１．鉄の精錬
鉄は日常生活において非常によく使われている金属です。
自然界において、鉄は鉄のまま存在しているわけではありません。
地球（地殻やマントルも含め）には約35％の鉄原子が含まれます。
これらは酸化鉄として自然界に存在します。
では、その酸化鉄はどこにあるのか？ というと鉄鉱石の中にあります。
鉄鉱石（酸化鉄）には2種類あります。
1つは化学式で「Fe₂O₃」と書かれる赤鉄鉱。
もう1つは化学式で「Fe₃O₄」と書かれる磁鉄鉱。
現代では、赤鉄鉱Fe₂O₃を使って製鉄（鉄を取り出す）のが主流です。
鉄の精錬のしくみ
ではそのしくみを見ていきましょう。
赤鉄鉱Fe₂O₃から鉄Feを取り出すには、還元の化学変化を利用します。
中学で学習する還元と言えば
酸化銅の炭素による還元
が真っ先に浮かびます。
赤鉄鉱Fe₂O₃から鉄Feを還元するのにも、炭素Cを利用します。
実際には炭素のままではなく、一酸化炭素COに変えてから還元反応を起こします。
赤鉄鉱Fe₂O₃の還元には、溶鉱炉を利用します。
溶鉱炉に赤鉄鉱Fe₂O₃とコークスを入れます。
（※コークスとは石炭を乾留（蒸し焼きのこと）し、炭素のみにしたもの。要は炭素Cだと思ってください。）
ほかにも石灰石CaCO₃を入れておきます。
溶鉱炉で起こる反応
まず溶鉱炉では炭素Cが燃焼します。
C + O₂ → CO₂ ・・・① （炭素の（完全）燃焼）
また石灰石が熱風により分解されます。
CaCO₃ → CaO + CO₂ ・・・② （石灰石の分解）
①②で生じた二酸化炭素CO₂はコークスCと反応し、一酸化炭素COへと変化します。
CO₂ + C → 2CO ・・・③
③で生じた一酸化炭素COが赤鉄鉱Fe₂O₃の還元に使われます。
このとき赤鉄鉱Fe₂O₃は
Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe
と段階的に還元されます。
まず「Fe₂O₃」から「Fe₃O₄」へと還元される反応は
3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂ ・・・④
※Fe₂O₃が還元され、一方でCOは酸化されてCO₂へと変化。
次に「Fe₃O₄」から「FeO」へと還元される反応は
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂ ・・・⑤
※Fe₃O₄が還元され、一方でCOは酸化されてCO₂へと変化。
最後に「FeO」から「Fe」へと還元される反応は
FeO + CO → Fe + CO₂ ・・・⑤
※FeOが還元され、一方でCOは酸化されてCO₂へと変化。
④と⑤をまとめます。
連立方程式の加減法のように「⑤の両辺を2倍したもの」と「④」とを足してみます。
Fe₃O₄の係数をそろえるのです。↓
以上から
Fe₂O₃ + CO → FeO + CO₂ ・・・⑦
という反応式が得られました。
次に「⑥の両辺を2倍したもの」と「⑦」を足します。
FeOの係数をそろえます。↓
以上から次の反応式が得られます。
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ ・・・⑧
この⑧式が④～⑤をまとめたものになります。
このようにして溶鉱炉の中で鉄Feができるのです。
溶鉱炉でできた鉄には炭素が混ざっており、硬くてもろいという性質があります。（少し力を加えただけでくずれて、金属本来の性質である展性・延性がない）
この様な鉄を銑鉄（せんてつ）といいます。
最後に銑鉄から炭素を取りのぞき、鉄の純度を上げていかなければなりません。
そのために転炉（てんろ）というところに銑鉄を入れます。（銑鉄は融解しておく）
そこに炭素を吹き込み、炭素を酸化します。
こうすることで銑鉄から不純物である炭素を取りのぞきます。
このとき得られた、純度の高い鉄を特に鋼（こう）といいます。
以上のようなしくみで、鉄鉱石から鉄を取り出します。
まとめ
溶鉱炉の中に酸化鉄Fe₂O₃・コークスCを入れて以下の式のような反応を起こす。
3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂
FeO + CO → Fe + CO₂
この結果、得られた鉄は炭素を含んでいる。
これを銑鉄といい、もろい。
そのため、転炉で酸素を吹き込んで、混ざっている炭素を酸化する。
このようにして純度の高い鉄を得る。
・鉄の単体は自然界にはあまり存在しない。
・鉄鉱石中の酸化鉄をコークスで還元して、鉄の単体を得る。
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