تعدّ القشرة الأرضية الصلبة المستودع الرئيس الذي تُستخلص منه معظم العناصر ومركباتها. ويتطلب الحصول على أي مادة البحث والتنقيب عنها في المكان الذي توجد فيه خاماتها؛ فالمواد لا تنتشر في كل مكان من القشرة الأرضية، كما هي الحال في الهواء والماء؛ فأنت تجد المواد الرئيسة نفسها في هواء بلدك أو في هواء بلد آخر، كما تجد أملاح البحر نفسها في مختلف البحار والمحيطات. وقد تكون هناك اختلافات محدودة في تركيز بعض المواد نتيجة شوائب تدخل إلى الهواء أو الماء، فتؤثر في مياه منطقة أو هوائها أكثر من غيرها.عند الكشف عن مناجم مهمة لمادة معينة تبدأ عمليات استخلاصها، ثم تحويلها إلى مواد قابلة للاستخدام، وعمليات التحويل تشمل – عادة- تفاعلات كيميائية.
ولتمثيل استخلاص عناصر من القشرة الأرضية واستخدامها ستتعرف مثالاً لعنصر فلزي وآخر لعنصر لا فلزي.
1-
الشكل (1-32): البوكسيت؛ أهم خامات الألومنيومالألومنيوم
الألومنيوم هو أكثر العناصر الفلزية توافراً (على شكل مركبات) في القشرة الأرضية (قرابة 8%) وأهم خاماته (البوكسيت) الذي يتكون بشكل رئيس من الألومينا (أكسيد الألومنيوم) مع شوائب من أكسيد الحديد والسليكا (أكسيد السليكون (IV)؛ انظر الشكل (1-32).
سؤال
إذا علمت أن ذرية الألومنيوم هي 3، والحديد أيضاً 3، السليكون 4، اكتب صيغاً كيميائية لأكاسيد هذه العناصر.
وأولى مراحل تحضير الألومنيوم من هذا الخام هي إزالة الشوائب والحصول على الألومينا بشكل نقي نسبياً. وتستخدم لأجل ذلك تفاعلات كيميائية تشمل المعالجة بهيدروكسيد الصوديوم.
أما المرحلة الثانية لتحضير الألومنيوم فهي التحليل الكهربائي لمصهور الألومينا، وهي طريقة مكلفة جداً؛ إذ تستهلك فيها طاقة كبيرة في مجالين: أولاً صهر الألومينا وثانياً إنتاج الكهرباء للتحليل الكهربائي، وقد أمكن تخفيض الكلفة نسبياً بخفض درجة الانصهار، وذلك بإضافة مواد أخرى للألومينا؛ – كما درست سابقاً- وهي الكريوليت وفلوريد الألومنيوم. ويبيّن المخطط في الشكل (1-33) عمليات استخلاص الألومنيوم من خام البوكسيت.
الشكل (1-33): مخطط استخلاص الألومنيوم من خام البوكسيت.
وهذه الطريقة مكلفة مما ينعكس على ثمن الألومنيوم، فقد وجد أن إنتاج طن من الألومنيوم يحتاج إلى (4.6) طن من خام البوكسيت، (0.5) طن وقود، 0.1 طن NaOH، ا0.04 طن AIF 3،ا 0.3 طن كريولايت، علاوة على ثمن الكهرباء وتآكل أقطاب الكربون التي تحتاج إلى تجديد.
الموقع
نسبة الفلوريد%
الشيدية
أواسط الأردن
الرصيفة
شمال الأردن
3.06
3.58
3.98
1.91
يحتوي الفوسفات الأردني على نسب متفاوتة من الفلوريد كما في الجدول، وفي صناعة الأسمدة الفوسفاتية يضاف حمض الكبريتيك إلى فوسفات الكالسيوم (الذي يحوي الفلوريد)؛ مما يؤدي إلى تكون حمض الهيدروفلوريك، ويمكن مفاعلة الحمض الأخير مع السليكا (SiO 2) لإنتاج حمض الهيدروفلورسيلسيك (H 2SiF 6) الذي يستخدم في تحضير فلوريد الألومنيوم (AIF 3) كما يستخدم في تحضير الألومنيوم.
وقد شجّعت كلفة إنتاج الألومنيوم العالية محاولات جمع الألومنيوم المستخدم وإعادة تجهيزه واستخدامه؛ فكلفة إعادة التجهيز لا تتجاوز 5% من كلفة التحضير من الخامة الأساسية.
سؤال
اذكر خمسة أشياء يُتوقع وجودها في المنازل ويدخل الألومنيوم في صناعتها. صف هذه الأشياء من جهة ليونتها ومتانتها، وخفتها بالنسبة إلى مثيلاتها من الحديد أو النحاس.
يتوقع وجود صلة بين صفات الألومنيوم واستخداماته. تعرّف صفات الألومنيوم المدرجة أدناه وقارنها بصفات المغنيسيوم التي وردت سابقاً.
ذرة الألومنيوم :العدد الذري: 13، الكتلة الذرية 26.98، إلكترونات مستوى الطاقة الأخير: 3، المجموعة IIIA، الذرية3، رقم مستوى الطاقة الأخير: 3.
عنصر الألومنيوم :الكثافة: 2.70غ/سم3. درجة الانصهار: 660°س. فلز فضي لامع، قابل للطرق والسحب، غير سام، موصل جيد للحرارة والكهرباء، متين، مظهره جذاب.
إن هذه الصفات تؤهل الألومنيوم لاستخدامات مهمة وواسعة جداً؛ إذ لا يكاد يخلو بيت أو مؤسسة أو هيكل معدني من الألومنيوم. وفيما يأتي أمثلة لهذه الاستخدامات:
أ-أشياء تصنع من الألومنيوم: على الرغم من أن كثافة الألومنيوم أعلى من كثافة المغنيسيوم إلا أنه أيضاً عنصر خفيف مقارنة بالعناصر الفلزية الأخرى، لذا يستخدم – كالمغنيسيوم- في صناعة الأشياء الفلزية التي تتطلب كتلاً خفيفة، ويتميز عن المغنيسيوم بمتانة أكبر ونشاط أقل في التفاعلات؛ فهو لذلك أقدر على الصمود أمام العوامل البيئية من هواء ورطوبة وغيرها.
تستخدم سبائك الألومنيوم في صناعة الهياكل الفلزية الخفيفة والمتينة؛ كأجسام الصواريخ والطائرات، ودراجات السباق، وهوائيات التلفاز. وفي صناعة المغانط، والشبابيك وأعمال الديكور وغيرها.
ومن الاستخدامات الحديثة والمميزة لعنصر الألومنيوم صنع المرايا التي تعكس الأشعة الضوئية والأشعة الحرارية بدلاً من الزجاج، مثل عاكسات الحرارة في المدفأة التي تستخدم الوقود (الغاز أو الكاز)، وعاكسات الضوء في الكشافات الضوئية (في ضوء السيارة مثلاً).
لقد أصبح بالإمكان تحقيق هذه الاستخدامات عن طريق الألومنيوم، وذلك بطلاء صفائح فلزية بطبقة رقيقة من الألومنيوم الذي يتحول إلى أكسيد متماسك مقاوم يعكس الضوء والحرارة.
ولعلك تتسائل: كيف تقاوم الأشياء التي تصنع من الألومنيوم التآكل مع أن الألومنيوم فلز نشيط؟
يتفاعل الألومنيوم مع الأكسجين مكوناً طبقةً من أكسيد الألومنيوم Al 2O 3 على سطحه، وهذه الطبقة غير مسامية وغير قابلة للذوبان في الماء، فتعمل على عزل الألومنيوم عن الرطوبة والهواء فتؤدي إلى حمايته.
سؤال
أذكر ميزتين يتفوق فيهما الألومنيوم على النحاس في مجال صناعة الأسلاك الكهربائية.
ب-طاقة ينتجها الألومنيوم: درست سابقاً أن تفاعل الثرميت ينتزع فيه الألومنيوم الأكسجين من أكسيد الحديد (III)؛ مطلقاً كمية كبيرة من الحرارة ومنتجاً الحديد على شكل مصهور قد تصل درجة حرارته قرابة °3000س. ويوظف هذا التفاعل لعمليات وصل القضبان الحديدية كسكة الحديد.
سؤال
اكتب معادلة تمثل تفاعل الثرميت مبيناً الطاقة فيها.
وأبرز استخدام حديث للطاقة الناتجة من أكسدة الألومنيوم هو في الوقود الصلب المستخدم في دفع الصواريخ الحاملة للمكوك الفضائي، فأحد أنواع الوقود الصلب المستخدم مكون من : مسحوق الألومنيوم (الوقود)، وفوق كلورات الأمونيوم NH 4CIO 4(المادة المؤكسدة)، وقليل من أكسيد الحديد (III) (لحفز التفاعل)، وصمغ بلاستيكي (لربط المواد ببعضها). وعندما يُشغّل الصاروخ يتأكسد الألومنيوم ويعطي كمية هائلة من الحرارة، فتتمدّد الغازات وتدفع الصاروخ بقوة كبيرة، ويخرج أكسيد الألومنيوم كغيمة بيضاء كثيفة من مؤخرة الصاروخ؛ انظر الشكل (1-34).
الشكل (1-34): استخدام الألومنيوم في الوقود
الصلب لدفع الصواريخ
جـ-استخدامات لبعض مركبات الألومنيوم: فضلاً عن الاستخدامات السابقة لعنصر الألومنيوم، فإن مركباته تعمل في خدمة الإنسان، وفيما يأتي بعض الأمثلة:
من أبـرز مركبات الألومنـيوم أكسيـده المعروف بالألومـينا، ولإحدى تشـكيلاته الطبيعـية المعروفة بشكل ألف
الشكل (1-35): بعض الأحجار الكريمة التي يدخل
في تركبيها الأومنيا.
ا (Al 2O 3) استخدامات مباشرة؛ فهذا النوع من الألومينا يتميز بالقساوة وارتفاع درجة الانصهار (قرابة °2050س)، ومقاومته للتفاعلات، لذا يُصنع منه الطوب الحراري المستخدم في تبطين الأفران، كما يصنع منه ورق الزجاج الذي يستخدمه النّجارون والحدّادون، ويدخل في تركيب بعض الأحجار الكريمة، كما في شكل (1-35)، وفي تركيب الأسمنت.
ومن مركبات الألومنـيوم أيـضاً كبريتات الألومنيوم Al 2(SO 4) 3 المستخدمة في صناعة الورق؛ وتنقية الماء؛ ؟إذ يتكون راسب هيدروكسيد الألومنيوم الجيلاتيني عند إضافة قاعدة مثل: Ca(OH) 2؛ ويحمل الراسب معه الكثير من الشوائب الموجودة في الماء.
وتدخل كبريتات الألومنيوم في تركيب الشب (Alum) مثل شب الألومنيوم البوتاسي KAI(SO 4) 2.12H 2O المستخدم في تثبيت الأصباغ.
2- الكبريت
يوجد الكبريت إما منفرداً أو متحداً مع غيره في مركبات طبيعية غير عضوية منها: كبريتات الفلزات الحاوية على أيون الكبريتات i(SO4) 2- وكبريتيداتها الحاوية على أيــون الكبريتي S 2-i، وفي مركبات عضوية كالنفط وفي مكونات بعض الخضراوات (كالثوم والبصل).
سؤال
اذكر مثالين على مركبات الكبريتات ومركبات الكبريتيد.
ويوجد في القشرة الأرضية منفرداً (غير متحد مع عناصر أخرى)؛ وكان – قبل عقود- المصدر الرئيس للعنصر ولمركباته المستخدمة، إلاّ أن الكبريت المتحد الموجود في المنتوجات النفطية (الغاز الطبيعي والبترول)، أصبح يأخذ حصة متزايدة في إنتاج الكبريت؛ فأكثر من 60% من الكبريت يأتي الآن من المصادر النفطية.
الشكل (1-36): طريقة فراش
لاستخلاص الكبريت.
ويمكن الحصول على الكبريت المنفرد من الأرض بطريقة فراش كما في الشكل (1-36)؛ إذ يتم صهر الكبريت في مكان وجوده باستخدام الماء الحار المضغوط ودفعه مصهوراً إلى سطح الأرض باستخدام الهواء المضغوط.
وفي الوقت الحاضر تزايد الاهتمام باستخلاص الكبريت من المنتوجات النفطية مثل الغاز الطبيعي حيث يوجد الكبريت في الغاز الطبيعي على شكل كبريتيد الهيدروجين H 2S، ويُفصل بوساطة مذيبات خاصة ثم يفصل من المذيبات ويُفاعل مع كمية محدودة من الأكسجين (احتراق غير كامل) منتجاً الكبريت.
إن إزالة الكبريت من النفط عند تكريره أمر لابد منه سواء قُصد تحضير الكبريت أم لا، فبقاء الكبريت في الغاز الطبيعي أو في النفط السائل يؤدي عند الاحتراق إلى تكون غاز SO 2 الذي درست سابقاً عن أثره الضار في البيئة (المطر الحمضي كما أنه يؤدي إلى تآكل آلات الاحتراق)؛ لذا أصبح إنتاج الكبريت ملازماً لصناعة النفط.
النشاط (1-13): بعض خصائص الكبريت
ارجع إلى الجدول الدوري وإلى مرجع (Handbook of Chemistry & Physics)، وسجّل صفات الكبريت المشار إليها في الجدول الآتي:
العدد الذري
الكتلة الذرية (وحدة كتلة ذرية)
إلكترونات مستوى الطاقة الأخير
الذرية
الدورةالمجموعة
الكثافة*
درجة * الانصهار
اللون
فلز/لا فلز
* ستجد أكثر من قيمة. سجل جميع القيم.
بعد اطّلاعك على الصفات المبينة في الجدول، ومقارنتها بصفات عناصر أخرى، قد تتولد لديك تساؤلات منها: ما سبب تعدّد درجات الانصهار وقيم الكثافة المسجلة للكبريت؟
من المتوقع أن تجد إجابات عن هذه الأسئلة بعد دراستك عن تركيب عنصر الكبريت وسلوكه. ومن أبرز صفاته التي تفسر سلوكه – صفة التآصل (Allotropy).
أ-
التآصل: هناك عدد من العناصر عندما تتجمع دقائقها (ذراتها أو جزيئاتها) في احلاله الصلبة فإنها تعطي أشكالاً مختلفة، تتفاوت في انتظام بلوراتها، وفي ترتيبها؛ فقد تتجمع دقائق مادة ما في شكل بلورات مكعبة أو معينية أو كروية- وذلك حسب ظروف تكوينها (الضغط ودرجة الحرارة) – ويمكن تشبيه ذلك بالأشكال المختلفة التي يمكنك بناؤها مع قطع الليغو نفسها.
ولعنصر الكبريت الصلب أكثر من شكل تآصلي؛ فهو – في القشرة الأرضية- ذو لون أصفر، وقد بيّنت الدراسات أنه مكون من جزئيات يحتوي كل منها على ثماني ذرات S 8 متصلة ببعضها في حلقة تشبه شكل التاج، الشكل (1-37) وتتجمع هذه الجزئيات في بناء هندسي منتظم في بلورة الكبريت المعيني شكل (1-38).
وإذا صُهر الكبريت وسُخِّن إلى درجـة حرارة تـزيد قليلاً على 120س° ثم يُرّد ببطء فإن البلورات تأخذ الشكل الإبري أحادي الميل المختلف عن الشكل العيني، لاحظ الشكل (1-39)، لكنها تتكون من جزئيات S 8 نفسها التي يتكون منها الكبريت المعيني.
لعلك تستنتج أن ظاهرة التآصل هي السبب في وجود أكثر من درجة انصهار للكبريت وأكثر من قيمة للكثافة.
الشكل (1-37): جزيء الكبريت الحلقي S 8.
الشكل (1-38): الكبريت المعيني.
الشكل (1-39): الكبريت الإبري.
شكل جديد للكربون
الغرافيت والماس من الأشكال التآصلية للكربون، وهي ليست أشكالاً نقية، إذ تحتوي على ذرات عناصر أخرى غير الكربون. وقد اكتشف حديثاً شكل نقي للكربون يتكون من جزئيات كربونية عملاقة. ويتكون جزئ الكربون العملاق من 60 ذرة كربون (C 60) ويسمى بكمنستر فوليرين (Buckminster Fullerene) نسبة إلى مكتشفه الأمريكي. ويطلق الكيميائيون على الجزيء الجديد كرة باكي (Bucky Ball)، إذ أنه على شكل كرة مفرّغة.
وقد تمكن الكيميائيون في عام 1991م من التقاط صورة لجزيء كرة باكي بوساطة الأشعة السينية وبمساعدة الحاسوب. وتبيّن من تركيبه البلوري كيفية ترتيب الـ 60 ذرة كربون والتركيبات الخماسية والسداسية المتجاورة، كما تأكد شكله الهندسي الكروي الذي يشبه القبة، انظر إلى الشكل المجاور. ويمكن الحصول على كرات باكي بتسخين قطعة من البرافين باستخدام لهب بنسن؛ إذ يتكون سناج أسود يحتوي على كرات باكي. وقد وجد أن جزئيات C60 أكثر مرونة من أي جزئيات أخرى معروفة، وهذه الخاصية تجعلها صالحة للاستخدام وقوداً للصواريخ ومرْكبات الفضاء إذ يمكنها أن تتحمل ضغوطاً هائلة. وإذا ضُغطت كرات باكي باتجاه بعضها البعض، فإن ذرات الكربون في الكرات المتجاورة تبدأ بالتنافر وتصبح المادة شديدة الصلابة، وإذا زاد الضغط بسرعة هائلة وبقوة تتحول كرات باكي إلى الماس.
وقد وجد العلماء أن تبريد خليط من كرات باكي والبوتاسيوم أو أي مواد أخرى، إلى درجة حرارة منخفضة – °255س، يصبح للخليط مقدرة فائقة على توصيل التيار الكهربائي ويواصل العلماء البحث عن تطبيقات عملية مفيدة أخرى لهذا الجزيء العجيب.
النشاط (1-14): التآصل في الكربون
يوجد للكربون شكلان تآصليان هما الماس والغرافيت ارجع إلى كتاب Handbook of Chemistry & Physics وسجّل المعلومات الآتية عنهما:
أ- اللون. ب- درجة الانصهار جـ- الصلابة د- التوصيل الكهربائي
ب-استخدامات الكبريت: مثل كثير من اللافلزات؛ تؤدي الاستخدامات المباشرة لعنصر الكبريت إلى استهلاكه، ويستخدم الكبريت المنفرد في صناعة البارود والمفرقعات. ومنذ القدم استخدم الكبريت في صنع أعواد الثقاب؛ فهو أحد مكونات المادة التي توضع على رأس العود، ومن هنا جاء الاسم الشائع لعود الثقاب وهو: عود “الكبريت”. وقد عرفت خاصية الاشتعال في الكبريت منذ اكتشافه فسمي حجر الاحتراق.
الشكل (1-40): نسب استخدام حمض الكبريتيك
في لاصناعات المختلفة.
ومن استخداماته التي لا تشمل اشتعاله – مكافحة الفطريات والحشرات التي تصيب النباتات.
ويقترن الكبريت واستخدامه بأهم مادة كيميائية تستخدم في مختلف مجالات الحياة، من صناعة وزراعة وغيرها – وهي حمض الكبـريتيك (H 2SO 4)، ولا شك أنك تعرفت هذا الحمض في مجال دراستك عن الحموض وتفاعلاتها، والأمثلة على تفاعلاته عديدة، ولا تكاد تستغني عنه أي صناعة مهمة، ولا يكاد يخلو منه مختبر.
وتُحضّر منه سنوياً عشرات الملايين من الأطنان، ويعد الازدياد في استهلاكه مؤشراً على التقدم الصناعي، ويمثل الشكل (1-40) نسب استخدامه في بعض المجالات الصناعية الرئيسة التي تتصدرها صناعة الأسمدة. مثل: سماد كبريتات الأمونيوم i(NH 4) 2SO 4 ، وكبريتات البوتاسيوم K 2SO 4والسوبرفوسفات.
ويستخدم غاز ثاني أكسيد الكبريت (SO 2) (الذي عرفته غازاً ضاراً للبيئة والكائنات الحية) في صناعة الورق والأقمشة، إذ يقصر الألوان ويستخدم كمادة حافظة لكثير من المواد الغذائية، كالعصير ورقائق البطاطا.
وللكبريت مركب آخر دخل بيوتنا – في أكثر الأجهزة انتشاراً- وهو كبريتيد الخارصين ZnS، الذي – لولاه- لما رأينا صورة على شاشة التلفاز؛ إذ تصنع منه الطبقة التي تغطي زجاج الشاشة، وتتكون الصورة نتيجة سقوط الأشعة عليها.
النشاط (1-15): معلومات عن العناصر
اختر عنصراً من عناصر مجموعة A في الجدول الدوري غير المذكور في هذا الفصل، ثم اختر واحداً من مركباته الرئيسة وسجّل معلومات عن العنصر وعن المركب تشمل الجوانب الآتية:
أ- موقع العنصر في الجدول الدوري، وصفات ذراته.
ب- صفات العنصر الطبيعية والاستخدامات المتصلة بها.
جـ- المصدر الذي يحضر منه العنصر.
د- الطريقة العامة لتحضير العنصر.
هـ-أبرز صفات المركب.
و-أبرز استخدامات المركب.
ز- طريقة لتحضير المركب.
قدم عملك لمدرسك ليجمعه وينسقه مع أعمال زملائك في لوحة تعرض في المدرسة. استعن بالمعلومات الواردة في هذا الفصل وبالمراجع التي أصبحت معروفة لديك. اجمع صوراً ورسوماً توضح صفات العنصر واستخداماته.
) والتفاعل العكسي (
). ما العلاقة بين سرعتيهما عند الاتزان؟
لوجدت بعد مرور فترة من الزمن أن ذرات الكربون المشع لا توجد فقط في CaCO 3 بل في بعض جزيئات CO 2 أيضاً، وهذا يدل على أن كربونات الكالسيوم تتحلل باستمرار.
الذي يحتوي على ذرات كربون مشع إلى التفاعل المتزن دون تغيير الضغط، فبعد فترة تجد أن كربونات الكالسيوم تحتوي هي الأخرى على كربون مشع، مما يدل على استمرار التفاعل في الاتجاه العكسي أيضاً.
