فصل ٥ - از معدن تا خانه - PDF

‫فصل‪5‬‬ ‫از معدن تا خانه‬ ‫در زندگی روزمره از مواد متفاوتی برای رفع‬ ‫نیازهای خود استفاده می کنیم‪.‬برای نمونه از سیمان‪،‬‬...

‫فصل‪5‬‬ ‫از معدن تا خانه‬ ‫در زندگی روزمره از مواد متفاوتی برای رفع‬ ‫نیازهای خود استفاده می کنیم‪.‬برای نمونه از سیمان‪،‬‬ ‫آهن و شیشه در ساختمان استفاده می کنیم‪.‬‬ ‫آیا تا به حال فکر کرده اید این مواد از کجا و چگونه‬ ‫تهیه بسیاری‬ ‫ماده اولیه مورد نیاز برای ٔ‬ ‫به دست می آیند؟ ٔ‬ ‫از مواد و وسایل از معدن ها به دست می آید‪.‬تهیه و‬ ‫تولید این مواد بر زندگی شما چه تأثیری دارد؟ در‬ ‫این فصل با برخی از فرایندهای تولید مواد و تأثیرات‬ ‫زیست محیطی آن ها آشنا می شوید‪.‬‬ ‫اندوخته های زمین‬ ‫همه این مواد در طبیعت یافت‬ ‫به شکل های زیر توجه کنید‪.‬در ساختن هر یک از آن ها از چه موادی استفاده شده است؟ آیا ٔ‬ ‫می شوند؟‬ ‫پ) پل ِو ِرسک‬ ‫ب) رایانک (تبلت)‬ ‫الف) خودرو‬ ‫شکل ‪1‬‬ ‫‪36‬‬  ‫آموختید که همه مواد از طبیعت به دست می آیند به طوری که تعداد اندکی از آن ها به طور‬ ‫مستقیم و بیشتر آن ها به طور غیرمستقیم از کره زمین به دست می آیند‪.‬بنابراین کره زمین‬ ‫اندوخته ای عظیم و خدادادی از مواد موردنیاز برای زندگی است‪.‬بخشی از این اندوخته ها‬ ‫در معدن های آهن‪ ،‬مس‪ ،‬طال‪ ،‬آلومینیم‪ ،‬گچ‪ ،‬زغال سنگ و‪...‬یافت می شوند‪.‬در این‬ ‫اولیه الزم را برای تولید‬ ‫معدن ها مواد معموالً به صورت ترکیب وجود دارند‪.‬معدن ها‪ ،‬مواد ٔ‬ ‫انواع فراورده های صنعتی‪ ،‬ساختمانی‪ ،‬دارویی و‪...‬تأمین می کنند‪.‬‬ ‫عنصر آهن در طبیعت‪ ،‬به شکل سنگ معدن آهن که شامل ترکیب های آهن است یافت‬ ‫می شود (شکل ‪.)2‬‬ ‫شکل ‪.2‬دو نمونه از سنگ های معدن آهن (ویژگی های سنگ معدن آهن با فلز آهن تفاوت دارد)‬ ‫خود را بیازمایید‬ ‫در جدول زیر برخی ویژگی های فلز آهن با سنگ معدن آن مقایسه شده است‪.‬آن را کامل کنید‪.‬‬ ‫نام ماده‬ ‫سنگ معدن آهن‬ ‫فلز آهن‬ ‫ویژگی‬ ‫شکنندگی بر اثر ضربه‬ ‫خراش بر اثر ساییدن‬ ‫یافت شدن در طبیعت‬ ‫رسانایی الکتریکی‬ ‫واکنش با اکسیژن هوا‬ ‫‪1597‬ــ‪1583‬‬ ‫٭‬ ‫‪1540‬‬ ‫نقطه ذوب (‪)˚C‬‬ ‫٭ این نقطه ذوب مربوط به یکی از سنگ های معدن آهن به نام مگنتیت (‪ )Fe2O3‬است‪.‬‬ ‫‪37‬‬  ‫فكر كنید‬ ‫شکل زیر مرحله های کلی تولید تقریباً ‪ 500‬کیلوگرم آهن را از سنگ معدن نشان‬ ‫می دهد‪.‬با بررسی دقیق آن به پرسش های مطرح شده پاسخ دهید‪.‬‬ ‫‪1000‬کیلوگرم‬ ‫سنگ معدن‬ ‫‪ 500‬کیلوگرم فلز‬ ‫آیا می دانید‬ ‫در آزمایشگاههای شیمی‪ ،‬با استفاده‬ ‫الف) مقدار آهن مورد نیاز برای ساختن خانه ای که در آن زندگی می کنید را به طور‬ ‫از روشهای شیمیایی و دستگاههای‬ ‫تقریبی حساب کنید‪.‬‬ ‫اندازهگیری‪ ،‬نوع و مقدار عنصرهای‬ ‫موجود در یک نمونه مجهول مانند‬ ‫خانه‬ ‫ب) با توجه به پاسخ پرسش الف‪ ،‬حساب کنید برای تأمین میزان آهن به کار رفته در ٔ‬ ‫خاک‪ ،‬سنگ معدن‪ ،‬آب چشمه‬ ‫شما‪ ،‬چند تن سنگ آهن مصرف شده است‪.‬‬ ‫و ‪...‬را تعیین میکنند‪.‬‬ ‫آزمایشگاه های تشخیص طبی هم‬ ‫با استفاده از روش های شیمیایی و‬ ‫همچنین دستگاه های اندازه گیری‬ ‫چگونه می توان به آهن دست یافت؟‬ ‫مقدار مواد موجود در خون و‬ ‫به منظور تهیه و تولید آهن‪ ،‬نخست بایستی معادن آن را شناسایی کرد‪.‬برای شناسایی این‬ ‫ادرار را اندازه گیری می کنند‪.‬‬ ‫معادن از روش های گوناگون استفاده می کنند‪.‬در یکی از این روش ها‪ ،‬مقداری از سنگ ها‬ ‫و خاک هایی که آهن دارند را برمی دارند و روی آن ها آزمایش های شیمیایی گوناگونی انجام‬ ‫می دهند‪.‬‬ ‫آزمایش کنید‬ ‫وسایل و مواد‪ :‬قاشقک‪ ،‬چند لوله آزمایش و قطره چکان‪ ،‬سدیم هیدروکسید‪،‬‬ ‫آهن (‪ )III‬کلرید‪ ،‬آب مقطر‬ ‫روش آزمایش‪:‬‬ ‫‪.1‬در یک لوله آزمایش به اندازه نوک یک قاشقک از آهن (‪ )III‬کلرید ریخته و درون آن‬ ‫تا نیمه آب مقطر بریزید و آن را هم بزنید‪.‬‬ ‫‪.2‬در یک لوله آزمایش دیگر به اندازه نوک یک قاشقک از سدیم هیدروکسید ریخته و‬ ‫درون آن تا نیمه آب مقطر بریزید و آن را هم بزنید‪.‬‬ ‫‪38‬‬  ‫‪.3‬با استفاده از قطره چکان‪ ،‬چند قطره از محلول درون لوله آزمایش دوم‬ ‫(محلول سدیم هیدروکسید) به محتویات لوله آزمایش اول بیفزایید‪.‬‬ ‫مشاهدات خود را بنویسید‪.‬‬ ‫از این مشاهدات چه نتیجه ای می گیرید؟‬ ‫بررسی های دانشمندان نشان می دهند که عنصر آهن در طبیعت عمدتاً به شکل اکسیدهای‬ ‫آهن یافت می شود‪.‬در این اکسیدها‪ ،‬اتم های آهن و اکسیژن به هم متصل اند‪.‬برای دستیابی به‬ ‫فلز آهن‪ ،‬باید اتم های اکسیژن را از اکسید آهن جدا کنیم‪.‬البته این جدا کردن‪ ،‬کار آسانی نیست‬ ‫و شامل یک تغییر شیمیایی می شود که با صرف انرژی زیادی همراه است‪.‬‬ ‫حذف اكسیژن‬ ‫آیا می دانید‬ ‫اكسیدهای آهن‬ ‫فلز آهن‬ ‫در کارخانه فوالدسازی افراد بسیار‬ ‫زیادی با تخصص های گوناگون‬ ‫درباره فرایند تولید آهن و‬ ‫ٔ‬ ‫شکل ‪ 3‬مرحلههای تولید آهن را نشان میدهد‪.‬با توجه به این شکل‪،‬‬ ‫مشغول به کار هستند‪.‬تخصص‬ ‫مرحلههای آن در کالس گفتوگو کنید‪.‬‬ ‫برخی از این افراد شیمی‪ ،‬مهندسی‬ ‫شیمی‪ ،‬مهندسی مواد‪ ،‬متالورژی‪،‬‬ ‫ریاضیات و فناوری اطالعات‬ ‫است‪.‬‬ ‫ب) خالص سازی سنگ معدن‬ ‫الف) شناسایی معدن و بیرون آوردن سنگ معدن از دل زمین‬ ‫آیا می دانید‬ ‫معدن سنگان خواف در استان‬ ‫خراسان رضوی و معدن چغارت در‬ ‫ِ‬ ‫اطراف بافق در استان یزد از ِ‬ ‫معادن‬ ‫مهمِ سنگ آهن در ایران اند‪.‬‬ ‫ت) تولید ورقه های فلز آهن‬ ‫پ) گرما دادن مخلوط سنگ آهن‪ ،‬کربن و سنگ آهک در کوره‬ ‫شکل ‪.3‬مرحله های استخراج فلز آهن‬ ‫‪39‬‬ ‫همان طور که در شکل ‪.3‬پ مشاهده میکنید‪ ،‬برای جدا کردن اتم های اکسیژن از آهن‪،‬‬ ‫سنگ معدن را به همراه کربن و سنگ آهک در کوره های مخصوص حرارت می دهند‪.‬در اثر‬ ‫آیا می دانید‬ ‫فلز آهن به صورت خالص نسبتاً نرم‬ ‫این عمل‪ ،‬اتم های اکسیژن از سنگ معدن جدا و به صورت کربن دی اکسید خارج می شوند‪.‬‬ ‫است و در اثر ضربه خم می شود‪.‬‬ ‫در نتیجه فلز آهن به حالت مذاب ته کوره باقی می ماند‪.‬‬ ‫گرما‬ ‫كربن ‪ +‬اكسیدهای آهن‬ ‫فلز آهن ‪ +‬كربن دی اكسید‬ ‫در پایان‪ ،‬فلز مایع را در قالب ها می ریزند و به شکل های گوناگون وارد بازار می کنند‪.‬‬ ‫آزمایش کنید‬ ‫هدف‪ :‬تهیه آهن از اکسید آهن‬ ‫سر ‪ 5‬تا چوب کبریت را با آب مرطوب کنید‪.‬‬ ‫نخست سرچوب کبریت های مرطوب را با سدیم کربنات و سپس با پودر آهن (‪)III‬‬ ‫اکسید آغشته کنید‪.‬‬ ‫چوب کبریت ها را با استفاده از گیره روی شعله آبی چراغ بونزن یا چراغ الکلی‬ ‫بگیرید‪ ،‬هنگامی که بیش از نیمی از طول چوب کبریت سوخت‪ ،‬آن ها را خاموش کنید‪.‬‬ ‫پس از ‪ 30‬ثانیه‪ ،‬قسمت های سوخته را جدا کرده و پودر کنید و در شیشه ساعت‬ ‫بریزید‪.‬‬ ‫یک آهن ربا بردارید و آن را در زیر شیشه ساعت حرکت دهید‪ ،‬چه مشاهده‬ ‫می کنید؟‬ ‫فكر كنید‬ ‫آیا از فلز آهن خالص می توان به عنوان تیرآهن در ساخت اسکلت های ساختمانی و‬ ‫بدنه خودروها و لوازم آشپزخانه استفاده کرد؟ پاسخ خود را‬ ‫از ورقه های آهن در ساخت ٔ‬ ‫توضیح دهید‪.‬‬ ‫خود را بیازمایید‬ ‫اولیه به کار برده شده در تولید کارد و چنگال را نشان می دهد‪.‬‬ ‫جدول صفحه بعد مواد ٔ‬ ‫استفاده مواد را مشخص و جدول را کامل کنید‪.‬‬ ‫ٔ‬ ‫در هر مورد علت‬ ‫‪40‬‬  ‫چسب‬ ‫چوب یا پالستیک‬ ‫نقره‬ ‫کروم و نیکل‬ ‫آهن‬ ‫مادۀ اولیه به کار برده شده‬ ‫علت کاربرد‬ ‫آیامیدانید‬ ‫‪+‬‬ ‫متالورژیستکیست؟‬ ‫متالورژیســت یــک متخصــص علومتجربــی اســت کــه‬ ‫برنز‬ ‫قلع‬ ‫مس‬ ‫نام ماده‬ ‫خــواص و رفتــار فلزهایــی ماننــد آهــن‪ ،‬مــس‪ ،‬طــا و‬ ‫آلومینیــم را بــه خوبــی میشناســد و اطالعــات دقیقــی درباره‬ ‫سطح براق دارد‪.‬‬ ‫سطح براق دارد‪.‬‬ ‫سطح براق دارد‪.‬‬ ‫آنهــا دارد‪.‬متالورژیســتها بــا ترکیــب فلزهــای گوناگــون‬ ‫بــا یکدیگــر‪ ،‬مــواد جدیــدی میســازند کــه آلیــاژ نــام دارد‪.‬‬ ‫از فلزهای مس و قلع‬ ‫نسبت ًا نرم است‪.‬‬ ‫نسبت ًا نرم است‪.‬‬ ‫چرا فلزها را با هم ترکیب میکنند؟‬ ‫سخت تر است‪.‬‬ ‫فلزهــا خــواص گوناگونــی ماننــد ســختی‪ ،‬اســتحکام‪،‬‬ ‫استحکام بیشتری از‬ ‫خواص ماده‬ ‫استحکام زیاد دارد‪.‬‬ ‫استحکام زیاد دارد‪.‬‬ ‫چگالــی‪ ،‬رســانایی الکتریکــی‪ ،‬رســانایی گرمایــی‪ ،‬قابلیــت‬ ‫مس و قلع دارد‪.‬‬ ‫ورقــهای شــدن و ‪...‬دارنــد‪.‬خــواص فلزهــای مختلــف‪،‬‬ ‫رنگ طالیی دارد‪.‬‬ ‫رنگ نقره ای دارد‪.‬‬ ‫رنگ قرمز مسی دارد‪.‬‬ ‫متفــاوت اســت‪.‬بــرای مثــال چگالــی فلــز آلومینیــم از‬ ‫فلزهــای مــس و آهــن کمتــر اســت‪.‬متالورژیســتها بــرای‬ ‫رسانایی الکتریکی‬ ‫رسانایی الکتریکی‬ ‫رسانایی الکتریکی‬ ‫تولیــد مــواد با خــواص جدیــد و دلخــواه‪ ،‬فلزهــای گوناگون‬ ‫باالیی دارد‪.‬‬ ‫باالیی دارد‪.‬‬ ‫باالیی دارد‪.‬‬ ‫را بــا یکدیگــر ترکیــب میکننــد‪.‬بــرای مثــال بــرای ســاختن‬ ‫آلیــاژ برنــز فلــز مــس را بــا فلــز قلــع ترکیــب میکننــد‪.‬‬ ‫در جــدول روبــهرو خــواص آلیــاژ برنــز بــا فلزهــای مــس و‬ ‫قلــع مقایســه شــده اســت‪.‬‬ ‫جالــب اســت بدانیــد که در ســاخت دو  شــاخه بــرق از آلیاژها‬ ‫بــه دلیــل خــواص مطلــوب آنها اســتفاده میشــود‪.‬‬ ‫اطالعات جمع آوری کنید‬ ‫با مراجعه به کتاب ها و منابع اینترنتی معتبر درباره «کاربرد آلیاژها در زندگی» اطالعاتی تهیه کنید و نتایج را در قالب پاورپوینت‪،‬‬ ‫اینفوگرافیک یا ‪...‬به کالس گزارش دهید‪.‬‬ ‫‪41‬‬