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철광석을 코크스와 석회석과 섞어서 용광로에 넣고 아래쪽에서 열풍을 보내면 코크스는 산소와 반응하여 일산화 탄소(CO)가 되고, 이 일산화 탄소가 산화 철(Ⅲ)을 환원시켜 철이 생성된다.
자연계에 있는 철의 대부분은 산화 철(Ⅱ)(Fe2O3)과 사산화 삼철(Fe3O4)의 산화물의 형태로 존재하고 있다. 광산에서 캐낸 적철광, 자철광, 갈철광 등의 철광석으로부터 철을 얻기 위해서는 이들 철광석으로부터 산소를 떼어 내는 환원 반응을 거쳐야 한다.
잘게 부순 철광석과 탄소가 주성분인 코크스, 그리고 석회석을 용광로에 넣고 뜨겁게 가열한 공기를 불어 넣으면 철이 환원된다.
용광로 밑의 열풍관을 통해 약 800 ℃로 가열한 공기를 불어 넣으면, 열풍관 가까이에 있는 코크스는 산화 철과 반응하여 불완전한 연소를 일으켜 일산화 탄소가 되는데, 이때 발생하는 연소열로 온도는 2000 ℃까지 올라간다. 이 과정에서 생긴 일산화 탄소가 산화 철에서 산소를 빼앗아 철을 환원시키게 된다.
Fe2O3 + 3C → 2Fe
+ 3CO
산화 철(Ⅱ) 코크스(탄소) 철 일산화 탄소
일산화 탄소는 용광로 위에 올라가면서 철광석을 가열시켜 반응하기 쉬운 액체 상태로 만든다. 그리고 다시 산화 철과 반응하여 철로 환원시키고, 이산화 탄소가 된다.
Fe2O3 + 3CO → 2Fe
+ 3CO2
산화 철(Ⅱ) 일산화 탄소 철 이산화 탄소
이 과정을 통해 철광석은 산소를 잃어버리고 액체 상태의 철이 되어, 불순물인 찌꺼기와 함께 아래쪽으로 모이게 된다. 그러나 찌꺼기는 액체 상태의 철 위에 떠 있으므로 철과 찌꺼기를 따로 분리할 수 있다.
뽑아 낸 철을 선철이라고 하는데 선철은 용선차에 쏟아 넣어 제강 공장으로 운반한다. 거기서 탄소나 불순물을 더 제거하여 강철을 만드는 것이다.
확인문제
OX 문제
철의 제련 과정에서 일산화 탄소(CO)는 산화 철(Ⅱ)(Fe2O3)을 산화시키고 자신은 환원된다.정답 확인하기
더 알아보기
석회석의 역할
석회석은 철광석 속에 포함되어 있는 암석과 결합하여 찌꺼기를 만드는데, 이것을 슬래그 또는 용재라고 한다. 슬래그는 철보다
비중이 작기 때문에 쇳물 위에 뜨고, 녹은 철이 산화하는 것을 막아 준다.
관련용어
- 제련 smelting 製 짓다 鍊 달구다
- 철의 제련의 역사
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1-1-1-2. 철의 제련과 이용
[2nd Edit. 2016.07.05.]
지난 시간에 불을 이용해서 철을 만들었다고 했었죠...
이번에는 그 철에 대해서 배워보겠습니다.
철의 원소기호는 Fe.
그의 녹는점은 1538도나 되는 아주 높은 온도지요.
철은 주로 자연상태에서 철광석의 형태로 존재하여 발견되는데요...
철은 산소와의 결합을 매우 잘해서 반응성이 큽니다.
그래서 우리는 철을 얻어내기 위해 제련이라는 과정을 통합니다.
Pic1. 철의 제련 과정 [출처 : zum학습백과]
위의 물체를 우리는 용광로라고 부릅니다.
용광로에서 산화환원반응을 통해 순수한 철을 얻게됩니다.
[ 산화환원반응이란? ]
위의 그림에서 보듯이, 용광로의 꼭대기에 철광석, 코크스, 석회석을 넣어줍니다.
철광석의 화학식은 Fe2O3, 코크스는 C, 석회석은 CaCO3 입니다.
제련의 과정은...
먼저 코크스(C)의 불완전 연소에 의해 생성된 CO(일산화탄소)가 철광석 속의 산화철(Fe2O3)을 철(Fe)로 환원
시킵니다.
또한, 철광석 속에는 SiO2가 소량 섞여잇으므로, 석회석을 첨가해줍니다.
그렇게 되면 우리는 CaSiO3 (슬래그) 라는 물질을 얻게 됩니다.
철의 이용과 영향에는
철제 농기구가 발달하여 농업의 생산성이 향상되었고, 철을 대량생산하게 되면서 교통수단이 발달하게 되었고, 인간의 이동과 물물교환이 왕성하게 발달하였습니다.
다음시간에는 공기를 구성하는 질소, 그리고 대표적인 질소를 사용한 화합물인 암모니아에 대해서 알아보겠습
니다.
철의 제련. 코크스와 석회석. 산화-환원 반응
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[ 그림 출처 Wikimedia ] 코크스.
코크스(독일어: Koks, 영어: coke)는 탄소 함량이 높고 불순물은 미량인
연료의 일종이다. 대개 석탄을 원료로 만든다.
코크스(C)는 산화되면 일산화탄소(CO)가 된다.
코크스(C)는 철광석을 금속 철로 환원시키는데 필요한
환원제인 CO를 만들기 위해 넣고,
C + O2 → CO2
CO2 + C → 2CO
( 전체 반응: 2C + O2 → 2CO )
( 참고: redox 전체 반응 //ywpop.tistory.com/9788 )
( 단, 온도에 따라(저온에서), ... 아래에 나옴
코크스가 환원제 역할을 할 수도 있다. )
석회석(CaCO3)은 철광석에 포함된
불순물(주성분은 SiO2)을 제거하기 위해 넣습니다.
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + SiO2(불순물) → CaSiO3
[참고] CaCO3 → CaO + CO2 반응은 산화-환원 반응인가?
[ //ywpop.tistory.com/10084 ]
▶ 철의 제련
[1] Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
> 산화되는 물질: CO (탄소의 산화수는 +2에서 +4로 증가)
---> CO는 환원제.
> 환원되는 물질: Fe2O3 (철의 산화수는 +3에서 0으로 감소)
---> Fe2O3는 산화제.
> Fe2O3가 환원될 때 이동한 전자의 몰수는 6 mol.
( 참고: redox Fe2O3 + CO //ywpop.tistory.com/6261 )
온도에 따라(저온에서), 다음 반응에 의해 철을 얻을 수도 있습니다.
[2] 2Fe2O3 + 3C → 4Fe + 3CO2
( carbon from coke )
[3] Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
( 참고: redox Fe3O4 + CO //ywpop.tistory.com/5637 )
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Carbon is more reactive than iron, so it can displace iron from iron(III) oxide:
2Fe2O3(s) + 3C(s) → 4Fe(l) + 3CO2(g)
In the blast furnace, it is so hot that carbon monoxide can be used, in place of carbon, to reduce the iron(III) oxide:
( 온도가 매우 높은 용광로 안에서는, C대신 CO가 산화철(III)을 환원시키는데 사용된다. )
Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g)
[ 자료 출처: //www.bbc.com/bitesize/guides/zpcdsg8/revision/4 ]
※ 용광로 내부에서는 Fe(l), 일반적인 반응식에서는 Fe(s)
> 2Fe2O3(s) + 3C(s) → 4Fe(s) + 3CO2(g)
> Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)
[ 그림 출처 Wikimedia ] 용광로 (blast furnace).
▶ 용광로 중층부 (400~900 ℃)
> FeO + CO → Fe + CO2
> Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2
> Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
▶ 용광로 하층부 (900~1900 ℃)
> FeO + C → Fe + CO
> Fe2O3 + C → 2FeO + CO
[키워드] 철의 제련 기준문서, 철의 제련 사전