71 مشاهدة آخر تحديث: 18 أكتوبر 2026
الباب الأول - الدرس 4: اختزال الحديد وتصنيع السبائك
المحطة 1 من 5 فكّر واستعد: انطلاقة التعلم والأهداف
الكيمياء - الصف الثالث الثانوي الباب الأول: العناصر الانتقالية

الباب الأول - الدرس 4: أفران اختزال خام الحديد (الفرن العالي وفرن مدركس) وإنتاج الصلب وتصنيف السبائك

انقر على أي جملة للاستماع إليها مباشرة 👆

تُمثّل مرحلة اختزال خام الحديد القفزة التكنولوجية الكبرى لتحويل خامات الهيماتيت المؤكسدة إلى فلز الحديد الصافي والصلب الصناعي وفق معايير الجودة المعتمدة. يعتمد الفرن العالي (Blast Furnace) على فحم الكوك كمصدر للطاقة ولتوليد الغاز المختزل وهو غاز أول أكسيد الكربون (CO)، حيث يختزل الهيماتيت عند درجات حرارة تتجاوز 700°C لينتج الحديد الغفل (Pig Iron). وفي المقابل، يعتمد فرن مدركس (Midrex Furnace) الحديث على الغاز الطبيعي (الميثان CH4) لإنتاج الغاز المائي (خليط أول أكسيد الكربون والهيدروجين CO + H2) في دورة غازية مغلقة ومستدامة بيئياً لإنتاج الحديد الإسفنجي عالي النقاوة. ويلي ذلك إنتاج الصلب عبر المحولات الأكسجينية والكهربائية، وتصنيع السبائك بأنواعها الثلاثة: السبائك البينية (كالحديد والصلب بتداخل ذرات الكربون في المسافات البينية لمنع انزلاق الطبقات)، والسبائك الاستبدالية (كالصلب الذي لا يصدأ Fe-Cr والنحاس والذهب لتقارب أنصاف الأقطار)، والسبائك بين الفلزية (كالسيمنتيت Fe3C والدورالومين ذات الروابط الكيميائية الصلبة التي لا تخضع لقوانين التكافؤ التقليدية).

المحطة 2 شرح الدرس والمفاهيم الأساسية

1. مقارنة شاملة بين أفران اختزال الحديد

وجه المقارنةالفرن العالي (Blast Furnace)فرن مدركس (Midrex)
المصدر الأساسي فحم الكوك (C) الغاز الطبيعي الميثان (CH₄)
العامل المختزل غاز أول أكسيد الكربون CO الغاز المائي (CO + H₂)
معادلة تحضير الغاز C + O₂ ──> CO₂
CO₂ + C ──> 2CO
2CH₄ + CO₂ + H₂O ──> 3CO + 5H₂
معادلة الاختزال Fe₂O₃ + 3CO ──(>700°C)──> 2Fe + 3CO₂ 2Fe₂O₃ + 3CO + 3H₂ ──> 4Fe + 3CO₂ + 3H₂O
نوع الحديد الناتج الحديد الغفل الحديد الإسفنجي

2. أنواع السبائك وخصائصها الهندسية

  • 1. السبيكة البينية (Interstitial):
    تدخل ذرات فلز أصغر حجماً (مثل الكربون C) في المسافات البينية للشبكة البلورية للفلز الأصلي (الحديد Fe)، مما يعوق انزلاق طبقات الذرات فوق بعضها عند الطرق، فتزداد صلابته وتتغير خواصه المغناطيسية والكهربية.
  • 2. السبيكة الاستبدالية (Substitutional):
    تستبدل بعض ذرات الفلز الأصلي بذرات فلز آخر له نفس القطر والشكل البلوري والخواص الكيميائية.
    أمثلة: سبيكة الحديد والكروم (الصلب الذي لا يصدأ Stainless Steel)، سبيكة الذهب والنحاس، سبيكة الحديد والنيكل.
  • 3. السبيكة بين الفلزية (Intermetallic):
    تتحد العناصر المكونة لها اتحاداً كيميائياً فتتكون مركبات كيميائية صلبة جديدة لا تخضع صيغتها الكيميائية لقوانين التكافؤ المعروفة، وتقع عناصرها في مجموعات مختلفة بالجدول الدوري.
    أمثلة: السيمنتيت (Fe₃C)، وسبيكة الدورالومين (Al-Ni و Al-Cu)، وسبيكة الرصاص والذهب (Au₂Pb).

3. إنتاج الحديد الصلب والأفران المستخدمة

تعتمد صناعة الصلب على مرحلتين أساسيتين: التخلص من الشوائب المتبقية في الحديد الناتج من أفران الاختزال، ثم إضافة عناصر أخرى بنسب دقيقة لإكساب الصلب خواصاً ميكانيكية مطلوبة. وتتم عملية إنتاج الصلب في أحد ثلاثة أفران متطورة: المحول الأكسجيني، أو الفرن المفتوح، أو الفرن الكهربي.

المحطة 3 التطبيقات والأنشطة العملية
تمرين 1: دورة الغازات في فرن مدركس

المسألة: فسر علمياً: تعتبر دورة الغازات في فرن مدركس دورة مغلقة صديقة للبيئة واقتصادية.

خطوات الحل:
• الغازات الخارجة من أعلى فرن مدركس هي CO₂ وبخار الماء H₂O الناتجة من اختزال الهيماتيت.
• يتم سحب هذه الغازات وتمريرها على المحول مع غاز الميثان الطبيعي CH₄.
• يعاد تحويلها بالكامل إلى غاز مائي (CO + H₂) ليعود للفرن مرة أخرى دون انبعاثات ملوثة للجو.
تمرين 2: التمييز بين سبيكة بينية وبين فلزية

المسألة: كيف تميز عملياً بين سبيكة الحديد والكربون البينية (الحديد الصلب) وسبيكة الحديد والكربون بين الفلزية (السيمنتيت Fe₃C)؟

خطوات الحل:
• بإضافة حمض هيدروكلوريك مخفف (HCl) إلى كل منهما:
• في السبيكة البينية: يذوب الحديد ويتصاعد غاز الهيدروجين ويتخلف الكربون كراسب أسود غير ذائب.
• في سبيكة السيمنتيت Fe₃C: تتفاعل السبيكة ويتصاعد خليط من الهيدروكربونات ذات الرائحة الكريهة ولا يتخلف راسب كربون أسود.
تمرين 3: شروط السبيكة الاستبدالية

المسألة: ما هي الشروط الثلاثة الواجب توافرها في الفلزين لتكوين سبيكة استبدالية؟

خطوات الحل:
• أن يكون للفلزين نفس القطر الذري (أنصاف أقطار متقاربة جداً).
• أن يكون للفلزين نفس الشكل الشبكي البلوري.
• أن يتشابه الفلزان في الخواص الكيميائية العامة.
تمرين 4: فحم الكوك وأهميته بالفرن العالي

المسألة: وضح بالمعادلات الكيميائية دور فحم الكوك في الفرن العالي كوقود وكمصدر للعامل المختزل.

خطوات الحل:
• احتراق فحم الكوك لإنتاج الحرارة وغاز ثاني أكسيد الكربون:
C + O₂ ──Δ──> CO₂
• اختزال ثاني أكسيد الكربون بفائض فحم الكوك لتوليد العامل المختزل (CO):
CO₂ + C ──Δ──> 2CO
تمرين 5: إثبات عدم خضوع السيمنتيت للتكافؤ

المسألة: بين لماذا تعتبر سبيكة السيمنتيت Fe₃C مركباً لا يخضع لقوانين التكافؤ الكيميائي التقليدي.

خطوات الحل:
• التكافؤ الشائع للكربون رباعي (4) وللحديد ثنائي أو ثلاثي (2 أو 3).
• لو خضع للتكافؤ لكانت الصيغة Fe₂C أو Fe₄C₃.
• الصيغة الفعلية هي Fe₃C وتنشأ عن روابط كيميائية فلزية خاصة لا تخضع لقوانين التكافؤ العادية.
تمرين 6: سبيكة النحاس الأصفر وطريقة تحضيرها

المسألة: ما هي مكونات سبيكة النحاس الأصفر؟ وما هي الطريقة الصناعية الدقيقة المستخدمة في تغطية المقابض الحديدية بها؟

خطوات الحل:
• سبيكة النحاس الأصفر تتكون من: النحاس والخارصين (Cu + Zn).
• تحضر بطريقة الترسيب الكهربي (Electroplating) من محلول إلكتروليتي يحتوي على أيونات النحاس الثنائية وأيونات الخارصين معاً.
تمرين 7: أثر الطرق على الفلز النقي والسبيكة البينية

المسألة: ماذا يحدث عند الطرق على فلز نقي؟ وكيف تعالج السبيكة البينية هذا التأثير؟

خطوات الحل:
• في الفلز النقي: تنزلق طبقات الذرات فوق بعضها بسهولة، فيكون الفلز ليناً وقابلاً للتشكل.
• في السبيكة البينية: وجود ذرات الكربون في المسافات البينية يمنع انزلاق الطبقات ويزيد من صلابة الفلز ومقاومته للتشوه.
تمرين 8: سبيكة الدورالومين

المسألة: اذكر التركيب الكيميائي لسبيكة الدورالومين وصنف نوعها الكيميائي.

خطوات الحل:
• التركيب: تتكون من الألومنيوم مع النيكل (Al-Ni) أو الألومنيوم مع النحاس (Al-Cu).
• التصنيف: سبيكة بين فلزية (Intermetallic) تتحد عناصرها كيميائياً وتتميز بصلابتها ومقاومتها العالية.
المحطة 4 قاموس المفردات والمصطلحات الناطق

اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:

الفرن العالي
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
فرن اختزال يستخدم فحم الكوك لإنتاج أول أكسيد الكربون CO واختزال الهيماتيت
💡 إضاءة وتوضيح: Blast Furnace
فرن مدركس
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
فرن اختزال حديث يستخدم الغاز الطبيعي لإنتاج الغاز المائي (CO + H₂) في دورة مغلقة
💡 إضاءة وتوضيح: Midrex Furnace
الغاز المائي
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
خليط من غازي أول أكسيد الكربون والهيدروجين (CO + H₂) وهو العامل المختزل بمدركس
💡 إضاءة وتوضيح: Water Gas
الحديد الغفل (Pig Iron)
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
الحديد الخام الناتج من الفرن العالي ويحتوي على نسبة شوائب كربونية
💡 إضاءة وتوضيح: الحديد التمساح
الحديد الإسفنجي
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
حديد عالي النقاوة مسامي البنية ينتج من اختزال الهيماتيت داخل فرن مدركس
💡 إضاءة وتوضيح: Sponge Iron
السبيكة البينية
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سبيكة تتداخل فيها ذرات كربون صغيرة في المسافات البينية لذرات الحديد لمنع الانزلاق
💡 إضاءة وتوضيح: الحديد الصلب
السبيكة الاستبدالية
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سبيكة تستبدل فيها ذرات الفلز الأصلي بذرات فلز آخر متقارب في القطر والشكل
💡 إضاءة وتوضيح: الصلب الذي لا يصدأ
السبيكة بين الفلزية
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سبيكة تتحد عناصرها كيميائياً ولا تخضع صيغتها لقوانين التكافؤ مثل السيمنتيت
💡 إضاءة وتوضيح: Intermetallic
السيمنتيت (Fe₃C)
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
مركب صلب كربيدي ينتج عن اتحاد كيميائي بين الحديد والكربون
💡 إضاءة وتوضيح: Fe₃C
الدورالومين
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سبيكة بين فلزية تتكون من الألومنيوم والنيكل أو الألومنيوم والنحاس
💡 إضاءة وتوضيح: Duralumin
المحول الأكسجيني
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
جهاز صناعي ينفخ فيه الأكسجين النقي لأكسدة الشوائب وإنتاج الحديد الصلب
💡 إضاءة وتوضيح: Basic Oxygen Furnace
النحاس الأصفر
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سبيكة مكونة من النحاس والخارصين (Cu-Zn) تحضر بالترسيب الكهربي للمقابض
💡 إضاءة وتوضيح: Brass
الصلب الذي لا يصدأ
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سبيكة استبدالية من الحديد والكروم (Fe-Cr) تقاوم الصدأ تماماً
💡 إضاءة وتوضيح: Stainless Steel
انزلاق الطبقات الذرية
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
حركة ميكانيكية لطبقات الذرات في الفلز النقي عند الطرق يتم منعها بالسبيكة البينية
💡 إضاءة وتوضيح: Slip Planes
المحطة 5 بنك الأسئلة والتقييم الذكي الفوري

اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً:

1 العامل المختزل الفعلي في الفرن العالي هو غاز:
2 العامل المختزل المستخدم في فرن مدركس هو:
3 سبيكة الصلب الذي لا يصدأ (Stainless Steel) تتكون من عنصري الحديد والكروم، وتصنف بأنها سبيكة:
4 سبيكة السيمنتيت صيغتها الكيميائية Fe₃C، وتعتبر مثالاً نموذجياً للسبائك:
5 عند الطرق على قطعة من فلز الحديد النقي، فإن طبقات الذرات تنزلق فوق بعضها، ولكن عند إدخال ذرات الكربون في المسافات البينية للحديد:
6 سبيكة الدورالومين تتكون من عنصري:
7 تغطية المقابض الحديدية بطبقة من سبيكة النحاس الأصفر (النحاس والخارصين) تتم صناعياً عن طريق عملية:
8 جميع الأفران الآتية تستخدم في مرحلة إنتاج الحديد الصلب ما عدا:
أحسنت يا بطل! اكتملت محطات الدرس بنجاح.

أكملت دراسة هذا الدرس؟

احفظ إنجازك الآن لإضافة 5 نقاط تميز إلى رصيدك وتسجيل الدرس في لوحة إحصائياتك!