この教材で学ぶこと
到達目標
-
製錬が鉱石から金属を取り出す操作であることを説明できる
-
鉄の高炉で一酸化炭素が還元剤として働くことを説明できる
-
アルミニウムが電気分解によって製錬される理由を説明できる
-
銅の製錬と電解精錬の流れを説明できる
-
金属のイオン化傾向と製錬方法の関係を理解できる
前提知識
-
酸化還元
-
イオン化傾向
-
炭素と一酸化炭素の還元作用
-
電気分解
-
鉄・アルミニウム・銅の基礎
1
製錬とは
製錬とは、鉱石から目的の金属を取り出す操作のことです。
自然界にある金属元素は、単体ではなく酸化物や硫化物などの化合物として存在していることが多いです。
そのため、金属を得るには、金属イオンや金属酸化物を還元する必要があります。
製錬の方法は、金属の反応性やイオン化傾向によって変わります。
高校化学では、鉄、アルミニウム、銅の製錬が特に重要です。
代表的な金属の製錬
|
金属
|
主な原料
|
主な方法
|
ポイント
|
|
Fe
|
鉄鉱石 Fe₂O₃ など
|
高炉でCOにより還元
|
一酸化炭素が還元剤
|
|
Al
|
ボーキサイトから得るAl₂O₃
|
溶融塩電解
|
反応性が大きいため電気分解
|
|
Cu
|
黄銅鉱など
|
加熱・酸化・還元・電解精錬
|
粗銅を電解精錬して純銅にする
|
確認ポイント
-
製錬の意味を説明できる
-
金属酸化物を還元すると金属が得られることを説明できる
-
鉄・アルミニウム・銅で製錬方法が異なることを理解している
↑ 目次へ戻る
2
金属のイオン化傾向と製錬
金属の製錬方法は、金属のイオン化傾向と深く関係しています。
イオン化傾向が小さい金属は、比較的還元されやすく、炭素や一酸化炭素による還元で得られることがあります。
一方、アルミニウムのようにイオン化傾向が大きい金属は、炭素による還元では得にくいため、電気分解を利用します。
鉄は一酸化炭素による還元で得られます。
銅は比較的還元されやすく、粗銅を得たあと、電解精錬で純度を高めます。
イオン化傾向と製錬方法のイメージ
|
金属の例
|
イオン化傾向
|
製錬方法の傾向
|
|
Na、Mg、Al
|
大きい
|
電気分解が必要になりやすい
|
|
Zn、Fe、Sn、Pb
|
中程度
|
炭素やCOによる還元が利用される
|
|
Cu、Hg、Ag
|
小さい
|
加熱や還元で得やすい。精錬で純度を高める
|
|
Au、Pt
|
非常に小さい
|
単体として産出することもある
|
注意：製錬では、金属を得るために金属化合物を還元する、という考え方が中心です。
注意：アルミニウムは反応性が大きいため、炭素で還元するのではなく、電気分解で製錬します。
確認ポイント
-
イオン化傾向が大きい金属ほど還元されにくいことを説明できる
-
アルミニウムの製錬に電気分解が使われる理由を説明できる
-
鉄の製錬でCOが還元剤になることを理解している
↑ 目次へ戻る
3
鉄の製錬
鉄は、鉄鉱石を高炉で還元して取り出します。
代表的な鉄鉱石には、赤鉄鉱 Fe₂O₃ や磁鉄鉱 Fe₃O₄ があります。
高炉には、鉄鉱石、コークス、石灰石が入れられます。
コークスは燃焼して熱を発生し、さらに一酸化炭素 CO をつくります。
この一酸化炭素が鉄鉱石を還元して鉄を生じます。
コークスの燃焼
C + O₂ → CO₂
燃焼により高温をつくります。
一酸化炭素の生成
CO₂ + C → 2CO
高温で二酸化炭素が炭素と反応し、一酸化炭素ができます。
酸化鉄(III)の還元
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
COがFe₂O₃を還元して鉄を生じます。
高炉に入れる物質
|
物質
|
役割
|
|
鉄鉱石
|
鉄の原料
|
|
コークス
|
燃料・還元剤COのもと
|
|
石灰石
|
不純物を取り除くために使う
|
確認ポイント
-
高炉に鉄鉱石・コークス・石灰石を入れることを説明できる
-
COが酸化鉄を還元して鉄を生じることを説明できる
-
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ を理解している
↑ 目次へ戻る
4
高炉での石灰石の役割
高炉では、石灰石 CaCO₃ も重要な役割をもちます。
石灰石は高温で熱分解し、酸化カルシウム CaO と二酸化炭素 CO₂ になります。
酸化カルシウム CaO は、鉄鉱石中の不純物である二酸化ケイ素 SiO₂ と反応します。
この反応でケイ酸カルシウム CaSiO₃ ができ、スラグとして取り除かれます。
つまり石灰石は、不純物を取り除くために使われます。
石灰石の熱分解
CaCO₃ → CaO + CO₂
高温で酸化カルシウムが生じます。
不純物の除去
CaO + SiO₂ → CaSiO₃
不純物のSiO₂をスラグとして取り除きます。
石灰石の役割
|
段階
|
反応
|
意味
|
|
1
|
CaCO₃ → CaO + CO₂
|
石灰石が熱分解する
|
|
2
|
CaO + SiO₂ → CaSiO₃
|
SiO₂をスラグとして除く
|
注意：石灰石は鉄の原料ではなく、不純物を取り除くために使われます。
注意：CaSiO₃をスラグと呼びます。
確認ポイント
-
石灰石が高炉で使われる理由を説明できる
-
CaOがSiO₂と反応してスラグをつくることを説明できる
-
スラグが不純物を取り除くためのものであることを理解している
↑ 目次へ戻る
5
アルミニウムの製錬
アルミニウムはイオン化傾向が大きく、酸素と強く結びついているため、炭素による還元では取り出しにくい金属です。
そのため、酸化アルミニウム Al₂O₃ を電気分解してアルミニウムを得ます。
このとき、Al₂O₃は融点が非常に高いため、氷晶石を加えて融点を下げ、溶融状態で電気分解します。
このような方法を溶融塩電解といいます。
アルミニウムの製錬では、多くの電気エネルギーが必要です。
酸化アルミニウムの電気分解の全体反応
2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂
酸化アルミニウムからアルミニウムと酸素が得られます。実際には電極反応も関係します。
アルミニウム製錬のポイント
|
項目
|
内容
|
|
原料
|
ボーキサイトから得るAl₂O₃
|
|
方法
|
溶融塩電解
|
|
氷晶石の役割
|
Al₂O₃の融点を下げる
|
|
理由
|
Alは反応性が大きく、炭素還元では得にくい
|
|
注意点
|
大量の電気エネルギーが必要
|
注意：アルミニウムは鉄のように高炉でCO還元するのではなく、電気分解で得ます。
注意：氷晶石は、酸化アルミニウムの融点を下げるために加えられます。
確認ポイント
-
アルミニウムの製錬に電気分解が使われる理由を説明できる
-
Al₂O₃がアルミニウム製錬の原料であることを答えられる
-
氷晶石の役割を説明できる
↑ 目次へ戻る
6
銅の製錬
銅は、黄銅鉱などの鉱石から取り出されます。
銅鉱石を加熱・酸化・還元して、まず不純物を含む粗銅を得ます。
粗銅には金、銀、白金などの貴金属や、他の金属不純物が含まれることがあります。
粗銅はそのままでは純度が十分ではないため、電解精錬によって純度を高めます。
高校化学では、銅の電解精錬の陽極・陰極・電解液・陽極泥が重要です。
銅の製錬の流れ
|
段階
|
内容
|
|
1
|
銅鉱石を処理して粗銅を得る
|
|
2
|
粗銅を陽極にする
|
|
3
|
純銅板を陰極にする
|
|
4
|
硫酸銅(II)水溶液を電解液にする
|
|
5
|
電解精錬によって陰極に純銅が析出する
|
確認ポイント
-
銅の製錬では粗銅を得たあと電解精錬することを説明できる
-
粗銅には不純物が含まれることを理解している
-
銅の電解精錬で純銅を得る流れを説明できる
↑ 目次へ戻る
7
銅の電解精錬
銅の電解精錬では、陽極に粗銅、陰極に純銅板、電解液に硫酸銅(II)水溶液を使います。
陽極では、粗銅中の銅が銅(II)イオン Cu²⁺ となって溶け出します。
陰極では、銅(II)イオンが電子を受け取って銅として析出します。
銅よりイオン化傾向が小さい金や銀などは、陽極で溶けずに下に落ち、陽極泥になります。
この陽極泥には貴金属が含まれるため、回収されます。
陽極での反応
Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
粗銅中の銅が電子を失って溶け出します。
陰極での反応
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
銅(II)イオンが電子を受け取り、純銅として析出します。
銅の電解精錬
|
項目
|
内容
|
|
陽極
|
粗銅
|
|
陰極
|
純銅板
|
|
電解液
|
硫酸銅(II)水溶液
|
|
陰極で起こること
|
純銅が析出
|
|
陽極泥
|
Ag、Auなどを含む
|
例題：銅の電解精錬で陽極に用いるものは何か。
答え：粗銅
粗銅を陽極にして、銅をCu²⁺として溶かし出します。
例題：銅の電解精錬で陰極に析出する物質は何か。
答え：銅 Cu
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu の反応で、陰極に純銅が析出します。
確認ポイント
-
銅の電解精錬で陽極が粗銅であることを答えられる
-
陰極で純銅が析出することを説明できる
-
陽極泥にAgやAuが含まれることを説明できる
↑ 目次へ戻る
8
製錬と酸化還元
金属の製錬は、酸化還元反応として理解できます。
金属酸化物から金属を取り出すとき、金属イオンは電子を受け取って金属単体になります。
つまり、金属は還元されています。
一方、炭素や一酸化炭素は酸素を受け取ったり、電子を失ったりして酸化されます。
製錬では、何が酸化され、何が還元されているかを判断することが重要です。
製錬での酸化還元
|
反応
|
還元される物質
|
酸化される物質
|
|
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
|
Fe₂O₃
|
CO
|
|
2CuO + C → 2Cu + CO₂
|
CuO
|
C
|
|
Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe
|
Fe₂O₃
|
Al
|
例題：Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ で還元される物質は何か。
答え：Fe₂O₃
Fe₂O₃中の鉄がFeになるため、酸化鉄(III)が還元されています。
例題：Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ で酸化される物質は何か。
答え：CO
COはCO₂になり、酸素と結びついているため酸化されています。
確認ポイント
-
製錬を酸化還元として説明できる
-
金属酸化物が還元されて金属になることを説明できる
-
COやCが還元剤として働くことを説明できる
↑ 目次へ戻る
9
テストでの出題パターン
金属の製錬では、鉄の高炉、アルミニウムの電解製錬、銅の電解精錬がよく出題されます。
鉄では、コークス、一酸化炭素、石灰石、スラグの役割を整理しましょう。
アルミニウムでは、Al₂O₃、氷晶石、溶融塩電解が重要です。
銅では、粗銅を陽極、純銅板を陰極、硫酸銅(II)水溶液を電解液にすることを覚えましょう。
また、どの反応で何が酸化され、何が還元されているかを問われることも多いです。
例題：高炉で鉄鉱石を還元する主な物質は何か。
答え：一酸化炭素 CO
高炉内で発生したCOがFe₂O₃を還元してFeを生じます。
例題：高炉で石灰石を加える目的は何か。
答え：不純物のSiO₂をスラグとして取り除くため。
石灰石から生じたCaOがSiO₂と反応してCaSiO₃をつくり、スラグとして除かれます。
例題：アルミニウムの製錬に電気分解が使われる理由を答えよ。
答え：アルミニウムはイオン化傾向が大きく、炭素による還元では取り出しにくいため。
Alは酸素と強く結びついているため、Al₂O₃を溶融塩電解して得ます。
例題：銅の電解精錬で陽極に用いるものは何か。
答え：粗銅
粗銅を陽極、純銅板を陰極として電解精錬を行います。
確認ポイント
-
鉄の高炉での反応を説明できる
-
石灰石の役割を説明できる
-
アルミニウムの溶融塩電解を説明できる
-
銅の電解精錬を説明できる
-
製錬を酸化還元として理解できる
↑ 目次へ戻る