金属の製錬と銅の電解精錬

鉄の製錬（溶鉱炉で CO が鉄の酸化物を還元し銑鉄を得て、転炉で鋼にする）と、銅の電解精錬（粗銅を陽極・純銅を陰極にし、イオン化傾向の小さい Ag・Au が陽極泥になる）について、用語や記述の正誤を判断できる

前提

水溶液の電気分解の電極反応（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

説明

鉱石の中で酸化物や硫化物として存在する金属を、還元して単体として取り出すことを製錬といい、得られた金属をさらに純度の高いものにすることを精錬という。この技能では、鉄の製錬（溶鉱炉で一酸化炭素 CO が鉄の酸化物を還元して銑鉄を得て、転炉で鋼にする）と、銅の電解精錬（粗銅を陽極、純銅を陰極にして電気分解する）の流れを理解し、用語や記述の正誤を判断できるようになる。

なぜそうしてよいのか

鉄鉱石の主成分は酸化鉄（赤鉄鉱 Fe $_{2}$ O $_{3}$ 、磁鉄鉱 Fe $_{3}$ O $_{4}$ ）である。鉄の酸化物から鉄を取り出すには、O を奪う還元剤が必要になる。溶鉱炉に鉄鉱石・コークス（炭素 C）・石灰石を入れ、下から熱風を吹き込むと、コークスが燃えてできた CO $_{2}$ がさらに高温のコークスと反応して一酸化炭素 CO ができる。この CO が還元剤としてはたらき、 $F e_{2} O_{3} + 3CO \to 2Fe + 3C O_{2}$ のように酸化鉄から O を奪う（Fe の酸化数は $+ 3 \to 0$ と減り、C の酸化数は $+ 2 \to + 4$ と増える）。こうして得られる鉄を銑鉄という。銑鉄は炭素を約 4 % 含み、硬いがもろい。これを転炉に移して酸素を吹き込み、炭素を酸化して CO や CO $_{2}$ として取り除くと、炭素の少ない、粘り強い鋼になる。なお石灰石は、鉱石に含まれる不純物（SiO $_{2}$ など）と結びついてスラグとなり、銑鉄と分けて取り除かれる。

銅は、鉱石から得た粗銅（純度約 99 %）を電気分解で精錬する。硫酸酸性の硫酸銅(II) 水溶液に、粗銅板を陽極、薄い純銅板を陰極として入れ、低い電圧で電気分解する。陽極は銅なので、電極自身が $Cu \to C u^{2 +} + 2 e^{-}$ と酸化されて溶ける。このとき粗銅に含まれる不純物のうち、Cu よりイオン化傾向の大きい Zn、Fe、Ni なども陽イオンとなって溶け出すが、Cu よりイオン化傾向の小さい Ag、Au は陽イオンにならず、陽極の下に沈む。これを陽極泥という。陰極では、水溶液中で最も還元されやすい Cu $^{2 +}$ だけが $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ と還元されて析出し、Zn $^{2 +}$ 、Fe $^{2 +}$ 、Ni $^{2 +}$ は還元されずに水溶液中に残る。こうして陰極に純度約 99.99 % の純銅が得られる。

手順

鉄の製錬：溶鉱炉に鉄鉱石・コークス・石灰石を入れ、コークスからできた CO が還元剤となって $F e_{2} O_{3} + 3CO \to 2Fe + 3C O_{2}$ のように鉄の酸化物を還元し、銑鉄（炭素約 4 %、硬くてもろい）が得られる、と当てはめる。
転炉：銑鉄に酸素を吹き込んで炭素を減らし、粘り強い鋼にする、と当てはめる。
銅の電解精錬：硫酸酸性の CuSO $_{4}$ 水溶液中で、粗銅を陽極、純銅を陰極にして電気分解する。陽極で $Cu \to C u^{2 +} + 2 e^{-}$ 、陰極で $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ が起こる。
粗銅中の不純物の行方をイオン化傾向で判定する。Cu より大きい Zn、Fe、Ni はイオンとなって水溶液中に残り、Cu より小さい Ag、Au は溶けずに陽極の下に陽極泥として沈む。

例題

粗銅を陽極、純銅を陰極とし、硫酸酸性の硫酸銅(II) 水溶液を用いて銅の電解精錬を行った。粗銅に含まれる不純物のうち、陽極泥に含まれるものとして正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　亜鉛　　イ　鉄　　ウ　銀　　エ　ニッケル

例題の解答

手順 3：陽極（粗銅）では $Cu \to C u^{2 +} + 2 e^{-}$ と銅が溶け出す。

手順 4：不純物をイオン化列 Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H $_{2}$ ) Cu Hg Ag Pt Au で Cu と比べる。Zn、Fe、Ni は Cu よりイオン化傾向が大きいので、陽イオンとなって水溶液中に溶け出し、陰極でも還元されずに水溶液中に残る。Ag は Cu よりイオン化傾向が小さいので陽イオンにならず、単体のまま陽極の下に沈んで陽極泥となる。

よって答えはウである。

答え:

ウ

よくある誤り

銅の電解精錬で、粗銅を陰極、純銅を陽極にしてしまう誤り。正しくは、溶かしたい粗銅を陽極（ $Cu \to C u^{2 +} + 2 e^{-}$ 、酸化）、銅を析出させる純銅を陰極（ $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ 、還元）にする。
イオン化傾向の大きい不純物（Zn、Fe、Ni）が陽極泥になる、としてしまう誤り。正しくは、Zn → Zn $^{2 +}$ などのように陽イオンになって水溶液中に溶け出し、陰極でも析出しない。陽極泥になるのは Cu よりイオン化傾向の小さい Ag、Au である。
溶鉱炉で鉄の酸化物を還元するのは主にコークスの炭素 C だけだ、あるいは CO $_{2}$ だ、としてしまう誤り。正しくは、コークスからできた一酸化炭素 CO が還元剤としてはたらき、 $F e_{2} O_{3} + 3CO \to 2Fe + 3C O_{2}$ のように酸化鉄から O を奪う。
銑鉄と鋼を取り違え、溶鉱炉から得られる鉄が炭素の少ない鋼である、としてしまう誤り。正しくは、溶鉱炉で得られるのは炭素を約 4 % 含む硬くもろい銑鉄で、転炉で酸素を吹き込み炭素を減らしたものが粘り強い鋼である。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
不純物を含む銅（粗銅）から純度の高い銅を得るために、粗銅板を陽極、薄い純銅板を陰極とし、硫酸酸性の硫酸銅(II)水溶液中で、低い電圧で電気分解を行う。このとき、陽極の銅は $C u^{2 +}$ となって溶け出し、陰極には純度の高い銅が析出する。一方、粗銅に含まれていた銀や金は、イオンにならずに陽極の下に沈殿してたまる。
このように、電解精錬のときに陽極の下にたまる沈殿を何というか。漢字で答えよ。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

鉱石の純度と製錬で得られる金属の量（高校化学無機物質）