از سنگِ معدن تا آهن
در درسِ پیش دیدیم که در سنگِ آهن، آهن با اکسیژن ترکیب شده است. اگر سنگ را فقط ذوب کنیم، باز هم همان ترکیب را داریم، فقط مایع. پس چطور می‌شود آهن را از اکسیژن جدا کرد؟
کربن، اکسیژن را می‌رباید
راهی که آدم‌ها بیش از سه هزار سال پیش پیدا کردند، این بود: سنگِ آهن را همراهِ زغال در آتشی بسیار داغ بگذارند. کربنِ زغال اکسیژن را بیشتر از آهن «دوست دارد». در گرمای زیاد، ذره‌های اکسیژن از آهن جدا می‌شوند و با کربن ترکیب می‌شوند و گازِ کربن‌دی‌اکسید می‌سازند. آنچه می‌ماند، آهن است.
این یک تغییرِ شیمیایی است: موادِ اولیه از بین می‌روند و موادِ تازه ساخته می‌شوند. می‌توانیم آن را این‌طور بنویسیم:
اکسیدِ آهن + کربن ← آهن + کربن‌دی‌اکسید
کوره‌ی بلند
امروز این کار در کارخانه‌های ذوبِ آهن و در کوره‌ی بلند انجام می‌شود؛ برجی به بلندیِ یک ساختمانِ ده‌طبقه. از بالای کوره سنگِ آهن، کُک (زغالی که از زغال‌سنگ می‌سازند) و سنگِ آهک می‌ریزند. از پایین هوای بسیار داغ می‌دمند. کُک می‌سوزد، دمای کوره به بیش از هزار و پانصد درجه می‌رسد، و کربن اکسیژن را از سنگِ آهن جدا می‌کند. آهنِ مذاب در تهِ کوره جمع می‌شود. سنگِ آهک با خاک و سنگِ همراهِ سنگِ معدن ترکیب می‌شود و سرباره می‌سازد که روی آهنِ مذاب شناور است و جداگانه بیرون کشیده می‌شود.
از آهن تا فولاد
آهنی که از کوره بیرون می‌آید، کربنِ زیادی دارد و شکننده است. در کارخانه‌ی فولادسازی، مقدارِ کربن را کم و دقیق می‌کنند و فلزهای دیگری اضافه می‌کنند تا فولاد با ویژگی‌های دلخواه ساخته شود. در این کارخانه‌ها شیمی‌دان‌ها، مهندس‌های مواد و متالورژیست‌ها، یعنی متخصصانِ فلزها، با هم کار می‌کنند.
فلزهای دیگر هم با روش‌های مشابه از سنگِ معدنشان جدا می‌شوند، اما ساختنِ هر کیلوگرم فلز انرژیِ زیادی می‌خواهد و چند کیلوگرم سنگ و دود و پسماند پشتِ سرش می‌گذارد.
در خانه امتحان کنید
- یک میخِ آهنیِ نو و یک میخِ زنگ‌زده را کنارِ هم بگذارید.
- رنگ و براقیِ آن‌ها را مقایسه کنید.
- فکر کنید: زنگ هم ترکیبِ آهن و اکسیژن است. زنگ زدن شبیهِ کدام بخشِ این درس است، و کوره‌ی بلند برعکسِ چه کاری را انجام می‌دهد؟
واژه‌های این درس
- کوره‌ی بلند - کوره‌ی بزرگی که در آن آهن را از سنگِ آهن جدا می‌کنند.
- کُک - زغالی پرکربن که از زغال‌سنگ می‌سازند.
- سرباره - موادِ ناخواسته‌ی سنگِ معدن که در کوره جدا می‌شوند.
- متالورژیست - متخصصِ ساختن و بهتر کردنِ فلزها.
ایده‌ی اصلی
در سنگِ آهن، آهن با اکسیژن ترکیب شده است. در کوره‌ی بلند، کربن در گرمای زیاد اکسیژن را از آهن می‌گیرد؛ آهن آزاد می‌شود و کربن‌دی‌اکسید بیرون می‌رود. سپس آهن را به فولاد تبدیل می‌کنند.