철의 제련 (산화철의 환원)

철의 제련

제련이라는 것은 금속을 순도가 높은 형태로 분리 및 추출하는 것을 말합니다. 따라서, 철의 제련이라는 것은 철광석으로부터 불순물을 분리하고 철을 얻는 과정을 이야기하는 것인데, 철광석은 대부분 산화철로 이루어져 있지요. 따라서 순수한 철을 얻기 위해서는 산화철의 환원 과정이 필요하며, 불순물인 슬래그(slag)를 분리시켜야 합니다.

- 철광석, 산화철이 많이 포함되어 있다. 이미지 출처: 중앙일보 -

통합과학 과정에서는 아래 내용 정도를 알면 충분하며, 철의 제련은 아래 세 단계로 기억을 해두면 됩니다.

1. 코크스(C)로부터 일산화탄소(CO) 생성
2. 산화철(Fe2O3)의 환원
3. 석회석(CaCO3) 열분해를 통한 불순물(SiO2) 제거

- 철의 제련, 이미지 출처: www.yaclass.in -

 

1. 코크스로부터 일산화탄소(CO) 생성

산화철(Fe2O3)을 환원시키기 위해서, 환원제가 필요한데 CO가 사용됩니다. 환원제라는 것은 산화철을 환원시키기 위해 산화가 될 물질입니다.

 

철의 제련 과정에서 환원제인 일산화탄소, CO를 만들기 위해서 코크스를 불완전 연소를 시킵니다. 코크스는 대부분이 탄소(C)로 이루어지고, 미량의 불순물을 포함한 연료로 석탄으로부터 제조되는데, 이 코크스를 산소와 반응시켜 산화시키면 일산화탄소가 얻어지게 됩니다.

 

2C(s) + O2(g) → 2CO(g)

 

참고로, 코크스가 완전연소가 되면, 아래와 같이 이산화탄소가 발생합니다. 그리고, 이산화탄소가 탄소와 반응해서 일산화탄소가 생성되는 반응도 진행이 됩니다.

 

C(s) + O2(g) → CO2(g) (탄소의 완전연소)

CO2(g) + C(s) → 2CO(g)

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2. 산화철의 환원

철광석의 산화철은 환원제인 일산화탄소와 반응을 통해 철로 환원이 됩니다.

 

Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

 

Fe2O3는 Fe로 환원이 되었고, CO는 산화되었습니다.

 

3. 석회석 열분해 (불순물 제거)

불순물인 SiO2를 제거하기 위해 석회석(CaCO3)을 열분해 하여 산화칼슘(CaO)을 얻습니다.

 

CaCO3 → CaO + CO2 (산화환원반응 아님)

 

이 산화칼슘이 철광석 불순물인 SiO2와 반응을 하여 규산칼슘이 생성됩니다. 이것을 슬래그(slag)라고 합니다.

 

CaO + SiO2 → CaSiO3 (산화환원반응 아님)

 

이 슬래그는 비중이 낮아 금속은 아래에, 슬래그는 위에 떠있게 되어서 쉽게 말하면 건져낼 수 있다고 생각을 하면 됩니다.  참고로 위의 반응은 산화환원 반응이 아닌데요, 철의 제련 과정을 크게 세 단계로 나눌 때 불순물 제거를 하는 과정만 산화 환원 반응이 아니므로 이에 대한 문제 중의 보기로 출제가 될 수 있으니 알아두시면 되겠습니다.

 

왜 산화 환원 반응이 아닌지는 아래 포스팅의 산화수 규칙을 참고하시면 됩니다.

2023.08.22 - [과학] - 산화수 규칙 (Oxidation Number)

산화수 규칙 (Oxidation Number)