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。

これらは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と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 Fe₃O₄ を FeO へと還元。

最後に FeO を Fe へと還元。

 

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※補足

Fe₂O₃ → 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

Fe：O＝2：3＝1：1.5

 

Fe₃O₄におけるFe原子とO原子の数の比は

Fe：O＝3：4＝1：約1.3

 

FeOにおけるFe原子とO原子の数の比は

Fe：O＝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。

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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。