鉄の単体を溶鉱炉、転炉から取り出す方法まとめ

こんにちは。

この鉄というのは無機化学で非常に重要な金属で、鉄の単体を取り出す製法も良く出題されます。

なので、流れ、反応式、また各段階で出てくる物質の名前をキッチリマスターしていきましょう！

意外と途中で出てくる名前とかが出題されたりもしますので、キッチリ抜けの無い知識を手に入れていきましょう！

鉄は一酸化炭素によって還元して生成する

鉄と言うのは自然界で単体であるわけではなく、（あれば苦労はしない、、）鉄鉱石として存在します。

このような鉄鉱石の形で自然界に存在します。この中の酸化鉄から鉄を単離します。

鉄は酸化物として存在していますので（Fe₂O₃やFe₃O₄)これを還元する還元剤が必要です。

その還元剤はCO（一酸化炭素）です。というのも、COは不安定です。だから酸素と結合してCO₂になりたくて仕方がありません。

つまり酸化鉄とおなじばしょに入れると、

と言うように酸化鉄から酸素を奪っていきます。
このようにして鉄が単離されます。それでは実際工業的にどのように鉄が単離されていくのか、をきっちり学んでいきましょう。

①鉄鉱石・コークスを溶鉱炉に入れる

こちらは、溶鉱炉と言います。

このようにうえからまず鉄鉱石、石灰石(CaCO₃)、コークスを入れます。
コークスというのは、石炭を融解させ、ある程度不純物を取り除いた黒色の炭素の塊だと思ってください。

まず二酸化炭素を作ります。

「あれ？一酸化炭素じゃ無いの？」
と思われると思いますが、二酸化炭素よりも一酸化炭素を作る方が難しいのです。

C→CO₂→CO

という順番で作っていきます。
まず、コークスのCが燃焼されてCO₂が発生します。コークス以外にも石灰石のCaCO₃の熱分解反応からもCO₂は生成できます。
CaCO₃→CaO+CO₂
という反応が起ります。
この後、
CO₂+C→2CO
という反応が起ります。

これは、CとCO₂の酸化数がそれぞれ0と+4なので、この２つを酸化還元反応すると、その間の＋２に両方とどまるのが自然だよね！っていう反応です。

コークス（C）の一部が燃焼し、CO₂に、でまだ反応していないコークスとCO₂が酸化還元反応をする事でこの反応の主役である、COを生成できます。
このCOは還元剤としてFe₂O₃を還元していきます。

②酸化鉄の還元の様子

酸化鉄というのは、実は２種類あります。

酸化鉄に関してはこちら

酸化鉄には赤鉄鉱と磁鉄鉱があります。
鉄鉱石はこの２つが混ざっており、Fe₂O₃は、赤鉄鉱で、酸化数は+3です。
しかし、磁鉄鉱のFe₃O₄は、酸化数が8/3という意味不明なものになります。

実は、これはFeO＋Fe₂O₃の足し算だと考えてください。
FeOの酸化数は+2です。赤鉄鉱に比べると、還元されています。なので赤鉄鉱をある程度還元すると磁鉄鉱になります。
このように
Fe₂O₃→Fe₃O₄(FeO+Fe₂O₃)→Fe
という順番で還元をしていきます。

ということで、この反応式は、

3Fe₂O₃+CO→2Fe₃O₄+CO₂
これは未定係数法によって係数を決定しました。
また次の、
Fe₃O₄+CO→3FeO+CO₂
という反応が起ります。
そして、
FeO+CO→Fe+CO₂
の反応がおこります。
また少数派ではありますが、Fe₂O₃をCが直接還元すると言うパターンもあります。