철의 제련. 코크스와 석회석. 산화-환원 반응 ★

철의 제련. 코크스와 석회석. 산화-환원 반응

 

 

 

 

[ 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 https://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?

[ https://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 https://ywpop.tistory.com/6261 )

( 참고: 미정계수법 https://ywpop.tistory.com/3902 )

 

 

 

 

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 https://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: https://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

 

 

 

 

 

[참고] 철광석의 제련은 발열 과정이다.

Smelting of iron ore is an exothermic process.

Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g) ... ΔH° = –24.8 kJ

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/21312 ]

 

 

 

 

[키워드] 철의 제련 기준, 철의 제련 사전, 산화철의 환원 기준, 산화철의 환원 사전

 

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