中2化学【*鉄の精錬】

このページでは鉄の精錬・酸化鉄を還元して鉄を得る方法について解説しています。

やや発展的な内容です。

高校の化学でも学習する内容です。

1.鉄の精錬

鉄は日常生活において非常によく使われている金属です。

 

 

自然界において、鉄は鉄のまま存在しているわけではありません。

 

 

地球(地殻やマントルも含め)には約35%の鉄原子が含まれます。

 

 

酸化鉄として自然界に存在します。

 

 

では、その酸化鉄はどこにあるのか?と言うと鉄鉱石の中にあります。

 

 

鉄鉱石(酸化鉄)には2種類あります。

 

 

1つは化学式で Fe2O3 と書かれる赤鉄鉱

 

 

もう1つは、化学式で Fe3O4 と書かれる磁鉄鉱

 

 

現代では、赤鉄鉱Fe2O3 を使って製鉄(鉄を取り出す)のが主流です。

 

 

 

鉄の精錬の仕組み

ではその仕組みを見ていきましょう。

 

 

赤鉄鉱Fe2O3から鉄Feを取り出すには還元の化学変化を利用します。

※還元の化学変化の詳しくは→【還元】←にて。

 

 

 

中学で学習する還元と言えば

酸化銅の炭素による還元

が真っ先に浮かびます。

 

 

 

赤鉄鉱Fe2O3から鉄Feを還元するのにも、炭素Cを利用します。

 

 

実際には炭素のままではなく、一酸化炭素COに変えてから還元反応を起こします。

 

 

赤鉄鉱Fe2O3の還元には、溶鉱炉を利用します。

 

 

溶鉱炉に赤鉄鉱Fe2O3コークスを入れます。

※コークスとは石炭を乾留(蒸し焼きのこと)し、炭素のみにしたもの。

要は炭素Cだと思ってください。

 

 

他にも石灰石CaCO3を入れておきます。

 

 

 

溶鉱炉で起こる反応

まず溶鉱炉では炭素Cが燃焼します。

C + O2 → CO2・・・① (炭素の(完全)燃焼)

 

 

また石灰石が熱風により分解されます。

CaCO3 → CaO + CO2 ・・・② (石灰石の分解)

 

 

①②で生じた二酸化炭素CO2はコークスCと反応し、一酸化炭素COへと変化します。

CO2 + C → 2CO・・・③

 

 

 

③で生じた一酸化炭素COが赤鉄鉱Fe2O3の還元に使われます。

このとき赤鉄鉱Fe2O3は段階的に還元されます。

 

 

 

まず Fe2O3 から Fe3O4 へと還元。

次に Fe3O4FeO へと還元。

最後に FeOFe へと還元。

 

 

 


※補足

Fe2O3 → Fe3O4 → Fe3O4 → FeO という流れが本当に還元なのか確かめておきましょう。

 

 

段階的に還元が起こる=少しずつ酸素が失われる、ということ。

本当に少しずつ酸素が失われているかチェックします。

 

 

Fe2O3におけるFe原子とO原子の数の比は

FeO=2:3=1:1.5

 

 

Fe3O4におけるFe原子とO原子の数の比は

FeO=3:4=1:約1.3

 

 

FeOにおけるFe原子とO原子の数の比は

FeO=1:1

 

 

Fe原子1個あたりに結びつくO原子の数が

1.5個 → 約1.3個 → 1個

と少しずつ減少しています。

 

すなわち段階的に還元されていることになります。


 

 

 

まず Fe2O3 から Fe3O4 へと還元される反応は

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2・・・④

Fe2O3が還元され、一方でCOは酸化されてCO2へと変化。

 

 

次に Fe3O4 から FeO へと還元される反応は

Fe3O4+ CO → 3FeO + CO2・・・⑤

Fe3O4が還元され、一方でCOは酸化されてCO2へと変化。

 

 

最後に FeO から Fe へと還元される反応は

FeO + CO → Fe + CO2・・・⑥

FeOが還元され、一方でCOは酸化されてCO2へと変化。

 

 

 

④と⑤をまとめます。

 

連立方程式の加減法のように

⑤の両辺を2倍したものと④とを足してみます。

Fe3O4の係数をそろえるのです。

 

 

以上から

Fe2O3 + CO → FeO + CO2 ・・・⑦

という反応式が得られました。

 

 

次に⑥の両辺を2倍したものと⑦を足します。

FeOの係数をそろえます。

 

 

以上から次の反応式が得られます。

Fe2O3+ 3CO → 2Fe + 3CO2・・・⑧

 

 

この⑧式が④~⑥をまとめたものになります。

 

 

このようにして溶鉱炉の中で鉄Feができます。

 

 

溶鉱炉でできた鉄には炭素が混ざっており、硬くてもろい、という性質を持ちます。

(少し力を加えただけでくずれて、金属本来の性質である展性・延性がない)

 

 

このような鉄を銑鉄(せんてつ)といいます。

 

 

最後に銑鉄から炭素を取り除き、鉄の純度を上げていかなければなりません。

 

 

そのために転炉(てんろ)というところに銑鉄を入れます。(銑鉄は融解しておく)

 

 

そこに酸素を吹き込み、炭素を酸化します。

こうすることで、銑鉄から不純物である炭素を取り除きます。

 

 

このとき得られた、純度の高い鉄を特に鋼(こう)といいます。

以上のような仕組みで、鉄鉱石から鉄を取り出します。

 

 

まとめ

溶鉱炉の中に酸化鉄Fe2O3コークスCを入れて以下の式のような反応を起こす。

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4+ CO → 3FeO + CO2

FeO + CO → Fe + CO2

この結果、得られた鉄は炭素をふくんでいる。

これを銑鉄といい、もろい。

 

そのため、転炉で酸素を吹き込んで、混ざっている炭素を酸化する。

このようにして純度の高い鉄を得る。

 

 

POINT!!

・鉄の単体は自然界にはあまり存在しない。

 

・鉄鉱石中の酸化鉄をコークスで還元して、鉄の単体を得る。

 

・中学生ならば、このページの化学反応式までは覚える必要はないと思います。おおよその反応の流れだけ知っておくとよいでしょう。

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