از معدن تا خانه — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

از معدن تا خانه (علوم تیزهوشان هفتم)

فلزهایی که در خانه می‌بینی، مثل سیم مس، قاشق فولادی و قوطی آلومینیومی، در طبیعت به این شکل پیدا نمی‌شوند و باید از دل زمین استخراج شوند. این فصل مسیر معدن تا خانه را نشان می‌دهد.

معدن، کانسار و اندیس

• معدن: محدوده‌ای که از آن یک یا چند مادهٔ معدنی استخراج شده یا می‌شود.
• کانسار: محدوده‌ای که برای استخراج مادهٔ معدنی در آن مطالعات تکمیلی انجام می‌شود تا معلوم شود برداشت اقتصادی هست یا نه.
• اندیس (نشانهٔ معدنی): محدوده‌ای که آثار مادهٔ معدنی در آن دیده شده، بدون توجه به اقتصادی بودن.

ترتیب منطقی: اندیس ← کانسار ← معدن. معدن زیرزمینی (مثل مس قلعه‌زری) با تونل و چاه و معدن سطحی (مثل مس سرچشمه) با پله‌های مناسب و ماشین سنگین کار می‌شود؛ زیرزمینی خطر و هزینهٔ بیشتری دارد. سنگ معدن چند فلز: سرب در گالن، مس در مالاکیت و کالکوزیت، جیوه در سینابر، آلومینیوم در بوکسیت و آهن در هماتیت و لیمونیت؛ طلا هم به‌صورت خالص یافت می‌شود.

واکنش‌پذیری و روش استخراج

فلزها را یکی از سه روش استحصال می‌کنند: برقکافت، تبدیل سنگ به اکسید و بازیابی فلز با کربن یا کربن مونوکسید (یا آلومینیوم) و حرارت دادن. پتاسیم، کلسیم، سدیم، منیزیم و آلومینیوم با برقکافت؛ منگنز، روی، کروم، آهن، قلع، سرب و مس با اکسید و کاهش؛ و نقره، جیوه و طلا با حرارت به‌دست می‌آیند. دلیلش واکنش‌پذیری است: فلز واکنش‌پذیر (مثل پتاسیم و سدیم) با عنصرهای دیگر، به‌ویژه اکسیژن، پیوند محکمی می‌سازد و جدا کردنش انرژی زیاد (برق) می‌خواهد. فلز کم‌واکنش (طلا و نقره) پیوند ضعیف دارد و حتی خالص یافت می‌شود. ترتیب واکنش‌پذیری از زیاد به کم: $\text{K}>\text{Na}>\text{Ca}>\text{Mg}>\text{Al}>\text{C}>\text{Zn}>\text{Fe}>\text{Sn}>\text{Pb}>\text{Cu}>\text{Ag}>\text{Au}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. کربن فلزهای پایین‌تر از خود را از اکسیدشان جدا می‌کند، اما نه آلومینیوم و بالاتر را. قاعده: هرچه فلز واکنش‌پذیرتر باشد، استخراجش سخت‌تر و پرهزینه‌تر است. طلا هرچند خالص است، چون به‌صورت ذره‌های ریز پراکنده است، پیدا کردنش دشوار است؛ طلای دریاها هم به‌علت پراکندگی استخراجش بسیار پرهزینه است.

استخراج مس

مس سولفید (کالکوزیت) را تنها با حرارت دادن در هوا می‌توان به مس تبدیل کرد: $\text{Cu}_2\text{S}+\text{O}_2\rightarrow 2\text{Cu}+\text{SO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. گاز گوگرد دی‌اکسید آلاینده است و نباید به جو برسد. در آزمایش مالاکیت، که همان مس (II) کربنات است، دو گام داریم: ابتدا حرارت آن را به $\text{CuO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تجزیه می‌کند ($\text{CuCO}_3\rightarrow\text{CuO}+\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، سپس کربن اکسیژن مس (II) اکسید را می‌گیرد: $2\text{CuO}+\text{C}\rightarrow 2\text{Cu}+\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. کربن عامل کاهنده است، چون واکنش‌پذیرتر از مس است و اکسیژن را از آن می‌گیرد؛ زغال هم منبع گرماست. آزمایش را با معلم، هود، عینک و ماسک انجام بده.

محاسبه: جرم $\text{CuCO}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر $64+12+3\times16=124$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و درصد مس $\frac{64}{124}\times100\approx51.6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد. از $1000\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ماده در حالت ایده‌آل حدود $516\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مس می‌آید. برای یک تن مس از سنگ ۲٪ مس باید $\frac{1000}{0.02}=50000\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، یعنی ۵۰ تن سنگ فرآوری شود؛ پس استخراج مس پرهزینه و پرپسماند است.

استخراج سرب

سرب بالاتر از مس قرار دارد و به صورت سرب سولفید ($\text{PbS}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) در گالن یافت می‌شود. حرارت دادن $\text{PbS}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سرب نمی‌دهد، چون سرب واکنش‌پذیرتر از مس است و به‌جای فلز، اکسید می‌سازد: $2\text{PbS}+3\text{O}_2\rightarrow 2\text{PbO}+2\text{SO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. سپس کربن که واکنش‌پذیرتر از سرب است، اکسیژن را می‌گیرد: $2\text{PbO}+\text{C}\rightarrow 2\text{Pb}+\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. زغال‌سنگ ارزان و فراوان است و استخراج با کربن هزینهٔ زیادی ندارد. دانه‌های نقره‌ای تیره و براق سرب فلزی‌اند. سرب و ترکیب‌هایش سمی‌اند، پس ماسک و عینک و نظارت معلم لازم است.

گاز $\text{SO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در سوزاندن سنگ تولید می‌شود. از آن می‌توان سولفوریک اسید ($\text{H}_2\text{SO}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) ساخت که در کود، باتری خودرو و مواد شوینده به کار می‌رود. این گاز باران اسیدی می‌سازد و به دستگاه تنفسی، گیاهان و ساختمان‌ها آسیب می‌زند، پس باید مانع ورودش به اتمسفر شد. جرم $\text{PbO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر $207+16=223$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و درصد سرب آن حدود $\frac{207}{223}\times100\approx92.8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد؛ از $446\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سرب اکسید $414\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سرب می‌آید. درصد سرب در $\text{PbS}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی هم $\frac{207}{239}\times100\approx86.6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

استخراج آهن در کورهٔ بلند

مواد ورودی: سنگ آهن (هماتیت $\text{Fe}_2\text{O}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، کُک، سنگ آهک و هوای گرم. کُک می‌سوزد، گرمای بسیار زیاد (حدود ۲۰۰۰ درجهٔ سلسیوس) و $\text{CO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تولید می‌کند ($2\text{C}+\text{O}_2\rightarrow 2\text{CO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی). کربن مونوکسید اکسیژن را از اکسید آهن می‌گیرد: $\text{Fe}_2\text{O}_3+3\text{CO}\rightarrow 2\text{Fe}+3\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. سنگ آهک ناخالصی سیلیسی را به سرباره تبدیل می‌کند که روی آهن مذاب شناور می‌ماند و جدا می‌شود: $\text{CaCO}_3\rightarrow\text{CaO}+\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{CaO}+\text{SiO}_2\rightarrow\text{CaSiO}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. کُک هم سوخت است و هم منبع عامل کاهنده. فرآورده‌های جانبی سرباره، $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و گازهای دیگراند. ناخالصی اصلی آهن کورهٔ بلند کربن (حدود ۴٪) است؛ این چدن شکننده است و برای تبدیل به فولاد کربن و ناخالصی‌ها را کم می‌کنند.

درصد آهن در هماتیت: جرم $\text{Fe}_2\text{O}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر $160$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و $\frac{112}{160}\times100=70$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد. از ۲۰۰ تن هماتیت خالص ۱۴۰ تن آهن می‌آید. در ۵۰۰ کیلوگرم سنگی با ۴۰٪ هماتیت، هماتیت $200\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و آهن $140\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. در ترمیت، آلومینیوم اکسید فلز کم‌فعال‌تر را کاهش می‌دهد: $2\text{Al}+\text{Fe}_2\text{O}_3\rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3+2\text{Fe}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ آهن مذاب ریل‌ها را جوش می‌دهد.

سیلیس

سیلیس ($\text{SiO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) فراوان‌ترین اکسید پوستهٔ زمین است و در ماسه و کوارتز به‌صورت آزاد یافت می‌شود. در شیشه، چینی، سرامیک، فروسیلیس، پشم شیشه، ریخته‌گری و نیمه‌هادی الکترونیک و مصالح ساختمانی به کار می‌رود. درجه‌بندی: درجه ۱ حداقل ۹۶٪ (شیشه‌سازی، لعاب، فروسیلیس)، درجه ۲ بین ۸۵ تا ۹۵٪ (ریخته‌گری، سندبلاست، فیلتراسیون) و درجه ۳ بین ۷۰ تا ۸۵٪ (ماسه آهکی، آجر سبک، سیمان و بتن سبک). در ۵۰۰ گرم سیلیس درجه ۱ حداقل $500\times0.96=480\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سیلیس هست. نمونهٔ ۹۰٪ درجه ۲ است و برای شیشه‌سازی مناسب نیست.

حفاظت از منابع

زمین‌شناسی اقتصادی دربارهٔ استخراج معادن و برداشت از آنهاست. راه‌های حفاظت: استفادهٔ درست و استاندارد از منابع، بازیافت (مثلاً بازیافت آلومینیوم حدود ۵ درصد انرژی استخراج از بوکسیت را می‌خواهد) و کاهش مصرف که هزینه و آلودگی را کم می‌کند. موارد دیگر: مواد جایگزین، تعمیر و استفادهٔ طولانی‌تر، محصولات سبک‌تر، جداسازی زباله، انرژی تجدیدپذیر و آموزش و قانون‌گذاری.

نکته‌های تکمیلی

سه نکتهٔ مهم برای حل مسئله: ابتدا واکنش‌پذیری فلز را در ردیف بسنج تا روش استخراج را تعیین کنی؛ سپس معادله را بنویس و عامل کاهنده را بشناس؛ و در پایان با جرم اتمی درصد فلز را حساب کن. بیشتر مسئله‌های فصل از شکل «جرم سنگ × درصد ماده × درصد فلز در آن ماده» پیروی می‌کنند. در ایران ثبت و استخراج بیشتر معادن برای عموم آزاد است و معادن طلا و اکتشاف نفت چون سرمایهٔ ملی‌اند در اختیار دولت‌اند. گاز آزادشده از سوزاندن سنگ‌های سولفیدی را نباید رها کرد؛ به‌جای آلودگی می‌توان آن را به سولفوریک اسید تبدیل کرد.

اشتباه‌های رایج