【高校化学】鉄の精錬の原理についてわかりやすく徹底解説！一酸化炭素の役目やスラグとは
無機化学はとてつもなく覚えることが多く、工業的製法も種類が多くて嫌になってしまいますよね。
けれでも、企業や先人の人たちの英知が凝縮された工業的製法は、理論がわかれば楽しいと感じることも多い分野だと思います。
今回は工業的製法の中でも、「鉄の精錬」について
なるべくわかりやすく、徹底解説していきたいと思います。
鉄の工業的製法は、他の工業的製法よりかはシンプルです。
とっつきやすい範囲だと思いますので、ぜひご覧になっていってください。
☆ そもそも金属の精錬とは
鉄の精錬に入る前に。
そもそも「精錬」という言葉がピンときていない人がいると思いますので、解説していきます。
金属の精錬とは、
還元反応によって、化合物から金属の単体を生成する操作をいいます。
今回お話しする鉄は、汎用性の高い金属です。
磁石や建築物など、様々なものに使用されているので、大量生産する必要があります。
しかし、鉄というのは自然界では「鉄の単体」ではなく「鉄鉱石（Fe2O3)」という鉱山中の物質として存在しています。
鉄鉱石のFe原子の酸化数は「＋3」、そこから単体のFe（酸化数0）にしていく操作
すなわち、還元反応によって鉄鉱石から鉄の状態にしていくことを鉄の精錬といいます。
☆ 鉄の精錬の一連の流れ
鉄の精錬の流れは2ステップです。
① 鉄鉱石(Fe2O3)を銑鉄(せんてつ)にする
② 銑鉄を鋼(こう)にする
の2段階です。
それそれ段階を踏んで、確認していきたいと思います。
・ 鉄鉱石を銑鉄にする過程
この過程では、
原料である鉄鉱石(Fe2O3)を、コークス(C)と石灰石(CaCO3)と一緒に溶鉱炉に入れて、
段階的に還元することで、銑鉄にしていきます。
ここで大切なのが、コークスと石灰石の役割です。
石灰石とコークスは、一酸化炭素を生成するために溶鉱炉内で加熱をします。
コークスは燃焼反応で、石灰石は熱分解反応によって、二酸化炭素を生成します。
ここでできた二酸化炭素を、未反応のコークスと一緒に加熱すると、一酸化炭素(CO)が生成します。
この一酸化炭素が、鉄鉱石を還元していく上でとても重要です。
なぜなら、一酸化炭素は不安定なため、相手の酸素を奪って安定な二酸化炭素になろうとする働きを持つからです。
言い換えると、相手を還元する力（＝相手の酸素を奪う力）がとても強いのです。
還元性の強い一酸化炭素によって、鉄鉱石は段階的に溶鉱炉内で還元されます。
全体式は次のようになっています。
一酸化炭素による鉄鉱石の段階的な還元反応によって、
鉄鉱石は銑鉄という、不純物として炭素Cを含んだ柔らかい鉄の単体になります。
・ 銑鉄を鋼にする過程
銑鉄は炭素を含んでいるので、脆くて柔らかいです。
とても壊れやすいので、実用性はあまりありません。
よって、不純物である炭素を取り除いて、純度が高くて実用性が高いものにしていく必要があります。
どうやって、不純物である炭素を取り除いていくのかというと、
融解した銑鉄に酸素を吹き込むことによって、それを実現しています。
銑鉄に酸素を吹き込むと、
の炭素の燃焼反応が起こり、炭素は二酸化炭素へと変化します。
二酸化炭素は気体なので、熱することによって吹き飛びます。
これによって、銑鉄は炭素が取り除かれ
純度の高い鋼(こう)になります。
鋼は純度が高く、粘り気があって硬いです。
建築物などにも使われており、実用可能な鉄の単体となっています。
（多少のCは含みます。）
☆ スラグとは
スラグという単語は、鉄の精錬の一段階目に関係しています。
鉄鉱石の主成分はFe2O3ですが、
実は鉄鉱石にはFe2O3だけではなく、SiO2やAl2O3が不純物として存在しています。
CaSiO3やCa(AlO2)2に変化します。
この、CaSiO3やCa(AlO2)2のことをスラグといいます。
副生成物含めて、すべての材料が無駄なく活用されているのが、鉄の精錬の素晴らしいところだと思います。
☆ まとめ
鉄の精錬は、鉄鉱石を還元して鉄の単体を作る作業のこと。
鉄鉱石の還元には、一酸化炭素の還元力を利用している。
化学の偏差値10アップを目指して、頑張りましょう。
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