היתוך (מתכת)

היתוך מתכת הוא חלק מתהליך הפקת מתכת, אשר מטרתו להפיק מתכת גולמית מעפרה. כך מתבצעת הפקת ברזל מתוך עפרת ברזל, נחושת מעפרת נחושת ומתכות אחרות מתוך עפרותיהן. בתהליך ההיתוך נעשה שימוש בחום ובחומר כימי מחזר, בדרך כלל דלק שהוא מקור לפחמן כגון קוק, ובעבר פחם, כדי ליצור תגובת חיזור בעפרת המתכת. הפחמן נקשר כימית לחמצן שבעפרה ומותיר מתכת לא מחומצנת. הפחמן מתחמצן בשני שלבים: ראשית, נוצר פחמן חד-חמצני ואחר כך פחמן דו-חמצני. כיוון שרוב עפרות המתכת אינן טהורות, לרוב יש צורך להשתמש אף בתלחים ("פלוקס") (באנגלית: Flux), בדרך כלל חומרים המכילים סידן פחמתי כגון אבן גיר, כדי להסיר סיגים.

מבחינה כמותית, רוב המתכות הנמצאות בשימוש האדם מופקות בתהליך היתוך. עם זאת, היתוך אינו מתאים להפקת מתכות מסוימות, בהן: אלומיניום, כספית, ליתיום, ועוד.

עקרונות ההיתוך
תהליך ההיתוך אינו מתמצה רק ב"התכת המתכת מתוך העפרה", כפי שלעיתים טועים לחשוב. רוב העפרות מכילות תרכובות שבהן המתכת קשורה ליסודות כימיים אחרים, כגון חמצן (היוצר תחמוצת), או גופרית (היוצרת סולפה). כדי להפיק מתכת יש לסלק יסודות אלה ביצירת תגובה כימית שבה הם נקשרים לפחמן. מכאן שתהליך ההיתוך מורכב משימוש בחומרים מחזרים אשר יקשרו עם אותם יסודות מחמצנים כדי לשחרר את המתכת. כיוון שרוב עפרות המתכת אינן מורכבות ממינרל טהור, יש צורך גם בשימוש בתלחים (כגון סיד) כדי ליצור תגובה כימית עם הפסולת ולהסירה כסיגים.

באופן היסטורי, בתהליכי ההיתוך הקדומים נעשה שימוש בפחמן (שבפחם) כדי לגרום לחיזור בבדיל (מתוך המינרל קסיטריט SnO2), נחושת (מתוך קופריט Cu2O, מלכיט Cu2CO3(OH)2, ומינרלים אחרים), עופרת (מתוך תחמוצת עופרת PbO), ולבסוף ברזל (מתוך המטיט Fe2O3 ומינרלים אחרים), כדי ליצור את התגובות הכימיות הבאות:
 2 SnO2 + 2 C → 2 Sn + 2 CO2
 2 PbO + C → 2 Pb + CO2
 2 CuO + C → 2 Cu + CO2
 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2

בכל התגובות הכימיות הללו הגורם המחזר היה פחמן חד-חמצני, כיוון שהפחם והתחמוצות נותרו מוצקים ולכן לא יכלו להגיב ישירות זה עם זה. הרשימה מעלה היא בסדר עולה של טמפרטורה הנדרשת להליך ההיתוך. לאור זאת ניתן להבין מדוע בתולדות הציוויליזציה האנושית תקופת הנחושת קדמה לתקופת הברונזה וזו קדמה לתקופת הברזל.

תגובת חיזור יכולה להתרחש גם בטמפרטורה הנמוכה מטמפרטורת ההתכה של המתכת. תהליך זה נמצא בשימוש בכבשני ברזל וניתן להפיק ממנו גושי מתכת ספוגיים (מחוררים) שיש צורך בעיבוד נוסף כדי להביא לדחיסתם.

בימי קדם, המקור העיקרי לבדיל היה בתחמוצת SnO2 (קסיטריט). המקור העיקרי לנחושת ועופרת היה בתרכובות גופריתיות (סולפות), Cu2S (קלקוסיט), ו-PbS (גלנה); כדי להפיק את המתכת ממינרלים אלה היה צורך קודם לחמצנם, על ידי קלייה באוויר, בתגובות הכימיות הבאות:

 2 CuS2 + 5 O2 → 2 CuO + 4 SO2
 2 PbS + 3 O2 → 2 PbO + 2 SO2

כסף נמצא בטבע בדרך כלל במינרלים סולפידיים המעורבים יחד עם גלנה, לכן הותך תחילה עם עופרת ואחר כך הופרד ממנה בצריפה.

ראו גם
 כבשן

קישורים חיצוניים


 שי שמש, ברזל מכוכב אחר, באתר מדע גדול, בקטנה, 18 בדצמבר 2017

הערות שוליים


קטגוריה:מטלורגיה
קטגוריה:מתכות

de:Verhüttung
pl:Hutnictwo