الكيمياء

عملية “صهر الحديد” والمراحل الزمنية التي أدت إلى تطور أساليب صهر المعادن

2016 عصر الثورة العلمية

جون كلارك

KFAS

الكيمياء

عرف الإنسان الحديد منذ الأزمان القديمة، كما تُعرف الفترة منذ حوالي عام 0011 ق. م. بالعصر الحديدي في الشرق الأوسط وأوروبا.

لكن الأدوات والأسلحة الحديدية كانت نادرة لا يقتنيها إلا الأثرياء وذلك حتى انتشار أساليب صهر الحديد من خاماته مع اختراع أفران الصهر عالية درجة الحرارة في حوالي عام 007 ميلادي.

حصل قدماء المصريين على الحديد من جمع بقايا الشهب المتناثرة في الصحراء، لكنهم، وبحلول عام ١٣٥٠ ق.م. طوروا طرق لحم الحديد في أتون نار مشتعلة.

وفي حوالي الفترة نفسها بدأ الحتيون في بلاد الأناضول (تركيا حاليا) باستخدام الحديد ومن خلالهم انتشرت صناعة الحديد إلى الهند والصين.

 

كما أن الإغريق استخدموا مسامير لولبية مصنوعة من الحديد لربط الكتل الصخرية مع بعضها في حوالي عام ٤٠٠ ق.م. الصناع الصينيون من جانبهم توصلوا إلى صب تماثيل مصنوعة من حديد ذي درجة انصهار منخفضة.

يرجع تاريخ أتون صهر للحديد، كير كاتالان في إسبانيا، إلى حوالي عام ٧٠٠ ميلادي. كما شيد أتون آخر في منطقة الدول الإسكندنافية بعد حوالي قرن من ذلك.

تعتمد عملية الصهر على مبادئ كيميائية بسيطة، وإن لم تكن معروفة للناس حينها. ويبين الرسم التوضيحي أدناه مبدأ عمل هذه الأفران.

يحفر صناع الحديد حفرة في الأرض يدحون جوانبها ثم يكسونها بأعواد القصب المفحمة – نوع من أنوع الفحم الناعم. وعلى هذه الحفرة تبنى مدخنة قمعية الشكل مصنوعة من الصلصال والخبث (مخلفات عمليات صهر سابقة). يُملأ الفرن، أو «يشحن» ، بمزيج من خام الحديد وأحجار الكلس والفحم النباتي، ثم يشعل المزيج.

 

عند ارتفاع درجة حرارة الفرن يقوم العاملون على الفرن بضح الهواء بواسطة منفاخ الكير لرفع درجة الحرارة إلى درجات عالية. يؤدي تفاعل الهواء مع الفحم النباتي إلى إنتاج غاز أول أكسيد الكربون (CO) الذي يتفاعل بدوره مع خامات الحديد (أكسيد الحديد) لينتج الحديد المعدني.

أما حجر الكلس (كربونات الكالسيوم) فيقتصر دوره على التفاعل مع شوائب أحجار السليكا الموجودة في خامات الحديد. يطفو الخبث فوق صهر الحديد الذي يمكن استخلاصه عبر ثقب في أسفل الفرن.

بحلول القرن الرابع عشر أصبحت إنجلترا الدولة الرئيسية في إنتاج الحديد في أوروبا. واستخدمت الدواليب المائية لتوفير الطاقة للكيرات لتنتج سيلاً متواصلاً من الهواء إلى الأتون، وبلغت القدرة الإنتاجية للفرن الواحد حوالي ٣.٣ طن (ثلاثة أطنان مترية) من الحديد في اليوم الواحد.

هذا الإنتاج الهائل من الحديد احتاج إلى كميات كبيرة جدا من الفحم النباتي المنتج بحرق الأخشاب. ونتيجة لذلك تعرضت غالبية الغابات في بريطانيا للتدمير. توصل مستكشف الحديد الإنجليزي أبراهام داربي (حوالي ١٦٧٨ – ١٧١٧) عام ١٧٠٩ إلى استخدام فحم الكوك (المشتق من الفحم) بدلاً من الفحم النباتي.

 

كما أن مواطناً لداربي هو دود دودلي (١٥٩٩ – ١٦٨٤) ادعى استخدام الفحم (الخام) لرفع درجة حرارة أتون الصهر، لكن هذا الإدعاء يبدو غير محتملٍ نظراً لوجود الكبريت في خامات الفحم والذي يؤدي إلى تدمير الحديد المنتج.

كان لابتكار داربي أثراً دراماتيكياً (هائلا) على إنتاج واستخدامات الحديد المصبوب وصناعة الأواني الحديدية من مثل مقالي وأواني الطبخ وأباريق الشاي التي أصبحت خلال فترة قصيرة من أدوات الطبخ المنزلية الشائعة في جميع البيوت في إنجلترا.

شيد داربي فرنه على ضفاف نهر سفن رفرز بمدينة كولبروكديل. وأضاف ابنه إبراهام داربي الثاني (الابن) (١٧١١ – ٦٣) إلى الفرن آلة بخارية لضخ المياه من النهر لإدارة الكيرات.

 

وفي عام ١٧٦٨ آلت إدارة الفرن إلى حفيده ابراهام داربي الثالث (الحفيد) (١٧٥٠ – ٩١) الذي خلد ذكرى العائلة بتشييده عام ١٧٧٩ جسراً مصنوعاً من قوالب حديدية جاهزة يربط ين ضفتي سفن رفرز في كولبروكديل.

بلغ طول الجسر ٩٨ قدماً (٣٠ مترا) ويرتفع عن سطح الأرض ٣٩ قدما (١٢ مترا). وقد بقي الجسر حتى يومنا الحالي ليصبح جسراً للمشاة بعد إغلاقه أمام حركة السيارات عام ١٩٣٤.

جاء آخر تطوير لأتون صهر المعادن خلال القرن التاسع عشر، حين قام المهندس الإسكتلندي جيمس نيلسون (1792 – 1865) في غلاسكو برفع كفاءة الأتون باستخدام هواء يسخن بإمراره في أنبوب متوهج قبل دخوله الأتون.

تم تسخين الأنبوب في البداية باستخدام الفحم ثم استبدل وقود التسخين فيما بعد بالغاز الفحمي – منتج من مخلفات أفران الطبخ. كما قام المخترع الإنجليزي إدوارد كاوبر (1819 – 93) بتطوير تصميم نيلسون عام 1857 باستبدال الأنبوب المتوهج بفرن يستخدم الغازات الناتجة عن الأتون لتسخين الهواء.

مجلة العلوم
‫‪عناقيد الحالات: لغز رئيسي من ألغاز جائحة كورونا
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لكوفيد-19 بدعم من مركز بوليتزر Pulitzer Centre
في 10 مارس، عندما التقى 61 شخصًا للتدريب على التراتيل بكنيسة  في ماونت فيرنون بواشنطن، بدا كل شيء طبيعيًا. ولمدة ساعتين ونصف الساعة أنشد المنشدون، وتناولوا الكعك والبرتقال، وأنشدوا مرة أخرى. ولكن أحدهم كان يعاني منذ ثلاثة أيام ما يبدو كأنه زكام، والذي تبين فيما بعد أنه كوفيد-19 COVID-19. وفي 12 مايو نشرت ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪هل أنت سجين "غرف الصّدى"؟
. عمّار العاني باحث في المعلوماتية وتأثير وسائل التواصل الاجتماعي، سورية
في الوقت الذي تظهر فيه معظم الأبحاث العلمية أن ظاهرة الاحترار العالمي والتغير المناخي حقيقة مؤكدة، فإن نحو 15% من الجمهور لا يصدق هذه النظرية ويعتبرها خدعة من قبل الحكومات. وتظهر الإحصاءات أن نحو 5% من الأهالي يمتنعون عن تقديم اللقاحات الأساسية لأطفالهم إيماناً منهم بأخطارها، على الرغم من التوافق شبه الكامل في الأوساط الطبية على أن هذه المخاوف لا أساس لها.
   ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪"سرعة خاطفة": جهود أمريكية لإنتاج اللقاح تخرجإلى العلن
قلم:       جون كوهين
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
الحكمة المتعارف عليها هي أن إنتاج لقاح لكوفيد-COVID-19 19 لن يكون ممكنا قبل سنة على الأقل من الآن، ولكن جهود الجهات التنظيمية في حكومة الولايات المتحدة، والتي تعرف بعملية السرعة الخاطفة  Operation Warp Speed أو أسرع من الضوء، لا تنطبق عليها هذه الحكمة التقليدية. وهذا المشروع،  المبهم حتى الآن، والذي من المرجح أن يُعلِن عنه البيت الأبيض رسميًا في الأيام القادمة، سيختار مجموعة متباينة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪الإشكاليات الطبية لمرض كوفيد 19
. جمال المطر اختصاصي في أمراض الأذن والأنف والحنجرة، الكويت
تعد الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات من العوامل الممرضة الشائعة للإنسان، ويتميز بعضها عن بعض بعدد من الخصائص والسمات. فبعض الفيروسات يصيب النباتات وبعضها يصيب الحيوانات، وهناك أنواع تصيب الإنسان مسببة له أمراضاً متنوعة مثل متلازمة عوز نقص المناعة المكتسبة الإيدز، والتهاب الكبد الفيروسي، والحصبة. ويشهد العالم حاليا أول جائحة يسببها فيروس كورونا الذي ينتمي إلى فصيلة فيروسات واسعة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪أصبح العدو القديم حليفًا .. استخدام الفيروسات في علاج السرطان
. خالد صنبر، د. معتصم البارودي، د. نبيل أحمد باحثون في مجال الأمراض والفيروسات بكلية الطب في هيوستن، الولايات المتحدة
على الرغم من كونها أكثر الكائنات بساطًة فإن الفيروسات أتقنت عملية التطور بصورة مذهلة؛ فقد أتاح استغلال تلك المخلوقات الدقيقة لمخلوقات أكثر تعقيدًا، لحاجتها إلى التكوينات الخلوية، قدرة كبيرة لها على اجتياز العقبات التطورية. ففي جينومنا الخاص، اتخذت الفيروسات مخبئًا لإحدى أكثر الرحلات نجاحًا عبر الزمن، إذ يعتقد أن نحو %10 من ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪قصة الفيروسات .. 3 رواد أسهموا في اكتشافاتها المذهلة
. إسلام حسين باحث في مجال الفيروسات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الوريات المتحدة
يعتبر أواخر القرن التاسع عشر العصر الذهبي لعلم الميكروبيولوجيا علم الأحياء المجهرية، إذ شهد اكتشافات كثيرة عن بعض أنواع المكروبات، وتحديدا البكتيريا والفطريات. وأدت هذه الاكتشافات إلى تكوين نظرية شمولية عن الميكروبات، تعرف بنظرية الجراثيم germ theory، التي بنيت على معلومات توفرت لدى العلماء في ذلك الوقت. افترضت هذه النظرية توفر بعض الخصائص في أي مسبب ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪عناقيد الحالات: لغز رئيسي من ألغاز جائحة كورونا
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لكوفيد-19 بدعم من مركز بوليتزر Pulitzer Centre
في 10 مارس، عندما التقى 61 شخصًا للتدريب على التراتيل بكنيسة  في ماونت فيرنون بواشنطن، بدا كل شيء طبيعيًا. ولمدة ساعتين ونصف الساعة أنشد المنشدون، وتناولوا الكعك والبرتقال، وأنشدوا مرة أخرى. ولكن أحدهم كان يعاني منذ ثلاثة أيام ما يبدو كأنه زكام، والذي تبين فيما بعد أنه كوفيد-19 COVID-19. وفي 12 مايو نشرت ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪المادة السلبية.. أسرع من إيقاع الضوء والزمن
.أحمد مغربي طبيب ومترجم وكاتب متخصص بالموضوعات العلمية، لبنان
هل يمكن السفر بأسرع من الضوء؟ إذا كان إيقاع الزمن يسير بسرعة الضوء، وفق نظرية آينشتاين عن النسبية، ألا يكون التحرك بسرعة الضوء أو أكثر سفراً في الزمن أيضاً؟ أليس بموجب معادلة آينشتاين الشهيرة عن المادة والطاقة E=a.mc2 تتبدد المادة وتتحوّل إلى طاقة صرفة عندما تصل إلى التحرّك بسرعة الضوء، فكيف يمكن التنقل أسرع من الضوء من دون حدوث ذلك؟
 يألف عُشاق السينما أفلاماً عن آلة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪جسور مدينة كونيجسبيرغ: لغز أثمر ولادة فرع رياضياتي جديد
أحمد محمد جواد الحكيم باحث وأكاديمي في علم الرياضيات
تتسم معظم الألغاز التي يتناقلها الناس عادة بالبساطة، وتسعى إلى تحقيق المتعة والتسلية والترفيه واختبار القدرات العقلية للفرد، من خلال التحدي والإثارة. لكن مع بساطة هذه الألغاز فقد استحوذ قسم منها على اهتمام بعض علماء الرياضيات، الذين احتاجوا من أجل حلها إلى نهج جديد من التفكير العقلي يعتمد كثيراً على الحدس وقوة التمثيل البياني لهذه الألغاز، بدلا من الطريقة الاستنتاجية المنطقية.
ومن ... (قراءة المقال)