[화학 1] 철의 제련

 화학 I 시작에는 화학의 유용성이라고 해서 잡다한 화학 반응들과 실생활을 연결지어 설명하는 목차가 있습니다. 그중 첫번째로 주의깊게 볼 만한 내용이 바로 철의 제련입니다. 

<마인크래프트 철 주괴>

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 역사시간에 배울 수 있듯이, 철의 이용시기는 구리(청동) 보다 한참 뒤인데요, 그 까닭은 크게 두가지가 있습니다. 

첫번째로, 구리가 철보다 녹는점이 낮아 제련하기 더 쉬웠습니다.

두번째로, 구리의 반응성이 철보다 작아 광석으로부터 순수한 금속을 얻기 더 쉬웠습니다.

 

그러나 기술이 발달하면서 사람들은 더 강한 철을 제련하여 사용하기 시작했고, 현대까지도 철은 여러 곳에서 널리 쓰이고 있습니다. 강도가 높고 여러 형태로 가공하기 좋으며, 합금을 만들어 사용할 수도 있기 때문입니다.

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1.철의 제련법

 

1)먼저, 용광로에 철광석과 코크스, 석회석 함께 넣고 뜨거운 공기를 유입시켜주어 철을 용융시킵니다. 

*코크스(coke)란?: 탄소 함량이 높고 불순물이 미량인 연료의 일종으로, 골탄 또는 해탄이라고도 부릅니다. 자연적으로 생성될 수도 있지만, 대부분 사람에 의해 석탄을 원료로 만들어집니다.

2) 밀도 차이에 의하여 밀도가 큰 철은 아래쪽으로 분리되어 나오고, 밀도가 작은 슬래그(철광석을 제련하고 남은 찌꺼기,CaSiO3) 는 그보다 위쪽에서 분리되어 나옵니다.

 

이렇게 용광로에서 얻어진 철은 '선철' 이라고 하며 탄소와 같은 불순물이 포함되어 있어 강도가 낮고 사용하기 어렵습니다. 후처리 과정을 통해 탄소의 함량을 줄여 강철을 만들어 사용합니다.

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<직접 만들어본 용광로의 원리...>

2. 용광로에서의 화학 반응

1. 코크스(C)의 불완전 연소가 일어납니다.

 

 

2. 산화 철(Fe2O3)과 일산화탄소(CO)가 반응하며 철광석이 철로 환원됩니다.

3. 석회석(탄산칼슘, CaCO3) 가 높은 온도에서 가열되며 이산화탄소(CO2) 를 잃고 산화 칼슘(CaO)가 생성됩니다.

4. 산화 칼슘(CaO)와 철광석의 불순물인 이산화 규소(SiO2)가 반응하여 슬래그가 됩니다.

 

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reference: 

1) 김봉래 외2, 「하이탑 고등학과 화학 I」, 동아출판, 2018,11p