高校化学 銅の製錬

質問

教えて頂きたいことがあります。

銅の製錬（溶鉱炉・転炉での反応）についてです。
『化学の新研究』（銅とその化合物）にある記述で、
①「溶鉱炉内では、まずCuとFeを分離する・・・、黄銅鉱を部分的に酸化すると、イオン化傾向がFe>Cuなので、Cuは変化せず、・・・」とありますが、「イオン化傾向がFe>Cuなので」はわかりますが、それは単体についてのことであって、CuFeS2の化合物中のFeとCuについても言えるのでしょうか。

②転炉での反応において、「・・・、Cu2Oが残存するCu2Sと相互に反応して、Cuが生成する。・・・」とありますが、Cu2OとCu2Sの反応の仕組み・原動力はどのようなものなのでしょうか。

宜しくお願い致します。

回答No.1

c80s3xxx · ベストアンサー

んー．これは参考書が間違っている．
まず，黄銅鉱の中のCuとFeの酸化数だが，Cuは+1，Feは+3と思って良い(本当はここはいろいろと微妙)．イメージとしては Cu2SとFe2S3が合わさってCuFeS2という構造になっているという感じだ．S(2-) は結構強い還元剤として働くので，通常はFe(III)とは共存しないのだが，黄銅鉱中では珍しくFe(III)だ．
溶鉱炉の最初の段階では中途半端な酸素供給をあえて行なうことで，S(2-) イオンの半分を SO2 とし，このときに Cu(I) はそのままCu2S として，Fe(III) は共存する SiO2 と一緒になり，また S(2-) の一部に還元されて FeO・SiO2 として分離する．このとき Feの酸化数は+2に還元されている．Sを酸化的に分離して脱離させつつ，FeはSiO2との別化合物にもっていくことで，Cu2Sを分離してくるというところがミソ．このとき，Cu2Sの結合がFeSより強いというところがポイントで，これはイメージ的には溶解度積の違いからも予想できるのだが，数値の単純比較ではだめなのでここは省略するが，要するにCuSの結合はFeSよりずっと強くなりそうだということはわかる．なので，CuFeS2 の S(2-) を部分的に酸化すれば，Cu2S の方が残りやすく，Feについてはある程度強く結合できる代わりを用意してやればそちらはそちらで分離できる，ってこれがスラグになるわけだ．
転炉中の反応も，要するにSの扱いが重要なわけだ．S(2-)をSO2 (イオウの酸化数は+4) にもっていくには酸化剤が必要で，それがCuO中の Cu(II)であり，同時にCu2S 中の Cu(I) なわけだ．Cu(I) 単独にはそういう酸化力はないので，その供給源が CuO であり，その補助の元で Cu2S 中の Cu(I) も酸化剤として働くことができて Cu(0) への還元が起こる．この反応の流れは相当複雑で，高校化学で簡単に書ける様なものではない．
新研究の記述は，Sについては触れていないところが大きな問題かなあ．

お礼

c80s3xxx　様

ご回答頂きありがとうございます。
お礼が遅れてしまったこと、誠に申し訳ございます。