3-2. 금속의 성질과 이용 금속의 제련 과정(p105~109) Lesson 23. I. 주변의 물질 3-2. 금속의 성질과 이용 금속의 제련 과정(p105~109)
■ 이번 시간의 학습 목표 1. 금속의 제련 과정을 이해한다.
▣ 금속의 제련 제련? 광석이나 원료를 용광로에 녹여서 함유된 금속을 뽑아내어 순수하게 만듦
▣ 금속의 제련 1) 금(Au) 반응성이 매우 작아서 자연계에서 원소 상태로 발견됨 제련할 필요성이 없음
▣ 금속의 제련 2) 구리(Cu) 반응성이 작아서 자연계에서는 순수한 구리로 발견되기도 하지만, 대부분 화합물 내에 존재한다. 반응성이 작아 제련법도 간단 구리의 제련법 황동석(CuFeS2)에 코크스(C)나 규사(SiO2)를 넣어 가열한 후, 용광로에 넣고 열풍으로 반응시켜 얻은 황화구리(Cu2S)에 공기(O2)를 불어 넣어 주면 순수한 구리를 얻을 수 있다. Cu2S + O2 → 2Cu + SO2
▣ 금속의 제련 구리의 정제 제련된 구리는 불순물이 섞여 있다. 전기분해를 이용하여 순수한 구리를 만든다.(정제) (-)극 : Cu2+이 Cu로 석출 Cu2+ + 2e- → Cu (+)극 : 구리와 불순물 금속인 Ni, Fe등이 양이온으로 녹아 나오는 데 반응성이 가장 약한 Cu2+이 전자를 얻게 된다. 반면 Cu보다 반응성이 약한 금속인 Au, Ag, Pt 등이 양극 찌꺼기로 바닥에 떨어진다. Cu → Cu2+ + 2e-
▣ 금속의 제련 3) 철(Fe) 반응성이 커서 원소 상태로 존재하지 못하고 산화물인 적철광(Fe2O3)과 자철광(Fe3O4)과 같은 산화철의 형태로 존재함. 구리보다 반응성이 크기 때문에 제련법도 구리보다 늦게 발견
▣ 금속의 제련 철의 제련법 용광로에 철광석(Fe2O3, Fe3O4)과 코크스(C), 석회석(CaCO3)의 혼합물을 넣는다. [코크스]의 역할 코크스가 불완전 연소되어 생성된 일산화탄소가 철광석을 환원시켜 철로 만든다.[환원제] 2C + O2 → 2CO Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
▣ 금속의 제련 [석회석]의 역할 철광석에 불순물로 들어 있던 이산화규소(SiO2)와 화합하여 슬래그(CaSiO3)를 형성 CaCO3 → CaO + CO2 CaO + SiO2 → CaSiO3(슬래그) 즉, 불순물을 제거하는 과정 용융된 철보다 밀도가 작은 슬래그는 철 위에 뜨게 되어, 생성된 철의 산화를 막으며, 용광로 아래쪽에 있는 출구를 통해 빠져 나감 슬래그는 시멘트나 벽돌에 이용
▣ 금속의 제련 4) 알루미늄(Al) 금속 원소 중 지각에 가장 많이 존재하지만 반응성이 상당히 커서 순수한 알루미늄을 얻기 어려워 구리, 철보다 늦게 이용되었다. 반응성이 상당히 크기 때문에 제련법(1868, 미국, Hall)도 어렵게 발견 1800년대까지만 해도 은보다도 비싼 금속 난 나폴레옹 3세
▣ 금속의 제련 알루미늄의 제련법 보오크사이트를 정제하여 산화알루미늄(Al2O3)를 얻는다. 빙정석의 사용 이유 : 순수한 산화알루미늄의 녹는점은 2050℃로 높지만 빙정석과 같이 녹이면 녹는점이 950℃ 정도로 낮아짐 용융 전기 분해를 하면 용융된 알루미늄이 얻어진다.
▣ 금속의 재활용 1) 재활용을 해야 하는 이유 지구에 매장된 금속 자원의 양이 한정 광석으로부터 금속을 얻는 데 많은 에너지가 필요 사용 후 방치된 금속은 환경을 오염시키고 생태계에 피해를 준다.
▣ 금속의 재활용 2) 재활용의 예 철의 경우 → 수거 : 폐기된 철 제품을 수거한다. → 분리 : 알루미늄 캔 및 이물질을 분리한다. → 이송 : 일정부피로 압착하여 철강 공장으로 옮긴다. → 제품 출하 : 수거된 원료를 사용하여 만든 제품을 출하한다. 알루미늄의 경우 → 수거 : 폐기된 알루미늄 제품을 수거한다. → 압축 : 오물, 기타 금속 등을 제거한 후 압축기에 넣어 일정한 크기로 압축 → 융해 : 융해로에서 500~600℃의 고열로 용융시킨다. → 제품 출하 : 일정한 크기의 알루미늄 괴를 만들어 재활용 업체에 공급
▣ 금속의 재활용 3) 재활용의 경제성 알루미늄은 다른 금속보다 에너지 의존도가 높은 금속이다. 따라서 재활용하면 알루미늄 광석으로부터 알루미늄을 얻는 데 필요한 에너지보다 훨씬 적은 양의 에너지만 있으면 되므로 에너지 측면에서 상당한 효과가 있다. 철을 재활용하면 철광석에서 제련하는 것보다 적은 비용이 든다.