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はじめに

ここでは、東京書籍 改訂 科学と人間生活をベースに講義を進めていきます。

 

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第1章 材料とその再利用 ①金属 C.金属の製法 教科書P62-63

今回は教科書P62~63の範囲を学習します。予め教科書の内容に目を通しておくと、効率よく学習が進められます。

☝本時の目標

1.金属の製法にまつわる化学的知識を復習・確認しよう。(酸化と還元・製錬)
2.代表的な金属(鉄・銅・アルミニウム)の製法を確認しよう。

1.化学的知識の復習と確認

長兄:ラオウ
それでは、講義を始めよう。今回は、教科書62~63ページ、金属の製法について解説しよう。

三男:ジャギ
了解だぜ。兄者。

ところで、ジャギよ。鉄とか銅など、日常生活で利用している金属は、どんな物から出来ているか知っているか?

この前の授業で、鉱石から出来ているって学習したぜ!

その通りだ。では、その鉱石から、「どのようにして目的の金属を獲得することが出来るのか?」と、聞かれたらどうだ??

確か・・・、鉱石には酸素とか硫黄が含まれていて、鉄鉱石は主成分が酸化鉄だから、鉄が欲しかったら酸素を取り除けばいいわけだけど・・・。どうすれば、酸素を取り除くことができるんだい??

それが、今回の学習ポイントになる。そこで1つ復習をしておこう。

酸化と還元は覚えているぜ。

鉱石から目的の金属を取り出す操作を製錬というが、大半の鉱石は、酸化された状態で存在している。だから、目的の金属を取り出すためには、鉱石を還元してやれば良いことになる。

そうか!!酸化の反対だから、還元すればいいんだ。それで、具体的にどうすれば、還元できるんだ??兄者。

うむ。それでは、見ていこう。

2.金属( Fe, Cu, Al )の製錬方法

■鉄の製錬

まずは、鉄の製錬からだ。鉄は、鉄鉱石から出来ている。

鉄の鉱石だから鉄鉱石か?

その通りだな。この鉄鉱石には、磁鉄鉱(じてっこう)や赤鉄鉱(せきてっこう)、砂鉄などがあるが、鉄の製錬には主に赤鉄鉱が用いられている。

へぇ~。砂鉄は、聞いたことがあるけど、赤鉄鉱とか磁鉄鉱ってのは、初耳だな。

言葉自体は初めてかもしれないが、赤鉄鉱は「赤さび」、磁鉄鉱は「黒さび」のことだ。

何だ。鉄がさびたやつのことか!?

そうだな。赤さびは、空気中に放置した鉄が赤くなって腐食する一方で、黒さびは、赤さびの進行を止めることが出来るから、(赤)さび防止に利用されている。

黒さびって、優秀なんだね。

そうだな。黒さびは鉄を高温で熱すると生成するが、興味のある人は、こちらの動画を参考にするがいい。

それで、ここから鉄はどうやって出来るんだい?

話が少しそれてしまったな。鉄の製錬は、溶鉱炉(高炉)と呼ばれるところで行われている。

この溶鉱炉の上から、鉄鉱石、コークス(C)、石灰石を入れる。それと同時に、下から熱風を吹き込んでコークスを燃やす。

それでどうなるんだ?

この時、コークスは酸素と結びついて一酸化炭素(CO)になるが、この一酸化炭素が、鉄鉱石から酸素を奪う。

一酸化炭素が鉄鉱石を還元しているんだね!

そうだ。この時、どろどろに溶けた銑鉄が取り出される。ちなみに、一酸化炭素は酸化されて二酸化炭素になる。

そっか。鉄鉱石を還元する代わりに、一酸化炭素は酸化されているんだね。

銑鉄は、炭素を多く含んでおり、硬くてもろい性質がある。

コークス(C)と一緒に燃やしたから、炭素が混ざってしまったんだぁ。

そういうことだな。実は、我々が日常生活で使用している鉄は、炭素との合金のことなんだ。

へぇ~。そうだったんだぁ。でも、硬くてもろい性質は、鉄のイメージと違う感じがするな。

そうだな。一般的に、鉄の中に炭素がたくさん含まれていると、硬くてもろく、少ないと軟らかく粘りが強くなる性質がある。

溶鉱炉で出来た銑鉄は、転炉に運び込まれて、そこで酸素を吹き込んで炭素を燃焼させるのだ。すると、炭素の含有量が減って、硬くて弾性のある鋼(こう)[スチール]になる。

転炉では、炭素の含有量を調節しているんだね。

うむ。この時できた鋼は、建物の鉄骨や電車のレールなどに用いられている。

■銅の電解精錬

他の金属も、鉄みたいな感じで製錬されるのかい?

還元するという意味においては、共通しているが、金属によって方法は異なってくる。

例えば??

例えば、銅は、黄銅鉱という鉱石にコークスや石灰石などを混合し、高温の炉で加熱する。ここで得られた銅のことを「粗銅(そどう)」という。参考までに、酸化銅と炭素から銅を取り出す様子を動画にまとめたから、一度見てくれたまえ。

あれっ! コークスや石灰石と一緒に加熱って、鉄の製錬と同じ方法じゃねぇか??

ここまでは、ほとんど同じだなぁ。しかし、ここからが違ってくる。

 

先ほどの鉄の説明の時に、溶鉱炉から取り出された銑鉄には、炭素が多く含まれると言ったなぁ。

あぁ、覚えているぜ。

実は、粗銅にも同じように不純物が含まれていてな。この不純物を取り除くために、電解精錬という方法で、純粋な銅「純銅」が得られている。

電解精錬??

電気分解を利用した方法なのだがなぁ…。ここで説明すると長くなってしまうから、興味がある人は、こちらの動画を参考にしてくれたまえ。

電気を流して、純度を高めるんだぁ。不思議だなぁ。

■アルミニウムの製錬

電気分解を利用したものとしては、他にアルミニウムの製錬が挙げられる。

アルミニウム…

アルミニウムは、まず原料のボーキサイトを精製して、純粋な酸化アルミニウムを得る。

ボーキサイトって、アルミニウムの他に鉄やケイ素の酸化物などが混ざった鉱物なんだね。

うむ。このボーキサイトから得られた、酸化アルミニウムをアルミナと呼ぶ。

それで、このアルミナを電気分解して、アルミニウムを取り出すんだぁ。

そうだ。酸化アルミニウムは、結合力が強く、酸化鉄や酸化銅のように、コークス(炭素)の力では、還元できない。そこで、電気の力を利用する。

ちなみに、この時の電気分解のことを溶融塩電解(ようゆうえんでんかい)という。原理については、やや複雑だから、今は電気分解をして、アルミニウムが得られていることを理解しておけばよい。

うん。わかったぜ。ところで、教科書の最後の方に出てくるテルミット法ってのは何だ??

テルミット法ってのは、アルミニウムの還元力の強さを利用して、酸化鉄など、金属の酸化物から金属の単体を取り出す方法のことだ。

「還元力が強い」っていうことは、アルミニウム自体は、酸化されやすいってことだろ?

おぉ、よく理解できているではないか! 弟よ! その通りだ。アルミニウムは、酸化されやすい物質だから、他の物質に含まれている酸素を奪い取ることがある。その性質を利用したのがテルミット法だ。

ふ~ん。それで実際どんな感じで出来るんだい??

テルミット法については、次の動画を参考にしたまえ。

うわ~、すげぇ…。兄者の北斗剛掌波を見てるようだぜぇ。

私の剛掌波の方が、もっと激しいがなぁ。テルミット法は、溶鉱炉のような大きな施設を必要としないから、外での電車のレールの溶接などに利用されているのだ。

問題演習(解答・解説)

教科書や講義の内容を参考に、資料の学習課題に取り組もう。
※原料の鉱石を還元は、溶鉱炉で行う。溶鉱炉において還元された銑鉄は、転炉に運び出される。そこで処理されたものが鋼(スチール)である。
※①最初に生成するのは、「銑鉄」である。 ③炭素の割合が少ない程、軟らかく粘りが強くなる。④銑鉄は、炭素を約4%含んでいる。1%未満(2%未満)の炭素を含む鉄は、「鋼」である。

お疲れ様でした。

今回の学習は、ここまでです。

◎異なる単元の学習は、こちらのガイドを活用ください。

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