محفزات الزنك لاختزال الحديد 3. عمليات اختزال الحديد المباشر

وتتكون مجموعة فرعية من الهالوجينات من عناصر الفلور والكلور والبروم واليود.

والتكوينات الإلكترونية لطبقة التكافؤ الخارجية للهالوجينات هي تلك الخاصة بالفلور والكلور والبروم واليود على التوالي). تحدد هذه التكوينات الإلكترونية خصائص الأكسدة النموذجية للهالوجينات - جميع الهالوجينات لديها القدرة على اكتساب الإلكترونات، على الرغم من أنه عند الانتقال إلى اليود، تضعف قدرة الهالوجينات المؤكسدة.

في الظروف العادية، توجد الهالوجينات على شكل مواد بسيطة تتكون من جزيئات ثنائية الذرة من النوع الذي له روابط تساهمية. تختلف الخصائص الفيزيائية للهالوجينات بشكل كبير: على سبيل المثال، في الظروف العادية، الفلور هو غاز يصعب تسييله، والكلور هو أيضًا غاز، ولكنه يسيل بسهولة، والبروم سائل، واليود مادة صلبة.

الخواص الكيميائية للهالوجينات.

على عكس جميع الهالوجينات الأخرى، يُظهر الفلور في جميع مركباته حالة أكسدة واحدة فقط، 1-، ولا يُظهر تكافؤًا متغيرًا. بالنسبة للهالوجينات الأخرى، فإن حالة الأكسدة الأكثر تميزًا هي أيضًا 1-، ومع ذلك، نظرًا لوجود مدارات حرة على المستوى الخارجي، فإنها يمكن أن تظهر أيضًا حالات أكسدة غريبة أخرى من إلى بسبب الاقتران الجزئي أو الكامل لإلكترونات التكافؤ.

الفلور لديه أعظم النشاط. معظم المعادن، حتى في درجة حرارة الغرفة، تشتعل في غلافها الجوي، وتطلق كمية كبيرة من الحرارة، على سبيل المثال:

بدون تسخين، يتفاعل الفلور أيضًا مع العديد من العناصر غير المعدنية (الهيدروجين - انظر أعلاه)، بينما يطلق أيضًا كمية كبيرة من الحرارة:

عند تسخين الفلور، يؤكسد جميع الهالوجينات الأخرى وفقا للمخطط التالي:

حيث وفي المركبات تكون حالات أكسدة الكلور والبروم واليود متساوية.

أخيرًا، عند تشعيع الفلور، فإنه يتفاعل حتى مع الغازات الخاملة:

تفاعل الفلور مع المواد المعقدة يحدث أيضًا بقوة شديدة. فيتأكسد الماء ويكون التفاعل متفجراً:

كما أن الكلور الحر شديد التفاعل أيضًا، على الرغم من أن نشاطه أقل من نشاط الفلور. يتفاعل مباشرة مع جميع المواد البسيطة ما عدا الأكسجين والنيتروجين والغازات النبيلة، على سبيل المثال:

بالنسبة لهذه التفاعلات، كما هو الحال بالنسبة لجميع التفاعلات الأخرى، فإن شروط حدوثها مهمة جدًا. وبالتالي، في درجة حرارة الغرفة، لا يتفاعل الكلور مع الهيدروجين؛ عند تسخينه، يحدث هذا التفاعل، ولكن تبين أنه قابل للانعكاس بدرجة كبيرة، ومع التشعيع القوي، يستمر بشكل لا رجعة فيه (مع انفجار) من خلال آلية السلسلة.

يتفاعل الكلور مع العديد من المواد المعقدة، على سبيل المثال، الاستبدال والإضافة مع الهيدروكربونات:

الكلور قادر على عند التسخين، يزيح البروم أو اليود من مركباتهما بالهيدروجين أو المعادن:

ويتفاعل أيضًا بشكل عكسي مع الماء:

يذوب الكلور في الماء ويتفاعل معه جزئيًا، كما هو موضح أعلاه، ويشكل خليطًا متوازنًا من المواد يسمى ماء الكلور.

لاحظ أيضًا أن الكلور الموجود على الجانب الأيسر من المعادلة الأخيرة له حالة أكسدة تساوي 0. ونتيجة للتفاعل، أصبحت حالة الأكسدة لبعض ذرات الكلور 1- (in)، ولبعضها الآخر (في حمض الهيبوكلوروس). هذا التفاعل هو مثال على تفاعل الأكسدة الذاتية والاختزال الذاتي، أو عدم التناسب.

دعونا نتذكر أن الكلور يمكن أن يتفاعل (غير متناسب) مع القلويات بنفس الطريقة (انظر قسم "القواعد" في الفقرة 8).

النشاط الكيميائي للبروم أقل من الفلور والكلور، لكنه لا يزال مرتفعًا جدًا نظرًا لأن البروم يستخدم عادةً في حالة سائلة وبالتالي فإن تركيزاته الأولية، مع تساوي العوامل الأخرى، أكبر من تركيزات الكلور. كونه كاشف "لين"، يستخدم البروم على نطاق واسع في الكيمياء العضوية.

لاحظ أن البروم، مثل الكلور، يذوب في الماء، ويتفاعل معه جزئيًا، ويشكل ما يسمى بـ "ماء البروم"، في حين أن اليود غير قابل للذوبان عمليًا في الماء وغير قادر على أكسدته حتى عند تسخينه؛ ولهذا السبب لا يوجد "ماء اليود".

إنتاج الهالوجينات.

الطريقة التكنولوجية الأكثر شيوعًا لإنتاج الفلور والكلور هي التحليل الكهربائي للأملاح المنصهرة (انظر الفقرة 7). عادة ما يتم الحصول على البروم واليود في الصناعة كيميائيا.

في المختبر، يتم إنتاج الكلور من خلال عمل عوامل مؤكسدة مختلفة على حمض الهيدروكلوريك، على سبيل المثال:

تتم عملية الأكسدة بكفاءة أكبر باستخدام برمنجنات البوتاسيوم - راجع قسم "الأحماض" في الفقرة 8.

هاليدات الهيدروجين والأحماض الهيدروهاليكية.

جميع هاليدات الهيدروجين تكون غازية في الظروف العادية. الرابطة الكيميائية المنفذة في جزيئاتها تكون تساهمية قطبية، وتتناقص قطبية الرابطة في السلسلة. تنخفض قوة الرابطة أيضًا في هذه السلسلة. بسبب قطبيتها، جميع هاليدات الهيدروجين، على عكس الهالوجينات، قابلة للذوبان بدرجة عالية في الماء. لذلك، في درجة حرارة الغرفة، في حجم واحد من الماء، يمكنك إذابة حوالي 400 مجلد من الأحجام وحوالي 400 مجلد من

عندما تذوب هاليدات الهيدروجين في الماء، فإنها تتفكك إلى أيونات، وتتكون محاليل أحماض الهيدروهاليد المقابلة. علاوة على ذلك، عند الذوبان، ينفصل حمض الهيدروكلوريك بشكل كامل تقريبًا، لذلك تعتبر الأحماض الناتجة قوية. وفي المقابل، حمض الهيدروفلوريك ضعيف. ويفسر ذلك ارتباط جزيئات HF بوجود روابط هيدروجينية بينها. وبالتالي، تقل قوة الأحماض من HI إلى HF.

نظرًا لأن الأيونات السالبة من أحماض الهيدروهاليك يمكن أن تظهر فقط خصائص اختزالية، فعندما تتفاعل هذه الأحماض مع المعادن، يمكن أن تحدث أكسدة الأخيرة فقط بسبب الأيونات، لذلك، تتفاعل الأحماض فقط مع المعادن الموجودة في سلسلة الجهد على يسار الهيدروجين.

جميع الهاليدات المعدنية، باستثناء أملاح Ag وPb، قابلة للذوبان بدرجة عالية في الماء. تسمح ذوبان هاليدات الفضة المنخفضة باستخدام تفاعل التبادل مثل

كنوعية للكشف عن الأيونات المقابلة. نتيجة للتفاعل، يترسب AgCl راسبًا أبيض، AgBr - أبيض مصفر، Agl - أصفر ساطع.

على عكس أحماض الهيدروهاليك الأخرى، يتفاعل حمض الهيدروفلوريك مع أكسيد السيليكون (IV):

وبما أن أكسيد السيليكون جزء من الزجاج، فإن حمض الهيدروفلوريك يؤدي إلى تآكل الزجاج، وبالتالي يتم تخزينه في المختبرات في حاويات مصنوعة من البولي إيثيلين أو التيفلون.

يمكن لجميع الهالوجينات، باستثناء الفلور، أن تشكل مركبات لها حالة أكسدة موجبة. وأهم هذه المركبات هي الأحماض المحتوية على الأكسجين من النوع الهالوجيني وما يقابلها من أملاح وأنهيدريدات.

يشمل الفلور والكلور والبروم واليود والأستاتين.وهي تشكل المجموعة VIIA من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.

العناصر الكيميائية - الهالوجينات والعناصر البسيطة التي تتكون منها

مواد

تحتوي الطبقة الإلكترونية الخارجية لذرات الهالوجين على 7 إلكترونات.

يمتلك الفلور نصف قطر ذري أصغر بين جميع الهالوجينات، لذلك فهو يتمتع بأعلى (حتى بين جميع العناصر الكيميائية) في السالبية الكهربية النسبية. ولهذا السبب لا توجد مواد يكون فيها الفلور حالة أكسدة موجبة، ناهيك عن أعلى حالة أكسدة تقابل رقم المجموعة (+7). بالنسبة للفلور، فإن حالات الأكسدة الممكنة هي -1 و0 فقط. أما الهالوجينات المتبقية، مع المزيد من الأكسجين ذو السالبية الكهربية، فيمكن أن تشكل مواد تكون فيها حالة أكسدة ذراتها إيجابية. وبالتالي فإن Cl، Br، I تتميز بحالات الأكسدة -1، 0، +1، +3، +5، +7.

يتناقص محتوى الهالوجينات في القشرة الأرضية من الفلور إلى الأستاتين. علاوة على ذلك، إذا كان من الممكن تصنيف الفلور والبروم واليود كعناصر كيميائية شائعة، فإن محتوى الأستاتين في القشرة الأرضية منخفض للغاية. تم العثور على الهالوجينات في العديد من المعادن. الاستثناء هو أستاتين. تم العثور على الأستاتين في منتجات الاضمحلال الإشعاعي لليورانيوم.

أملاح الهالوجين (الهالوجينات) هي جزء من مياه البحر.

الهالوجينات – عناصر المجموعة السابعة – الفلور، الكلور، البروم، اليود، الأستاتين (لم تتم دراسة الأستاتين إلا قليلاً بسبب نشاطه الإشعاعي). الهالوجينات هي غير معدنية متميزة. يظهر اليود فقط في حالات نادرة بعض الخصائص المشابهة للمعادن.

في الحالة غير المثارة، يكون لذرات الهالوجين تكوين إلكتروني مشترك: ns2np5. وهذا يعني أن الهالوجينات لديها 7 إلكترونات تكافؤ، باستثناء الفلور.

الخصائص الفيزيائية للهالوجينات: F2 - غاز عديم اللون، يصعب تسييله؛ Cl2 هو غاز أصفر مخضر يسهل تسييله وله رائحة خانقة نفاذة. Br2 - سائل أحمر-بني؛ I2 مادة بلورية بنفسجية.

المحاليل المائية لهاليدات الهيدروجين تشكل الأحماض. HF – فلوريد الهيدروجين (الفلورايد)؛ حمض الهيدروكلوريك - الهيدروكلوريك (الملح)؛ НBr — بروميد الهيدروجين؛ مرحبا - يوديد الهيدروجين. تتناقص قوة الأحماض من الأعلى إلى الأسفل. حمض الهيدروفلوريك هو الأضعف في سلسلة الأحماض المهلجنة، وحمض الهيدروديك هو الأقوى. ويفسر ذلك حقيقة أن طاقة الربط للزئبق تتناقص من الأعلى. تتناقص قوة جزيء NG في نفس الاتجاه، وهو ما يرتبط بزيادة المسافة بين النواة. تنخفض أيضًا ذوبان الأملاح القابلة للذوبان قليلاً في الماء:

من اليسار إلى اليمين، تنخفض ذوبان الهاليدات. AgF قابل للذوبان بدرجة عالية في الماء. جميع الهالوجينات في حالة حرة - عامل مؤكسد . تتناقص قوتها كعوامل مؤكسدة من الفلور إلى اليود. في الحالات البلورية والسائلة والغازية، توجد جميع الهالوجينات على شكل جزيئات فردية. زيادة نصف القطر الذري في نفس الاتجاه مما يؤدي إلى زيادة درجات الانصهار والغليان. وينفصل الفلور إلى ذرات أفضل من اليود. تنخفض إمكانات القطب عند التحرك لأسفل مجموعة الهالوجين الفرعية. الفلور لديه أعلى إمكانات القطب. الفلور هو أقوى عامل مؤكسد . أي هالوجين حر أعلى سوف يحل محل الهالوجين السفلي، الذي يكون في حالة أيون سالب مشحون بشحنة مفردة في المحلول.

الخواص الكيميائية للهالوجينات

1. التفاعل مع زينون. يتمتع الفلور بأكبر نشاط كيميائي، وهو عامل مؤكسد قوي يتفاعل حتى مع الغازات الخاملة:

2F2 + Xe = XeF4.

2. التفاعل مع المعادن. تتفاعل جميع الهالوجينات مع جميع المواد البسيطة تقريبًا؛ ويحدث التفاعل مع المعادن بقوة أكبر. عند تسخينه، يتفاعل الفلور مع جميع المعادن، بما في ذلك الذهب والبلاتين؛ وعندما يبرد، يتفاعل مع الفلزات القلوية والرصاص والحديد. يتفاعل الكلور والبروم واليود مع الفلزات القلوية في الظروف العادية، ومع النحاس والحديد والقصدير عند تسخينها. ونتيجة التفاعل تتشكل الهاليدات وهي الأملاح:

2M + nHal 2 = 2MHal n.

3. التفاعل مع الهيدروجين. في الظروف العادية، يتفاعل الفلور بشكل انفجاري مع الهيدروجين في الظلام، ويحدث التفاعل مع الكلور في الضوء، ويتفاعل البروم واليود فقط عند التسخين، والتفاعل مع اليود قابل للعكس.

ح 2 + هال 2 = 2H هال.

تظهر الهالوجينات خصائص مؤكسدة في هذا التفاعل.

4. التفاعل مع غير المعادن. لا تتفاعل الهالوجينات بشكل مباشر مع الأكسجين والنيتروجين؛ فهي تتفاعل مع الكبريت والفوسفور والسيليكون، مما يُظهر النشاط الكيميائي للبروم واليود أقل وضوحًا من نشاط الفلور والكلور:

2P + 3Cl 2 = 2PCl 3 ;

سي + 2F2 = SiF4.

5. التفاعل مع الماء. تتفاعل الهالوجينات مع العديد من المواد المعقدة. يتفاعل الفلور والهالوجينات الأخرى بشكل مختلف مع الماء:

F 2 + H 2 O = 2HF + O أو

3F 2 + 3H 2 O = 2 + 4HF + H 2 O 2؛

هال + H2O = HHal + HHalO.

هذا التفاعل هو تفاعل عدم التناسب، حيث يكون الهالوجين عامل مؤكسد وعامل اختزال.

6. التفاعل مع القلويات. كما أن الهالوجينات غير متناسبة في المحاليل القلوية:

Cl2 + KOH = KClO + KCl (بارد)؛

3Cl2 + 6KOH = KClO3 + 5KCl + 3H2O (عند التسخين).

يوجد أيون الهيبوبروميد فقط عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية، ولا يوجد أيون الهيبويودايت في المحاليل.

7. التفاعل مع كبريتيد الهيدروجين. الهالوجينات قادرة على إزالة الهيدروجين من المواد الأخرى:

ح2س + ر2 = ق + 2HBr.

8. تفاعل استبدال الهيدروجين في الهيدروكربونات المشبعة:

CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + حمض الهيدروكلوريك.

9. تفاعل الإضافة إلى الهيدروكربونات غير المشبعة:

ج 2 ح 4 + كلور 2 = ج 2 ح 4 كلور 2.

10. الاستبدال المتبادل للهالوجينات. تقل تفاعلية الهالوجينات عند الانتقال من الفلور إلى اليود، فيقوم العنصر السابق بإزاحة العنصر اللاحق من أحماض الهيدروهاليك وأملاحها:

2KI + Br 2 = 2KBr+ I 2;

2HBr + Cl2 = 2HCl + Br2.

الكلور

تاريخ الاكتشاف:

تم الحصول على الكلور لأول مرة في عام 1772 من قبل شيله، الذي وصف إطلاقه أثناء تفاعل البيرولوزيت مع حمض الهيدروكلوريك في أطروحته عن البيرولوزيت:

4HCl + MnO2 = Cl2 + MnCl2 + 2H2O

وأشار شيلي إلى رائحة الكلور، المشابهة لرائحة الماء الملكي، وقدرته على التفاعل مع الذهب والزنجفر، وخصائصه المبيضة. ومع ذلك، اقترح شيله، وفقًا لنظرية الفلوجستون التي كانت سائدة في الكيمياء في ذلك الوقت، أن الكلور عبارة عن حمض الهيدروكلوريك المزيل للفلوجيستون، أي أكسيد حمض الهيدروكلوريك.
اقترح برتولت ولافوازييه أن الكلور هو أكسيد لعنصر الموريا، لكن محاولات عزله ظلت غير ناجحة حتى عمل ديفي، الذي تمكن من تحليل ملح الطعام إلى صوديوم وكلور عن طريق التحليل الكهربائي.
اسم العنصر يأتي من اليونانية clwroz- "أخضر".

يجري في الطبيعة، وتلقي:

الكلور الطبيعي عبارة عن خليط من نظيرين 35 Cl و 37 Cl. في القشرة الأرضية، الكلور هو الهالوجين الأكثر شيوعًا. بما أن الكلور نشط للغاية، فإنه يحدث في الطبيعة فقط في شكل مركبات في المعادن: هاليت كلوريد الصوديوم، سيلفيت بوكل، سيلفينيت بوكل كلوريد الصوديوم، بيشوفيت MgCl 2 · 6H 2 O، كارناليت KCl MgCl 2 · 6H 2 O، كينيت KCl MgSO 4 · 3H 2 O. أكبر احتياطيات الكلور موجودة في أملاح مياه البحار والمحيطات.
على المستوى الصناعي، يتم إنتاج الكلور مع هيدروكسيد الصوديوم والهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي لمحلول ملح الطعام:

2NaCl + 2H2O => H2 + Cl2 + 2NaOH

لاستعادة الكلور من كلوريد الهيدروجين، وهو منتج ثانوي أثناء الكلورة الصناعية للمركبات العضوية، يتم استخدام عملية الشماس (الأكسدة الحفزية لكلوريد الهيدروجين مع الأكسجين الجوي):

4HCl + O2 = 2H2O + 2Cl2
تعتمد العمليات المستخدمة عادةً في المختبرات على أكسدة كلوريد الهيدروجين بعوامل مؤكسدة قوية (على سبيل المثال، أكسيد المنغنيز (IV)، وبرمنجنات البوتاسيوم، وثنائي كرومات البوتاسيوم):
2KMnO4 + 16HCl = 5Cl2 + 2MnCl2 + 2KCl +8H2O
K2Cr2O7 + 14HCl = 3Cl2 + 2CrCl3 + 2KCl + 7H2O

الخصائص الفيزيائية:

في الظروف العادية، يكون الكلور غازًا أصفر مخضرًا ذو رائحة خانقة. الكلور قابل للذوبان بشكل ملحوظ في الماء ("ماء الكلور"). عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، يذوب 2.3 حجم من الكلور في حجم واحد من الماء. نقطة الغليان = -34 درجة مئوية؛ نقطة الانصهار = -101 درجة مئوية، الكثافة (الغاز، غير محددة) = 3.214 جم/لتر.

الخواص الكيميائية

يحتوي المستوى الإلكتروني الخارجي لذرة الكلور على 7 إلكترونات (s2p5)، لذا فإنه من السهل إضافة إلكترون لتكوين Cl-anion. نظرًا لوجود مستوى d غير ممتلئ، يمكن أن تظهر 1 و3 و5 و7 إلكترونات غير متزاوجة في ذرة الكلور، وبالتالي في المركبات المحتوية على الأكسجين يمكن أن يكون لها حالة أكسدة +1 و+3 و+5 و+ 7.

في غياب الرطوبة، يكون الكلور خاملًا تمامًا، ولكن في وجود آثار رطوبة، يزداد نشاطه بشكل حاد. يتفاعل بشكل جيد مع المعادن:

2 Fe + 3 Cl 2 = 2 FeCl 3 (كلوريد الحديد (III))؛

Cu + Cl 2 = CuCl 2 (كلوريد النحاس (II))

والعديد من اللافلزات:

H 2 + Cl 2 = 2 حمض الهيدروكلوريك (كلوريد الهيدروجين)؛

2 S + Cl 2 = S 2 Cl 2 (كلوريد الكبريت (1))؛

Si + 2 Cl 2 = SiCl 4 (كلوريد السيليكون (IV))؛

2 P + 5 Cl 2 = 2 PCl 5 (كلوريد الفوسفور (V)).

لا يتفاعل الكلور بشكل مباشر مع الأكسجين والكربون والنيتروجين.

عندما يذوب الكلور في الماء، يتكون حمضان: الهيدروكلوريك، أو الهيدروكلوريك، وهيبوكلوروس:

Cl 2 + H 2 O = حمض الهيدروكلوريك + حمض الهيدروكلوريك.

عندما يتفاعل الكلور مع المحاليل القلوية الباردة، تتشكل الأملاح المقابلة لهذه الأحماض:

Cl 2 + 2 NaOH = NaCl + NaClO + H2O.

تسمى المحاليل الناتجة مياه جافيل، وهي مثل مياه الكلور لها خصائص مؤكسدة قوية بسبب وجود أيون ClO - وتستخدم لتبييض الأقمشة والورق. مع المحاليل الساخنة للقلويات، يشكل الكلور الأملاح المقابلة لأحماض الهيدروكلوريك والبيركلوريك:

3 Cl 2 + 6 NaOH = 5 NaCl + NaClO 3 + 3 H 2 O؛

3 Cl 2 + 6 KOH = 5 KCl + KClO 3 + 3 H 2 O.

ويسمى كلورات البوتاسيوم الناتجة ملح بيرثوليت.

عند تسخينه، يتفاعل الكلور بسهولة مع العديد من المواد العضوية. في الهيدروكربونات المشبعة والعطرية يحل محل الهيدروجين، ويشكل مركب الكلور العضوي وكلوريد الهيدروجين، وينضم إلى الهيدروكربونات غير المشبعة في موقع رابطة مزدوجة أو ثلاثية.

عند درجات الحرارة العالية جدًا، يزيل الكلور الهيدروجين تمامًا من الكربون. وهذا ينتج كلوريد الهيدروجين والسخام. ولذلك، فإن كلورة الهيدروكربونات ذات درجة الحرارة المرتفعة تكون مصحوبة دائمًا بتكوين السخام.

الكلور هو عامل مؤكسد قوي، لذلك يتفاعل بسهولة مع المواد المعقدة التي تحتوي على عناصر يمكن أكسدتها إلى حالة تكافؤ أعلى:

2 FeCl 2 + Cl 2 = 2 FeCl 3؛

H 2 SO 3 + Cl 2 + H 2 O = H 2 SO 4 + 2 حمض الهيدروكلوريك.

أهم الإتصالات:

كلوريد الهيدروجين HCl- غاز عديم اللون يدخن في الهواء بسبب تكون قطرات الضباب مع بخار الماء. له رائحة نفاذة ويهيج الجهاز التنفسي بشدة. موجود في الغازات البركانية والمياه وفي عصير المعدة. تعتمد الخواص الكيميائية على الحالة التي هي عليها (يمكن أن تكون في حالة غازية أو سائلة أو محلولية). يسمى محلول HCl حامض الهيدروكلوريك. وهو حمض قوي ويزيح الأحماض الأضعف من أملاحها. أملاح - كلوريدات- مواد بلورية صلبة ذات نقاط انصهار عالية.
الكلوريدات التساهمية- مركبات الكلور مع غير المعادن أو الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة القابلة للانصهار التي لها خصائص حمضية مميزة، وعادة ما يتم تحللها بالماء بسهولة لتكوين حمض الهيدروكلوريك:

PCl 5 + 4H 2 O = H 3 PO 4 + 5HCl

أكسيد الكلور (I) Cl2O.- غاز ذو لون أصفر مائل للبني وله رائحة نفاذة. يؤثر على أعضاء الجهاز التنفسي. يذوب بسهولة في الماء ويشكل حمض الهيبوكلوروس.
حمض هيبوكلوروس HClO. موجود فقط في الحلول. وهو حمض ضعيف وغير مستقر. يتحلل بسهولة إلى حمض الهيدروكلوريك والأكسجين. عامل مؤكسد قوي. يتكون عندما يذوب الكلور في الماء. أملاح - هيبوكلوريت، ثبات منخفض (NaClO*H 2 O يتحلل بشكل متفجر عند 70 درجة مئوية)، عوامل مؤكسدة قوية. تستخدم على نطاق واسع للتبييض والتطهير مسحوق التبييض، ملح مخلوط Ca(Cl)OCl
حمض الكلوروس HClO2، في شكله الحر غير مستقر، حتى في محلول مائي مخفف يتحلل بسرعة. حمض وأملاح متوسطة القوة - الكلوريتكقاعدة عامة، تكون عديمة اللون وقابلة للذوبان بدرجة عالية في الماء. على عكس هيبوكلوريت، يظهر الكلوريت خصائص مؤكسدة واضحة فقط في البيئة الحمضية. يستخدم كلوريت الصوديوم NaClO 2 على نطاق واسع (لتبييض الأقمشة ولب الورق).
أكسيد الكلور (IV) ClO2، هو غاز أصفر مخضر، له رائحة كريهة (نفاذة)، ...
حمض الكلوريك، HClO 3 - في شكله الحر غير مستقر: فهو غير متناسب مع ClO 2 وHClO 4. أملاح - كلورات; وأهمها كلورات الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم. هذه عوامل مؤكسدة قوية وتكون قابلة للانفجار عند مزجها مع عوامل اختزال. كلورات البوتاسيوم ( ملح بيرثوليت) - تم استخدام KClO 3 لإنتاج الأكسجين في المختبر، ولكن لشدة خطورته لم يعد يستخدم. واستخدمت محاليل كلورات البوتاسيوم كمطهر ضعيف وغرغرة طبية خارجية.
حمض البيركلوريك HClO 4، في المحاليل المائية، يعد حمض البيركلوريك هو الأكثر ثباتًا بين جميع أحماض الكلور المحتوية على الأكسجين. حمض البيركلوريك اللامائي، الذي يتم الحصول عليه باستخدام حمض الكبريتيك المركز من 72٪ HClO 4، ليس مستقرًا جدًا. وهو أقوى حمض أحادي البروتيك (في محلول مائي). أملاح - البيركلورات، تستخدم كمؤكسدات (محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب).

طلب:

يستخدم الكلور في العديد من الصناعات والعلوم والاحتياجات المنزلية:
- في إنتاج كلوريد البوليفينيل والمركبات البلاستيكية والمطاط الصناعي.
- لتبييض الأقمشة والورق.
- إنتاج المبيدات الحشرية الكلورية العضوية - وهي مواد تقتل الحشرات الضارة بالمحاصيل ولكنها آمنة للنباتات؛
- لتطهير المياه - "الكلورة"؛
- مسجل في صناعة المواد الغذائية كمضاف غذائي E925؛
- في الإنتاج الكيميائي لحمض الهيدروكلوريك، والمبيضات، وملح البرثوليت، وكلوريدات المعادن، والسموم، والأدوية، والأسمدة؛
- في علم المعادن لإنتاج المعادن النقية: التيتانيوم، القصدير، التنتالوم، النيوبيوم.

الدور البيولوجي والسمية:

يعد الكلور أحد أهم العناصر الحيوية وهو جزء من جميع الكائنات الحية. في الحيوانات والبشر، تشارك أيونات الكلور في الحفاظ على التوازن الأسموزي؛ أيون الكلوريد لديه نصف قطر مثالي للاختراق عبر غشاء الخلية. تعتبر أيونات الكلور حيوية للنباتات، حيث تشارك في استقلاب الطاقة في النباتات، وتنشيط الفسفرة التأكسدية.

الكلور على شكل مادة بسيطة سام، فإذا دخل إلى الرئتين يسبب حروقاً في أنسجة الرئة واختناقاً. وله تأثير مهيج للجهاز التنفسي بتركيز في الهواء يبلغ حوالي 0.006 ملغم/لتر (أي ضعف عتبة إدراك رائحة الكلور). كان الكلور أحد العناصر الكيميائية الأولى التي استخدمتها ألمانيا في الحرب العالمية الأولى.

تمارين

1. يوجد في وعاء خليط من الهيدروجين والكلور. كيف يتغير الضغط في الوعاء عند مرور شرارة كهربائية عبر الخليط؟

حل:

عند مرور شرارة تتفاعل الغازات وفقا للمعادلة:

ح 2 + الكلور 2 = 2 حمض الهيدروكلوريك.

ونتيجة لهذا التفاعل، لا يتغير العدد الإجمالي للجزيئات في الطور الغازي، وبالتالي يظل الضغط في الوعاء أيضًا دون تغيير.

2. تم تمرير الغاز المنطلق بفعل 2.0 جم من الزنك لكل 18.7 مل من حمض الهيدروكلوريك 14.6% (كثافة المحلول 1.07 جم/مل) عند تسخينه فوق 4.0 جم من أكسيد النحاس (II). ما كتلة الخليط الصلب الناتج؟

حل:

عندما يتفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك، يتم إطلاق الهيدروجين:

Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2،

والذي عند تسخينه يختزل أكسيد النحاس الثنائي إلى نحاس:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

لنجد كميات المواد في التفاعل الأول: m(محلول حمض الهيدروكلوريك) = 18.7. 1.07 = 20.0 م (حمض الهيدروكلوريك) = 20.0. 0.146 = 2.92 جم v(HCl) = 2.92/36.5 = 0.08 مول. v(Zn) = 2.0/65 = 0.031 مول. هناك نقص في الزنك، وبالتالي فإن كمية الهيدروجين المنطلق هي: v(H 2) = v(Zn) = 0.031 مول.

في التفاعل الثاني، يوجد نقص في الهيدروجين، حيث أن v(CuO) = 4.0/80 = 0.05 مول. نتيجة للتفاعل، سيتحول 0.031 مول من CuO إلى 0.031 مول من النحاس، وسيكون فقدان الكتلة كما يلي:

م(СuО) - م(Сu) = 0.031. 80 - 0.031. 64 = 0.50 جم.

ستكون كتلة الخليط الصلب من CuO و Cu بعد مرور الهيدروجين 4.0-0.5 = 3.5 جم.

إجابة. 3.5 جرام.

__________________________________________________________________

3. اكتب معادلات التفاعلات التي يمكن أن تحدث عندما يؤثر حمض الكبريتيك المركز على جميع هاليدات البوتاسيوم الصلبة. هل هذه التفاعلات ممكنة في محلول مائي؟

حل:

عندما يؤثر حمض الكبريتيك المركز على فلوريد البوتاسيوم وكلوريد عند تسخينه، يتم إطلاق فلوريد الهيدروجين وكلوريد الهيدروجين، على التوالي:

KF + H 2 SO 4 (conc) = HF + KH SO 4،

بوكل + H 2 SO 4 (conc) = حمض الهيدروكلوريك + KH SO 4.

يعتبر بروميد الهيدروجين ويوديد الهيدروجين من عوامل الاختزال القوية ويمكن أكسدتهما بسهولة بحمض الكبريتيك لتحرير الهالوجينات، بينما يختزل HBr حمض الكبريتيك إلى SO 2، وHI (كعامل اختزال أقوى) إلى H 2 S:

2KBr + 2H2SO4 (conc) = Br2 + SO2 + K2SO4 + 2H2O،

8KI + 5H 2 SO 4 (conc) = 4I 2 + H 2 S + 4K 2 SO 4 + 4H 2 O.

في المحلول المائي، لم يعد حمض الكبريتيك عامل مؤكسد قوي. بالإضافة إلى ذلك، فإن جميع أحماض الهيدروهاليك قوية (باستثناء حمض الهيدروفلوريك)، ولا يستطيع حمض الكبريتيك أن يحل محلها من الأملاح. في المحلول المائي، تفاعل التبادل الوحيد الممكن هو:

2KF + H 2 SO 4 = 2HF + K 2 SO 4.

علامة التفاعل هي تكوين مادة منخفضة التفكك (حمض الهيدروفلوريك الضعيف).

__________________________________________________________________

4. اكتب معادلات التفاعلات التالية:

1) FeSO 4 + KClO 3 + H 2 SO 4 → ...

2) FeSO 4 + KClO 3 + KOH → ...

3) أنا 2 + با(يا) 2 → …

4) KBr + KVrO 3 + H2 SO 4 → ...

حل:

1) ClO 3 - - عامل مؤكسد قوي، مختزل إلى Cl -؛ Fe 2+ هو عامل اختزال، يتأكسد إلى Fe 3+ (Fe 2 (SO 4) 3):

6FeSO 4 + KClO 3 + 3H 2 SO 4 = 3Fe 2 (SO 4) 3 + KCl + 3H 2 O.

2) ClO 3 - - عامل مؤكسد، مختزل إلى Cl -، Fe 2+ - عامل اختزال، مؤكسد إلى Fe 3+ (Fe(OH) 3):

6FeSO 4 + KClO 3 + 12KOH + 3H 2 O = 6Fe(OH) 3 ↓ + KCl + 6K 2 SO 4.

3) مثل جميع الهالوجينات (باستثناء الفلور)، فإن اليود في البيئة القلوية غير متناسب:

6I 2 + 6Ba(OH) 2 = 5BaI 2 + Ba(IO 3) 2 + 6H 2 O.

4) يعتبر أيون البروميد عامل اختزال قوي ويتأكسد بواسطة أيون البرومات في بيئة حمضية إلى البروم:

5KВr + КВrО 3 + 3Н 2 SO 4 = 3Vr 2 + 3K 2 SO 4 + 3Н 2 О.

هذا التفاعل هو عكس تفاعل عدم التناسب للهالوجينات في وسط قلوي.

__________________________________________________________________

5. بعد تسخين 22.12 جم من برمنجنات البوتاسيوم، يتكون 21.16 جم من الخليط الصلب. ما هو الحد الأقصى لحجم الكلور (العدد) الذي يمكن الحصول عليه من معالجة الخليط الناتج بحمض الهيدروكلوريك 36.5% (الكثافة 1.18 جم/مل). ما هي كمية الحمض المستهلكة؟

حل:

عند تسخينها، تتحلل برمنجنات البوتاسيوم:

0,06		0,03		0,03		0,03
2KMnO 4		K2MnO4		منو2

تتناقص كتلة الخليط بسبب الأكسجين المنطلق: v(O 2) = m/ M = (22.12-21.16) / 32 = 0.03 مول. نتيجة للتفاعل، تم أيضًا تكوين 0.03 مول K2 MnO 4 و0.03 مول MnO 2 وتم استهلاك 0.06 مول KMnO 4. لم تتحلل كل برمنجنات البوتاسيوم. بعد التفاعل، بقي في الخليط بكمية v(KMnO 4) = 22.12/158 - 0.06 = 0.08 مول.

جميع المواد الثلاثة في الخليط النهائي (KMnO 4، K 2 MnO 4، MnO 2) هي عوامل مؤكسدة قوية، وعند تسخينها، تتأكسد حمض الهيدروكلوريك إلى الكلور:

0,08		0,64
2KMnO 4		16حمض الهيدروكلوريك		5Cl 2		2KCl		2MnCl2		8H2O

0,03		0,24		0,06
K2MnO4		8حمض الهيدروكلوريك		2Cl 2		2KCl		منكل2		4H2O

0,03		0,12		0,03
منو2		4HCl		Cl2		منكل2		2H2O

إجمالي كمية الكلور المنطلق في هذه التفاعلات الثلاثة هي: v(Cl 2) = (0.08.5/2) + (0.03.2) + 0.03 = 0.29 مول، والحجم V (Cl 2) = 0.29. 22.4 = 6.50 لتر.

كمية كلوريد الهيدروجين المستهلكة تساوي: v(HCl) = (0.08.16/2) + (0.03.8) + (0.03.4) = 0.96 مول،

م(حمض الهيدروكلوريك) = ت . م = 0.96. 36.5 = 35.04 جم

m(محلول حمض الهيدروكلوريك) = m(HCl)/ω(HCl) = 35.04/0.365 = 96.0 جم،

V (محلول حمض الهيدروكلوريك) = t/ρ= 96.0/1.18 = 81.4 مل.

إجابة. V(Cl2) = 6.50 لتر، V(محلول حمض الهيدروكلوريك) = 81.4 مل.

________________________________________________________________

مهام الحل المستقل

1. ما هو الهالوجين الأكثر نشاطا وما هو العامل المؤكسد الأقل نشاطا.

2. اكتب صيغ أكاسيد الكلور المعروفة وقم بتسميتها.

3. أعط أمثلة على الأملاح المتكونة من أحماض الكلور المحتوية على الأكسجين. قم بتسمية هذه الأملاح.

4. في أي شكل يوجد الكلور في الطبيعة؟

5. أي تفاعل هو تفاعل نوعي لأيون الكلوريد.

6. كم مرة يكون الكلور أثقل من الهواء؟

7. أكمل معادلات التفاعل:

.

8. كيفية إجراء التحولات التالية:

9. امزج 1 لتر من الكلور و 2 لتر من الهيدروجين (رقم). كم جرام من كلوريد الهيدروجين يمكن الحصول عليه من هذا الخليط. ما هو حجم الخليط بعد التفاعل؟

10. ما حجم الكلور الذي يمكن الحصول عليه من تفاعل 2 مول من كلوريد الهيدروجين و 3 مول من أكسيد المنغنيز (الرابع).

تجربة الفيديو

1. حدد رمز الأيون ذي خصائص الاختزال الأكثر وضوحًا:
أ)ر-	ب)الكلور-
الخامس)أنا -	ز)F-
2. في أي سلسلة يتم إدراج المواد مرتبة حسب الزيادة المتتابعة في درجة الانصهار:
أ) البروم والكلور واليود	ب) اليود والبروم والكلور
ج) الكلور واليود والبروم	د) الكلور والبروم واليود
3. ما هو الحد الأقصى لتكافؤ الكلور في المركبات:
أ)أنا	ب)الخامس
الخامس)سابعا

الخصائص العامة

تشمل الهالوجينات العناصر الخمسة الرئيسية غير المعدنية، والتي تقع في المجموعة السابعة من الجدول الدوري. تتضمن هذه المجموعة عناصر كيميائية مثل الفلور F، الكلور Cl، البروم Br، اليود I، الأستاتين At.

حصلت الهالوجينات على اسمها من الكلمة اليونانية، والتي تعني في الترجمة تكوين الملح أو "تكوين الملح"، حيث من حيث المبدأ، تسمى معظم المركبات التي تحتوي على الهالوجينات بالأملاح.

تتفاعل الهالوجينات مع جميع المواد البسيطة تقريبًا، باستثناء عدد قليل من المعادن. إنها عوامل مؤكسدة نشطة للغاية، ولها رائحة قوية ونفاذة للغاية، وتتفاعل بشكل جيد مع الماء، كما أنها تتميز بتقلبات عالية وكهربية عالية. ولكن في الطبيعة لا يمكن العثور عليها إلا كمركبات.

الخصائص الفيزيائية للهالوجينات

1. المواد الكيميائية البسيطة مثل الهالوجينات تتكون من ذرتين؛
2. إذا اعتبرنا الهالوجينات في الظروف العادية، فيجب أن تعلم أن الفلور والكلور في الحالة الغازية، بينما البروم مادة سائلة، واليود والأستاتين مادتان صلبتان.

3. بالنسبة للهالوجينات فإن درجة الانصهار ودرجة الغليان والكثافة تزداد مع زيادة الكتلة الذرية. وفي نفس الوقت يتغير لونها ويصبح أغمق.
4. مع كل زيادة في الرقم التسلسلي، تقل التفاعلية الكيميائية والسالبية الكهربية وتضعف الخواص غير المعدنية.
5. للهالوجينات القدرة على تكوين مركبات مع بعضها البعض، مثل BrCl.
6. في درجة حرارة الغرفة، يمكن أن تتواجد الهالوجينات في جميع حالات المادة الثلاث.
7. من المهم أيضًا أن نتذكر أن الهالوجينات عبارة عن مواد كيميائية سامة جدًا.

الخواص الكيميائية للهالوجينات

عند التفاعل كيميائيا مع المعادن، تعمل الهالوجينات كعوامل مؤكسدة. على سبيل المثال، إذا تناولنا الفلور، فإنه حتى في الظروف العادية يتفاعل مع معظم المعادن. لكن الألومنيوم والزنك يشتعلان حتى في الجو: +2-1: ZnF2.

إنتاج الهالوجينات

عند إنتاج الفلور والكلور على نطاق صناعي، يتم استخدام التحليل الكهربائي أو المحاليل الملحية.

إذا نظرت عن كثب إلى الصورة أدناه، سترى كيف يمكن إنتاج الكلور في المختبر باستخدام وحدة التحليل الكهربائي:

الصورة الأولى توضح تركيب كلوريد الصوديوم المنصهر، والثانية لإنتاج محلول كلوريد الصوديوم.

يمكن تمثيل عملية التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم المنصهر في شكل هذه المعادلة:

بمساعدة هذا التحليل الكهربائي، بالإضافة إلى إنتاج الكلور، يتم تشكيل الهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم أيضًا:

وبطبيعة الحال، يتم إنتاج الهيدروجين بطريقة أبسط وأرخص، وهو ما لا يمكن قوله عن هيدروكسيد الصوديوم. وهو، مثل الكلور، يتم الحصول عليه دائمًا تقريبًا فقط من خلال التحليل الكهربائي لمحلول ملح الطعام.

إذا نظرت إلى الصورة أعلاه، سترى كيف يمكن إنتاج الكلور في المختبر. ويتم الحصول عليه بتفاعل حمض الهيدروكلوريك مع أكسيد المنغنيز:

وفي الصناعة يتم الحصول على البروم واليود عن طريق استبدال هذه المواد بالكلور الموجود في البروميدات واليوديدات.

تطبيق الهالوجينات

الفلور، أو سيكون من الأصح أن نسميه فلوريد النحاس (CuF2)، لديه مجموعة واسعة من التطبيقات. يتم استخدامه في صناعة السيراميك والمينا والزجاج المختلفة. كما ظهرت مقلاة التيفلون الموجودة في كل منزل وغاز التبريد في الثلاجات والمكيفات بفضل الفلور.

بالإضافة إلى الاحتياجات المنزلية، يستخدم التيفلون أيضًا للأغراض الطبية، حيث يتم استخدامه في إنتاج الغرسات. الفلور ضروري في صناعة العدسات في البصريات ومعاجين الأسنان.

يوجد الكلور أيضًا حرفيًا في كل خطوة في حياتنا. الاستخدام الأكثر انتشارًا وانتشارًا للكلور هو بالطبع ملح الطعام NaCl. كما أنه يعمل كعامل إزالة السموم ويستخدم في مكافحة الجليد.

بالإضافة إلى ذلك، لا غنى عن الكلور في إنتاج البلاستيك والمطاط الصناعي وكلوريد البوليفينيل، وبفضله نحصل على الملابس والأحذية والأشياء الأخرى التي نحتاجها في حياتنا اليومية. يتم استخدامه في إنتاج مواد التبييض والمساحيق والأصباغ والمواد الكيميائية المنزلية الأخرى.

هناك حاجة عامة إلى البروم كمادة حساسة للضوء عند طباعة الصور الفوتوغرافية. في الطب يتم استخدامه كمسكن. ويستخدم البروم أيضًا في إنتاج المبيدات الحشرية والمبيدات الحشرية، وما إلى ذلك.

حسنًا، اليود المعروف الموجود في خزانة الأدوية لكل شخص، يستخدم في المقام الأول كمطهر. بالإضافة إلى خصائصه المطهرة، يوجد اليود في مصادر الضوء وهو أيضًا مساعد للكشف عن بصمات الأصابع على سطح الورق.

دور الهالوجينات ومركباتها لجسم الإنسان

عند اختيار معجون الأسنان في المتجر، ربما انتبه كل واحد منكم إلى حقيقة أن محتوى مركبات الفلورايد موضح على الملصق الخاص به. وهذا ليس بدون سبب، حيث أن هذا المكون يدخل في بناء مينا الأسنان وعظامها، ويزيد من مقاومة الأسنان للتسوس. كما أنه يلعب دورًا مهمًا في عمليات التمثيل الغذائي، ويشارك في بناء الهيكل العظمي ويمنع حدوث مرض خطير مثل هشاشة العظام.

ويلعب الكلور أيضًا دورًا مهمًا في جسم الإنسان، حيث يقوم بدور فعال في الحفاظ على توازن الماء والملح والحفاظ على الضغط الأسموزي. يشارك الكلور في عملية التمثيل الغذائي لجسم الإنسان، وبناء الأنسجة، وهو أمر مهم أيضًا، في التخلص من الوزن الزائد. حمض الهيدروكلوريك، وهو جزء من عصير المعدة، له أهمية كبيرة لعملية الهضم، لأنه بدونه تكون عملية هضم الطعام مستحيلة.

الكلور ضروري لجسمنا ويجب تزويده بالجرعات المطلوبة يومياً. ولكن إذا تم تجاوز تناوله في الجسم أو تقليله بشكل حاد، فسنشعر به على الفور في شكل تورم وصداع وأعراض أخرى غير سارة لا يمكن أن تعطل عملية التمثيل الغذائي فحسب، بل تسبب أيضًا أمراضًا معوية.

في البشر، توجد كميات صغيرة من البروم في الدماغ والكلى والدم والكبد. للأغراض الطبية، يستخدم البروم كمسكن. ولكن جرعة زائدة يمكن أن يكون لها عواقب سلبية، والتي يمكن أن تؤدي إلى حالة من الاكتئاب في الجهاز العصبي، وفي بعض الحالات إلى الاضطرابات النفسية. ونقص البروم في الجسم يؤدي إلى خلل بين عمليتي الإثارة والتثبيط.

لا تستطيع الغدة الدرقية الاستغناء عن اليود، لأنها قادرة على قتل الميكروبات التي تدخل جسمنا. إذا كان هناك نقص في اليود في جسم الإنسان، فقد يبدأ مرض في الغدة الدرقية يسمى تضخم الغدة الدرقية. هذا المرض يسبب أعراض غير سارة للغاية. يشعر الشخص المصاب بتضخم الغدة الدرقية بالضعف والنعاس والحمى والتهيج وفقدان القوة.

من كل هذا يمكننا أن نستنتج أنه بدون الهالوجينات، لا يمكن للشخص أن يفقد الكثير من الأشياء الضرورية في الحياة اليومية فحسب، ولكن بدونها لن يتمكن جسمنا من العمل بشكل طبيعي.

تسمى طرق زيادة محتوى الحديد في المواد الخام الحديد بالعمليات المعدنةيسمى المنتج الناتج المعدنى.تحت درجة المعدنةويشير عادة إلى نسبة الحديد في المنتج.

وفقًا للغرض المقصود منها، يتم تقسيم المنتجات المعدنية عادةً إلى ثلاث مجموعات اعتمادًا على درجة المعدنة:

1) يتم استخدام ما يصل إلى 85% من منتج الحديد كشحنة فرن الصهر؛

2) 85-95% Fe - يُستخدم المنتج كشحنة في صهر الفولاذ؛

3)> 98% حديد - يستخدم المنتج لإنتاج مسحوق الحديد.

تتم عمليات تعدين المواد الخام الحديد عند درجات حرارة لا تتجاوز 1000-1200 درجة مئوية، أي في ظل الظروف التي تكون فيها المادة الخام (خام الحديد أو مركز خام الحديد) والمنتج في مرحلة صلبة، ولا يوجد تليين للخام. المواد أو التصاقها ببعضها والتصاقها بجدران الوحدات. تسمى عمليات الاستخراج المباشر للحديد من الخامات عمليات تخفيض المرحلة الصلبة(بي تي في). ولأن المادة الناتجة تشبه الإسفنج المسامي، فإنها غالبًا ما تسمى "الحديد الإسفنجي". يتم قبول الاختصار DRI (من اللغة الإنجليزية Direct-Reduced-Iron) أو DI (Direct-Iron) في الخارج. ويستخدم الجزء الأكبر من المنتجات الناتجة كشحنة لوحدات صهر الفولاذ.

لاختزال أكاسيد الحديد، عادة ما يتم استخدام الفحم (عامل اختزال صلب) أو الغاز الطبيعي (عامل اختزال غازي) كعامل اختزال. في هذه الحالة، يفضل عدم استخدام الغاز الطبيعي "الخام"، ولكن الغازات المختزلة الساخنة، لأنه في هذه الحالة لا يتم إهدار الحرارة عند تفكك الهيدروكربونات، ويتم تحديد مدخلات الحرارة عن طريق تسخين الغازات المختزلة.

يتم الحصول على الغازات المختزلة عن طريق تحويل الهيدروكربونات الغازية أو تغويز الوقود الصلب. تحويل الغاز الطبيعي يمكن أن يكون:

الأكسجين (الهواء)

CH 4 + 1/2O 2 = CO + 2H 2 + س،

CH 4 + N 2 0 = CO + ZN 2 – س،

ثاني أكسيد الكربون

CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 - س،

في حالة إعادة تشكيل البخار وثاني أكسيد الكربون، تكون الحرارة مطلوبة لحدوث التفاعل. ويتم التحويل في أجهزة خاصة باستخدام المحفزات.

تتم عملية تغويز الوقود الصلب عن طريق التفاعلات التالية:

ج + 1/2O 2 = CO + س،

ج + ح 2 يا = كو + ح 2 - س،

ج + C0 2 = 2CO - س،

يوجد حاليًا العديد من مصانع الاختزال المباشر العاملة في العالم، خاصة في البلدان ذات المواد الخام الرخيصة (الهند والمكسيك وفنزويلا وجنوب أفريقيا).

هناك عدة أنواع من عمليات وتثبيتات PRP (الشكل 7.1). الطرق الأكثر شيوعًا هي Midrex (MIDREX، الولايات المتحدة الأمريكية) وHyL (HyL، التي سميت على اسم شركة Hojalata-y-Lamina، المكسيك). تنتج طريقة ميدركس ما يقرب من ثلثي إجمالي الإنتاج العالمي من الحديد المباشر، وطريقة هيل - حوالي ¼

1 من اللات. تحويل -التغيير والتحول

أرز. 7.1.الرسوم التخطيطية للوحدات

الاسترداد المباشر المستخدم في

العمليات:

ميدركس (ميدريكس) ؛ 6-هيل(هيل)؛ إي-كروب با (كريب-رينفيرفارين). التسميات: كريات خام الحديد. ص -خام. GZh-الحديد الاسفنجي؛ VG-تقليل الغاز من-النفايات الغازية؛ تي-وقود؛ يو الفحم

والفرق الرئيسي بين عملية ميدركس (الشكل 7.2) هو طريقة تحويل الغاز الطبيعي، والتي تتم في هذه العملية عن طريق ثاني أكسيد الكربون الموجود في غاز العادم من الفرن، وفقا للتفاعل CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H2. قبل إمداد غاز العادم إلى وحدة التحويل، يتم تنظيفه من الغبار وH2O. ويتم إدخال الغاز المحول، الذي يحتوي على -35% CO و~65% H2، إلى الفرن عند درجة حرارة 750 درجة مئوية يتم توفير الغاز المتداول إلى الجزء السفلي من غاز الفرن، وتحتوي الكريات المبردة على ~ 95% Fe و~ 1% C. ويمكن زيادة محتوى الكربون في الإسفنج إذا لزم الأمر.

يتم تفريغ الكريات المعدنية المبردة بشكل مستمر في مخبأ بسعة 5 آلاف طن، حيث يتم تخزينها في جو خامل حتى ذوبانها في أفران القوس. ويبلغ استهلاك الغاز الطبيعي للعملية حوالي 350 م3 لكل 1 طن من المنتج. تم تنفيذ هذه العملية هنا في مصنع أوسكول للمعادن الكهربائية.

أرز. 7.2.رسم تخطيطي لعملية MIDREX:

1 -منفاخ؛ 2 - مبادل حراري؛ 3 -خلاط غاز؛ -/- وحدات التحويل - الضاغط؛ 6 - جهاز غسل غاز الفرن العالي. فرن 7 رمح 8- جهاز الغسيل- 9- شاشة تهتز 10- الصحافة فحم حجري

السمة الرئيسية لعملية الاسترداد في معوجات HyL التي تعمل بشكل دوري هي استخدام الإصلاح البخاري للغاز الطبيعي، والذي يتم تنفيذه في الأجهزة التي توجد فيها تعبئة الطوب مع إضافة النيكل كمحفز. تتم عملية التحويل من خلال التفاعل CH 4 + H 2 0 = CO + ZH 2.

يخضع الغاز لإزالة الكبريت قبل التحويل. ويحتوي الغاز المحول الناتج على حوالي 14% ثاني أكسيد الكربون، و58% هيدروجين، و21% ماء، و4-5% ثاني أكسيد الكربون. يمر الغاز الساخن عبر غلاية الحرارة المهدرة وينطلق من بخار الماء. يحتوي الغاز الجاف المتحول على حوالي 73% H2، 15-16% CO و6-7% CO2. يتم تسخينه إلى درجة حرارة 980-1240 درجة مئوية في أجهزة الاسترداد الأنبوبية التي يتم تسخينها بواسطة الغاز الخارج من وحدات الاسترداد. في هذه الوحدات يتم تسخين الكريات أو الخام باستخدام الحرارة الفيزيائية لغاز الاختزال، وعند درجة حرارة 870-1050 درجة مئوية، يتم اختزال الحديد بالهيدروجين وأول أكسيد الكربون. في المنشآت الأولى، تم استخدام المعوجات كوحدات استرداد. هناك أربعة معوجات من هذا القبيل في التثبيت.

يظهر هيكل المعوجة في الشكل. 7.3. ومن خلال إعادة ترتيب المعوجات من موضع إلى آخر، يتم ضمان الطبيعة الدورية للعملية، التي تتكون من عمليات متتالية

أرز. 7.3.معوجة للتمعدن باستخدام طريقة HyL:

1 - اسطوانة هيدروليكية؛ 2 - عربة التسوق؛ 3 - يقود؛ 4 - غلاف؛ 5- الغطاء. 6- تحميل الرقبة. 7-منصة الخدمة؛ 8- القاطع مع العتلات لإزالة الاسفنج. 9- بطانة؛ 10- آلية التحكم السفلية المفصلية 11 - أسفل للطي. 12- شلال التفريغ

عمليات التحميل والتسخين واسترجاع شحنة خام الحديد وتبريد وتفريغ الحديد الإسفنجي. بعد تحميل الشحنة في المعوجات، يتم توفير الغاز من الأعلى. لتفريغ الإسفنج النهائي، يتم استخدام القاطع وكاشطات التفريغ الخاصة. يدخل الحديد الإسفنجي إلى المزلق ثم إلى ناقل التجميع، الذي ينقل الإسفنج إلى ورشة صناعة الصلب. في كل تركيب، تشارك أربع معوجات في دورة الغاز، حيث تتم العمليات التالية: في إحداها، التسخين المسبق للشحنة وتقليلها بالغاز الخارج من المعوجات الأخرى، وتجفيفها (بدون H 2 O) وتسخينها؛ في اثنين - تخفيض إضافي للحديد في الشحنة بالغاز الساخن الذي تم الحصول عليه في وحدة التحويل؛ في الأخير - الكربنة.

درجة استخلاص الحديد في المنتج النهائي هي 75-92%. لكل طن واحد من المنتج (الحديد الإسفنجي) يتم استهلاك 600 م3 من الغاز الطبيعي وحوالي 36 ميجا جول من الكهرباء.

لا يتم استخدام طرق أخرى للحصول على الحديد الإسفنجي على نطاق واسع. التقنيات الوحيدة التي تستحق الاهتمام هي تلك التي توفر معالجة خالية من فحم الكوك للخامات المعقدة التي تحتوي، بالإضافة إلى الحديد، على مكونات قيمة مثل الفاناديوم والتيتانيوم والنيكل وما إلى ذلك. على سبيل المثال، معهد علم المعادن التابع لفرع الأورال التابع للمعهد الروسي طورت أكاديمية العلوم عملية لخفض الكربون الحراري لكريات الفحم الخام عند درجات حرارة عالية في منشآت شبكية باستخدام أي فحم غير فحم الكوك كعامل اختزال صلب.

المخطط التكنولوجي هو كما يلي: 1) تكوير مادة خام الحديد بالوقود الصلب لإنتاج كريات الفحم الخام. 2) تحميص الكريات في منشآت من النوع الشبكي للحصول على مواد خام عالية المعدنة؛ 3) استخدام الكريات الممعدنة كمادة مضافة للسبائك عند إنتاج الفولاذ في الأفران الكهربائية.

الكمية الرئيسية التي يتم الحصول عليها عن طريق طرق التخفيض المباشر منتج معدنيتستخدم كمادة تهمة. يحتوي هذا المنتج على عدد من الاختلافات عن الشحنة شائعة الاستخدام (الخردة المعدنية والحديد الزهر).

1. المنتج المعدني الذي تم الحصول عليه من شحنة نقية لا يحتوي عملياً على أي شوائب (Cr، Ni، Cu، Sn، إلخ) التي تتميز بها الخردة المعدنية العادية. هذه الجودة القيمة لهذا المنتج تجعله مادة خام لا غنى عنها لإنتاج الفولاذ النقي للغاية للأغراض الحيوية.

2. عندما يحتوي المنتج على 92-95% Fe، فإنه يحتوي على 5-8% من الشوائب (عادةً السيليكا وبعض أكاسيد الحديد غير المختزلة). وأثناء الصهر اللاحق، تتحول الصخور المهدورة إلى خبث، مما يزيد من كميته والحرارة اللازمة لإذابته. بالإضافة إلى ذلك، لخبث السيليكا الموجود في نفايات الصخور، يلزم استهلاك إضافي للجير، مما يزيد من كتلة الخبث إلى حد أكبر.

3. المنتج الذي يتم الحصول عليه بطرق الاختزال المباشر له كثافة منخفضة، لذلك، في عدد من المنشآت، يتعرض المنتج المعدني الساخن للقولبة من أجل زيادة كثافته الظاهرية، لاستخدام الدقائق المعدنية، وكذلك لزيادة مقاومة المنتج ضد الأكسدة الثانوية (تخميل المنتج).

وترد في الجدول بعض خصائص المنتج المعدني. 7.1.

الجدول 7.1. خصائص المنتج المعدني

4. غالبًا ما يحتوي منتج الاختزال المباشر على بعض الكربون (في عملية ميدركس 1-2%). يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند استخدام هذه المواد لإنتاج الفولاذ منخفض الكربون.

5. عادة ما يحتوي المنتج المختزل المباشر على كمية معينة (<2 %, а иногда и более) оксидов железа. При переплаве такого продукта эти оксиды должны быть восстановле­ны. Поскольку одновременно с окси­дами железа продукт содержит углерод, то при более высоком содержании уг­лерода в продукте допустима наиболее низкая степень металлизации и в связи с этим введено понятие درجة معادلة من المعدنة". M EKV= مو الفعل + أ%S، أين محقيقة - الدرجة الفعلية للتمعدن. إذا افترضنا أن الحديد المؤكسد في المنتج الممعدن يكون على شكل FeO، فوفقًا للتفاعل FeO + C = CO + Fe لكل 1 بالوزن. حصة الحديد أثناء التخفيض تستهلك 6 بالوزن. أسهم C، أي. أ = 6 و م مكافئ= حقيقة M + 6%C. عندما يكون هناك فائض من الكربون، يتم إنفاقه على كربنة الفولاذ. ومع ذلك، فإن هذه الحجج لا تأخذ في الاعتبار أن عملية اختزال الحديد تحدث مع استهلاك الحرارة. أظهر استخدام منتج الاختزال المباشر لتبريد صهر المحول أن تأثير التبريد للمنتج المعدني يمكن اعتباره أكبر بمقدار 1.2 مرة من تأثير خردة المعادن التقليدية.

6. إن القطع الصغيرة ذات الحجم الموحد من المواد المعدنية تجعل من الممكن تنظيم إمداد آلي للغاية ومستمر، إذا لزم الأمر، بهذه المادة إلى وحدات صهر الفولاذ.

7. منتج عالي المسامية ومعدن للغاية (حديد نقي تقريبًا) يزيد من قابلية الأكسدة و الاشتعال 1.

أثناء التخزين المفتوح، يمكن أن تنخفض درجة المعدنة إلى 70-90٪ على مدى عدة أشهر أو حتى أسابيع. في وجود الرطوبة، يرافق الأكسدة إطلاق الحرارة. إذا دخل الماء إلى غرفة مغلقة يتم فيها تخزين مادة قابلة للاشتعال، فسوف ترتفع درجة الحرارة وقد يحدث حريق. من الضروري أيضًا مراعاة إمكانية تطور الهيدروجين Fe + H 2 O = FeO + H 2، لذلك يتم اتخاذ التدابير لتخميل المواد المعدنية. تتطلب المنتجات المخفضة مباشرة، نظرًا لطبيعتها القابلة للاشتعال، احتياطات خاصة أثناء التخزين والنقل.

1 من اليونانية. رو-النار و فاروس- الحاملة (قدرة المعادن في حالة سحقها جيدًا على الاشتعال تلقائيًا في الهواء).

7.3. المعادن "الذرية" ("النووية").

إن إمكانية استخدام طاقة المفاعلات النووية في العمليات المعدنية أمر مغري للغاية. وهناك عدد من المقترحات والمشاريع المتعلقة بتنفيذ هذه الفكرة. ويدرس معظمهم خيارات استخدام الحرارة المنبعثة من المفاعلات النووية لتنفيذ عمليات التخفيض في الطور الصلب. وهناك أيضًا مقترحات لاستخدام الطاقة الذرية لتحليل الماء ومن ثم استخدام الهيدروجين لتقليل الحديد.

لقد طورت بلادنا مخططًا لمجمع المعادن النووية (NMK). أظهرت الحسابات الأولية أن استخدام الحرارة المنبعثة من المفاعلات النووية مباشرة للاختزال أكثر كفاءة من استخدام هذه الحرارة في مرحلة إنتاج الغازات المختزلة.

وينص مخطط الرنين المغناطيسي النووي المطور على ما يلي: إنتاجية عالية للوحدة، واستمرارية العملية، وإعادة تدوير الغازات المختزلة، حيث يتم تركيب الوحدات على مقربة من المفاعلات النووية. تم اختيار الهيليوم كمبرد (من مصنع المفاعل). وعامل الاختزال المختار هو الغاز الطبيعي، الذي يتم تحويله بواسطة حرارة الهيليوم المسخن من مفاعل نووي.

وفقا للمخطط، يجب أن تدخل مواد خام الحديد إلى فرن العمود، حيث سيحدث اختزال الحديد عند درجة حرارة حوالي 850 درجة مئوية. المنتج الناتج مخصص للاستخدام كمادة شحن في أفران صهر الفولاذ. وفقًا لمخطط الرنين المغناطيسي النووي، يجب تنقية الغازات الخارجة من فرن العمود من H2O وCO2 وإعادة استخدامها.

سيُظهر المستقبل طريقة استخدام الطاقة النووية في علم المعادن التي ستكون أكثر فعالية.