환원제련[reduction smelting]

환원제련[reduction smelting]

 

대개의 금속은 광석 중에 화합물인 형태로 발견된다. 이들을 농축, 정제, 채취하는 단계로 환원반응을 이용하는 경우가 대부분이다.

 

자연계에서 금속 형태로 발견되는 것은 자연금, 자연은, 자연동 정도로 금, 은과 같은 귀금속에서도 통상의 제련에서는 농축, 채취에 산화만이 아닌 환원반응이 이용된다. 한편 산화반응만으로 제련된다고 볼 수 있는 것은 황화광 중의 구리 정도이다.

 

광석 중 화합물의 형태로서는 산화물, 황화물, 탄산염, 비소화물 등을 기본으로 한 것이 많다. 또 바닷물에서 얻는 경우는 염화물 등으로 되어 있다. 가장 흔히 이루어지고 있는 제련프로세스는 산화배소 등에 의해 화합물의 형태를 산화물로 하고 그것을 환원하는 방법이다. 환원제로는 탄소나 수소가 흔히 사용된다. 또 산소와의 친화력이 강해서 탄소나 수소에서 환원되기 어려운 원소에는 그보다 더욱 활성적인 금속을 첨가하여 환원하는 방법이 취해지고 있다.

 

여기에는 염화물 등의 할로겐화물로 하므로 보다 활성인 금속에서 환원하는 경우도 많다. 더욱이 활성인 원소는 용융염전해에 의해 환원된다.

 

탄소에 의해 산화물을 환원하는 경우, 그 일반적인 반응식은 MxO＋C→xM＋CO로 쓸 수 있다(M은 금속원소를 나타냄). 이 반응은 통상 온도가 높을수록 진행되기 쉽다. 따라서 산소와 친화력이 센 원소의 산화물에서도 고온이 됨으로써 환원할 가능성이 있지만, 실제의 제련에서는 장치나 경제적인 이유로 한계가 있다.

 

화학반응이 진행하는지 아닌지를 나타내는 지표로서 표준기브스에너지 변화가 있다. 상기의 반응식에 대해서 납(산화물은 PbO), 철(Fe0.947O), 알루미늄(Al2O3)의 1527℃에서 표준기브스에너지 변화의 값은 각각 -211, -118, ＋97kJ/mol 산화물로 된다. 이 값이 작은 것(마이너스로 절대값이 큰 것)일수록 환원이 쉽게 판단된다.

 

따라서 이들 중에는 납이 환원되기 쉽고, 다음으로 철이 환원되기 쉽다. 이 값이 양(陽)으로 되어 있는 알루미늄은 탄소에서는 환원되기 어렵게 된다. 알루미늄에서도 반응온도를 가장 높게 한 후, 다시 진공펌프로 CO가스를 제거하는 등의 조작에 따라 철과의 합금 형태로 알루미늄을 환원할 가능성은 있으나 실용적인 제련프로세스에는 이르지 않고 있다.

 

실제의 제련에서는 철보다도 산소와의 친화력이 작은 금속인 납, 주석 등이 탄소로 화원되고 있다. 철보다도 산소와의 친화력이 큰 금속에서 탄소환원으로 조금속(粗金屬)을 얻는 것에는 아연, 실리콘이 있다. 또 실리콘, 크롬, 니켈, 망간, 바나듐 등은 철과의 합금(페로얼로이)으로 탄소환원된다.

 

수소에 의한 산화물의 환원반응은 MxO＋H2→xM＋H2O로 쓸 수 있다. 탄소환원과 달리 온도를 상승시킨 경우, 반응속도는 향상될지 모르나 기본적인 환원의 용이함은 별로 변화되지 않는다.

 

환원되기 쉬운 원소의 순서는 탄소환원의 경우와 같다. 환원반응에 있어서 표준기브스에너지 변화의 값이 작을수록 환원되기 쉬우나, 양(陽)에서도 값이 어느 정도 커지지 않으면 건조된(H2O를 제거한) 수소를 순차적으로 반응시킴으로써 환원이 가능하다.

 

또 구리는 산화제련만으로 조금속이 얻어지는데, 이것은 황화물의 동광석을 산화시킨 경우 도중에 산화구리가 생겨도 남은 황화구리 사이에서 2Cu2O＋Cu2S→6Cu＋SO2의 반응이 일어나서 금속의 구리가 되기 때문이다.