الفلزات، علم. علم الفلزات تخصص علمي يهتم بفصل الفلزات واستخلاصها من خاماتها، وإعدادها في صورة مناسبة لاستعمال الإنسان. وغالبية المواد الفلزية التي نستعملها في حياتنا تم الوصول إلى صورتها التي بين أيدينا، بجهود العاملين في مجال الفلزات. وتُعد المواد الفلزية من أهم المواد في حياة البشرية ؛ فهي التي توصل الكهرباء إلى المنازل، وإلى المصانع، كما ينشأ منها الهيكل العام لناطحات السحاب. وتصنع أيضًا من الفلزات معظم الأجزاء في السيارات، والقطارات، والطائرات. كما يصنع منها أيضًا الكثير من المعدات. وبوجه عام يمكن القول: إنه بدون الفلزات لن تكون هناك صناعات أو تصنيع أو إنشاءات. وينقسم علم الفلزات إلى قسمين أساسيين: هندسة استخلاص الفلزات، أو علم العمليات الفلزية، وعلم فيزياء الفلزات، أو السبائك الفلزية.
استخلاص الفلزات
يهتم علم استخلاص الفلزات باسترجاع الفلزات والحصول عليها من خاماتها، ثم تنقية الفلزات الناتجة للوصول بها إلى درجة عالية من النقاء. ويشمل علم استخلاص الفلزات عدة أفرع تخصصية من العمليات التجارية مثل تهيئة المعادن، والتحميص، والتلبيد، والصهر والاختزال، والاستخلاص بالتصفية، والتحليل بالكهرباء والملغمة.
هي إحدى خطوات عمليات استخلاص الفلزات، وتجري بعد تعدين الخام من المناجم وقبل مرحلة استرجاع الفلز منه. وعملية تهيئة الخام هي إزالة أقصى كمية ممكنة من الشوائب والمواد الدخيلة غير المرغوب فيها من الخام قبل إجراء المراحل التالية من الاستخلاص. وتتم عمليه تهيئة المعادن في العادة بسحق الخام إلى درجة يمكن عندها فصل الفلز، ومعه بعض العناصر غير الفلزية بعيدًا عن النفايات أو المواد غير المرغوب فيها، ثم يتم بعدئذ فصلُ النفايات بعيدًا بالتعويم أو بعمليات غسيل مختلفة. وفي عملية التعويم يقلب الخام المسحوق (يحرك) في الماء، بوساطة الهواء، أو فقاعات غازية. ويساعد وجود بعض المواد الكيميائية أو الزيوت على التصاق حبيبات المعادن بالفقاعات الهوائية، حيثُ تُزال عندئذ المعادن في صورة رغوة. ويطلق على مواد النفايات التي توجد مع خام المعدن اسم الشوائب المعدنية وبإزالتها من الخام تقل عندئذ كمية المواد المتداولة، التي ستجرى عليها عمليات الاستخلاص اللاحقة. ونتيجة لهذه المعالجة والحصول على خام غني أكثر تركيزًا، تصبح عمليات تنقية الفلز في صورته النهائية ذات جدوى اقتصادية.
تعتبر عملية التحميص إحدى طرق استخلاص الفلزات. وفي هذه العملية تتم إزالة الكبريت وبعض الشوائب الأخرى من الخام. وتجري عملية التحميص بتسخين الخام في الهواء. وأثناء التسخين يتحد الكبريت وبعض الشوائب الأخرى مع أكسجين الهواء مكونةً مركبات غازية، تخرج كجزء من الغازات المتصاعدة. وتحتوي المادة الجامدة المتخلفة من التسخين مع الهواء على أكسيد الفلز (مركب الفلز والأكسجين) ولابد من الاستمرار في معالجة المادة المتبقية من التحميص بالتنقية أو بالاختزال للحصول على الفلز في صورة نقية.
يمكن أن تحدث عملية التلبيد بصورة تلقائية إذا أجريت عملية التحميص عند درجة حرارة عالية. وفي عملية التلبيد تتجمع الحبيبات الدقيقة المتجاورة، مكونة كتلاً كبيرة الحجم. ويتم اتصال الحبيبات الدقيقة معًا بتأثير قوة الشد السطحي بين الحبيبات، وهي نفسها القوة المؤدية إلى تجمع قطرات الماء الصغيرة معًا لتكوين قطرات أكبر حجمًا. وفي بعض الحالات يصاحبُ عملية التلبيد انصهار جزئي لحبيبات الخام الدقيقة، ولكن في معظم الحالات تظل الحبيباتُ في حالة جامدة أثناء هذه العملية. والركام أو الكتل كبيرة الحجم الناتجة عن عملية التلبيد، تكونُ غير منتظمة الشكل، ولكن يمكن التعاملُ معها واستخدامها في العمليات التالية بيسر وسهولة أفضل من الحبيبات دقيقة الحجم.
بعد إجراء عمليات التهذيب الأولية للخام مثل تهيئة الفلز، أو التحميص، أو التلبيد تبدأ عندئذ عمليات الاستخلاص الفعلية. والطريقةُ الفعلية لاسترجاع الفلز واستخلاصه هي عملية الصهر، أي صهر الخام بطريقة تسمح بإزالة الشوائب المعدنية. ففي حالة استخلاص الحديد على سبيل المثال، يشحن الخام في فرن ضخم مبطن بالطوب الحراري، يطلق عليه الفرن العالي. ويتعرض الخام في الفرن لحرارة عالية، كما توضع مع الخام أيضًا كميات من الكوك والحجر الجيري. وعند احتراق الكوك في الفرن العالي ترتفع درجة حرارة الفرن، وينطلق غاز أول أكسيد الكربون. ويعمل غاز أول أكسيد الكربون عامل اختزال لخام الحديد ؛ حيثُ يأخذ منه الأكسجين مساعدًا على تنقية الفلز. وفي هذه الأثناء تنصهر أيضًا كثير من شوائب الخام الأخرى، وتتحد مع الحجر الجيري مكونة تجمعًا سائلاً، يعرف باسم نفاية المواد الهالكة، وهي في العادة أخف من فلز الحديد، لهذا تطفو النفاية على قمة سطح الفلز المنصهر، حيث تسحب من الفرن في صورة خَبَث. ويسحب الخبث من فتحات موجودة على جوانب الفرن، وتقع على مستوى أعلى من مستوى فتحات سحب الحديد المنصهر. ولا يكون مصهور الحديد الناتج عن عمليات الاستخلاص المذكورة خاليًا تمامًا من الشوائب، ولكنه يحتوي على كميات منها، ولكن الحديد المستخلص يمثل معظم محتويات الحديد في الخام. ونظرًا لاحتواء الحديد على كمية من الشوائب فلابد من تنقيته بصورة أفضل. وفي غالب الأحوال تتم عملية تنقية الفلز بتفاعله مع الأكسجين في أفران تنقية خاصة.
- استخلاص الفلزات بالتصفية:
يمكن استخلاص بعض الفلزات من خاماتها بكفاءة عالية، وذلك بفصلها عن خاماتها بطريقة استخلاص الفلز باستعمال مذيب. وتقوم هذه الطريقة بإذابة الفلز وفصله عن الخام عن طريق إذابته بالمذيبات الكيميائية المناسبة، ثم يلي ذلك استرجاع الفلز المذاب من المحلول الكيميائي بعملية أخرى تعرف باسم الترسيب. ومن أشهر الأمثلة على استخلاص الفلزات بالإذابة فصل الذهب من خاماته من خلال معالجتها بمحلول قاعدي ضعيف من السيانيد. وبعد إذابة الذهب من خاماته في محلول سيانيد الصوديوم يُضاف للمحلول الكيميائي المتكون فلز الخارصين. ويتفاعل فلزُ الخارصين مع المحلول الكيميائي مؤديًا إلى ترسيب، أي فصل جميع الذهب من المحلول ويتجمع على فلز الخارصين.
كما ذُكر سابقًا يمكن الحصول على الفلز من خاماته في عملية الاستخلاص بالمحاليل المذابة عن طريق إضافة فلز آخر إلى المحلول الكيميائي المتكون، إلا أنه في بعض الأحيان يمكن استرجاع الفلز المذاب من محلول الإذابة الذي يطلق عليه المحلول الكيميائي، عن طريق التحليل بالكهرباء. ومن أمثلة استرجاع الفلز من المحلول الكيميائي بعملية التحليل بالكهرباء هو فلز النحاس الذي يُذاب من بعض خاماته باستخدام حمض الكبريتيك. وفي هذه الحالة يوضع المحلول الكيميائي الناتج عن الإذابة في خلية تحليل إلكتروليتي.
وينساب التيار الكهربائي في خلية التحليل الإلكتروليتي من مصعد (قطب موجب) مصنوع من الرصاص خلال المحلول الكيميائي ليصل إلى مهبط (قطب سالب) من النحاس. وتكون جسيمات النحاس في المحلول موجبة الشحنة، ولهذا فإن هذه الجسيمات تنجذب إلى الأجسام المضادة لها في الشحنة، أي مهبط النحاس سالب الشحنة. ومن العناصر الأخرى التي تستخلص أو تسترجع بالتحليل بالكهرباء عُنصُرا الألومنيوم والمغنسيوم.ويستخدم التحليل بالكهرباء أيضًا في تنقية الفلزات. ومن أشهر الأمثلة على ذلك تنقية فلز النحاس. وفي هذه الحالة يصنع الفلز غيرُ النقي في صورة مصعد، وعند مرور التيار الكهربائي خلال المحلول الإلكتروليتي، تفقد ذرات النحاس النقية الموجودة في المصعد إلكتروناتها وتدخل إلى المحلول في صورة جسيمات موجبة الشحنة. وبعدئذ تنتقل هذه الجسيمات خلال المحلول متجهةً إلى المهبط، وهناك تكتسب تلك الجسميات قدرًا كافيًا من الإلكترونات، لتصبح ذرات نحاس متعادلة. وتتخلف معظم الشوائب، في حين تترسب ذرات النحاس في صورة نقية على المهبط.
تستعمل طريقة الملغمة أحيانًا لاستخلاص الذهب والفضة من خاماتهما. يحمل مسحوق الخام بمحلول إلى ألواح مغطاة بالزئبق. وفي أثناء مرور السائل يجذب الزئبق الفلز من السائل متحدًا معه. ويكوّن الزئبق مع الفلز سبيكة يطلق عليها سبيكة الملجم، ويحدث ذلك مع الذهب أو الفضة. وبعد عملية سحب الفلز من السائل وتكوين الملغم، يسخن الملغم المتكون، وتسبب حرارة التسخين تفكك الزئبق وانفصاله عن الملغم ويكون في حالة غليان لينفصل في صورة غازية. ويمكن استرجاع الزئبق من حالته الغازية، ثم إعادة استخدامه مرات أخرى. ويصاحب انفصال الزئبق من الملغم تخلف فلز الذهب أو الفضة في صورة إسفنجية.
المراجع
mawsoati.com
التصانيف
علم الفلزات جمع المسكوكات فلزات علوم العلوم البحتة