
ปฏิกิริยาเคมี : การสกัดเหล็กจากเหล็กออกไซด์

อัปเกรดสำหรับเนื้อหาเพิ่มเติม
True or false? Large amounts of iron can be found in pure form in the Earth's crust.
เปลือกโลกนั้นประกอบไปด้วย แร่เหล็กจำนวนมาก ซึ่งมันมีค่าอยู่ราว 5 % จาก มวลของเปลือกโลกทั้งหมด แต่เหล็กที่พบได้ตามธรรมชาติ กลับไม่ใช่เหล็กบริสุทธิ์ ทั้งนี้ แร่เหล็กก็มักจะสร้าง พันธะกับธาตุอื่นๆ ในรูปของสารประกอบเคมีอยู่บ่อยๆ ซึ่งสารประกอบเคมีของเหล็กและออกซิเจน ที่รู้จักกันดีก็คือไอรอนออกไซด์ เราสามารถสกัดเอาเหล็กบริสุทธิ์ออกมาได้ ด้วยการนำไอรอนออกไซด์ไป ผ่านความร้อนโดยใช้ถ่านหิน จากนั้นไอรอนออกไซด์ก็จะกลาย เป็นแร่เหล็กบริสุทธิ์ แล้วออกซิเจนที่มีอยู่มันหายไปไหนกันล่ะ พวกมันก็จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอน ที่อยู่ในถ่านหิน แล้วเกิดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้น ซึ่งนั่นก็คือ ไอรอนออกไซด์บวกด้วยคาร์บอน แล้วกลายเป็นเหล็กบวกด้วย คาร์บอนไดออกไซด์ มันมีไอรอนออกไซด์อยู่หลายชนิดมาก แต่ที่พบได้ทั่วไปก็คือสารที่มีเหล็ก 2 อะตอมและออกซิเจน 3 อะตอม เหล็กนั้นเขียนแทนด้วย Fe ดังนั้นสูตรเคมีของไอรอนออกไซด์ชนิดนี้ จึงเป็น Fe 2 O 3 ไอรอนออกไซด์นั้นไม่มีโมเลกุล มันมีเพียงอะตอมของเหล็กแค่ 2 อะตอม และอะตอมของออกซิเจนอีก 3 อะตอมเท่านั้น แต่ Fe 2 O 3 กลับเป็นหน่วยสารที่ เล็กที่สุดที่เราจะเอามาใช้ได้ เพื่อแสดงสูตรเคมีของสารประกอบ Fe 2 O 3 ถูกเรียกว่ามวลของหน่วยสูตร ของไอรอนออกไซด์ ดังนั้นสูตรเคมีของสารตั้งต้นทั้ง 4 ตัว ที่นำไปใช้ ในสมการเคมีจึงต้องอ่านว่า Fe 2 O 3 บวก C ได้เป็น Fe บวก CO 2 แต่ถ้าเราทราบปริมาณที่แน่นอน ของไอรอนออกไซด์ ก็จะทำให้หาปริมาณของคาร์บอนที่ต้องใช้ ในการสกัดโลหะที่เป็นเหล็กตัวนี้ได้ และจะได้เหล็กบริสุทธิ์ปริมาณเท่าใด ถ้าต้องการจะหาค่าเหล่านี้ เราก็ ต้องสร้างสมดุลให้สมการที่มีก่อน เมื่อเราทำให้สมการเคมีเกิดความสมดุล เราจะนับอะตอมของธาตุแต่ละตัว และจะต้องมั่นใจว่าจำนวนอะตอมที่มี จะเท่ากันทั้งก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยา แต่มีสิ่งหนึ่งที่เราต้องรู้ก่อน นั่นคือทั้งเหล็กและออกซิเจนในไอรอน ออกไซด์นั้นเป็นสารประกอบไอออนิก แต่เราจะเรียกมันว่า “อะตอม” ได้ ก็ต่อเมื่อจะสร้างสมดุล ในสมการเคมีเท่านั้น สำหรับมวลของหน่วยสูตรของเหล็ก ในตอนเริ่มต้น จะมีอะตอมของเหล็กอยู่ 2 อะตอม และเราต้องเขียนค่าสัมประสิทธิ์คือ 2 เอาไว้หน้าอะตอมของเหล็ก โดยใส่ไว้ทางด้านขวาของสมการ แล้วอะตอมของออกซิเจนล่ะ มันก็จะเริ่มต้นที่ 3 อะตอมนี้ แต่โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ เพียงโมเลกุลเดียว ก็ไม่อาจจัดการกับอะตอมของ ออกซิเจนที่มีอยู่ถึง 3 อะตอมได้ ถ้างั้นลองเพิ่มโมเลกุลของคาร์บอน ไดออกไซด์เป็น 2 โมเลกุลแทนดูนะ แบบนี้ก็ไม่ได้อีก เพราะสมการทางขวา จะมีอะตอมของออกซิเจนมากเกินไป เราต้องทำให้อะตอมทั้ง 3 ของ ออกซิเจนในไอรอนออกไซด์ เท่ากับอะตอม 2 อะตอมของออกซิเจน ในแต่ละโมเลกุลของสารตั้งต้น แล้วเราจะแก้ปัญหานี้ได้ยังไงล่ะ หยุดวิดีโอนี้ไว้เพื่อหาทางออกก่อนไหม ถ้าคิดว่าตัวเองสามารถแก้ปัญหานี้เองได้ โดยเราจะเริ่มกันที่มวลของหน่วยสูตร ทั้งสองของ Fe 2 O 3 จากนั้นผลรวมก่อนเกิดปฏิกิริยาที่อะตอม ของออกซิเจนก็จะเท่ากับ 6 อะตอม ซึ่งอะตอมของออกซิเจนทั้ง 6 นี้ก็จะเท่า กับโมเลกุล 3 ตัวของคาร์บอนไดออกไซด์พอดี แต่จงจำไว้ว่า ปริมาณของไอรอนออกไซด์ ได้เปลี่ยนไปจากเดิมที่มีอยู่แล้ว ทั้งนี้ เรายังต้องเปลี่ยน เลขอะตอมของเหล็ก ในสารผลิตภัณฑ์ให้กลายเป็น 4 ด้วย และสุดท้ายเราก็ยังต้องทำให้อะตอม ของคาร์บอนนั้นสมดุลกันด้วย เราต้องการอะตอม 3 อะตอมของคาร์บอน ในการสร้างโมเลกุลของ คาร์บอนไดออกไซด์ 3 โมเลกุล ทีนี้ลองมาตรวจดูตัวเลขพวกนี้กัน แต่ละด้านของลูกศรแสดงปฏิกิริยา จะมีอะตอมของเหล็กอยู่ 4 อะตอม ซึ่งทั้งก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยา จะมีอะตอมของออกซิเจนอยู่ 6 อะตอม และแต่ละด้านก็จะมีอะตอมของ คาร์บอนอยู่ 3 อะตอม เป็นอันว่าสมการนี้สมดุลแล้ว 2 ไอรอนออกไซด์บวกกับ 2 คาร์บอน จะได้เป็น 4 เหล็กบวกกับ 3 คาร์บอนไดออกไซด์ ว่าแต่มีใครจัดการกับอะตอม ของออกซิเจนด้วยวิธีนี้บ้างมั้ย ปัญหาที่เกิดก็คือจะมีอะตอมของออกซิเจน เกิดขึ้นมา 3 อะตอมจากตัวทำปฏิกิริยา โดยอาศัยอะตอมของออกซิเจน มาทำให้มันเท่ากับโมเลกุลที่มีอยู่ วิธีแก้ก็คือต้องเพิ่มปริมาณไอรอน ออกไซด์ขึ้นเป็นสองเท่า ดังนั้น สองมวลของหน่วยสูตรของ ไอรอนออกไซด์ จึงถูกนำมาสร้างโมเลกุลของคาร์บอน ไดออกไซด์ได้ 3 โมเลกุล ทว่ายังมีวิธีอื่นอีกที่สามารถแก้ ปัญหาเดียวกันนี้ได้ แต่มันค่อนข้างซับซ้อนกว่านี้ ดังนั้นเรา จึงขอยกมันไปพูดในครั้งต่อไปก็แล้วกัน