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おもしろ科学実験室(工学のふしぎな世界)

電子レンジで鉄づくり

2019年10月11日
熊本大学 工学部

はじめに

みなさんは「たたら製鉄」という言葉は聞いたことがありますか? これは粘土で築いた箱形の低い炉(たたら)を使って、木炭の燃焼する熱によって川から採取した砂鉄を還元して、鉄を作る方法です。日本では古墳時代から行われてきた鉄を作る(製鉄)技術で、送風する動力に鞴(ふいご)を使用するようになると、作られる鉄の量も多くなりました。 江戸時代には盛んに行なわれ、主に刀剣の材料になりました。明治の初期までは、日本ではほとんどこの方法で鉄が作られてきました。その後は、鉄鉱石から大型の溶鉱炉(高炉)を使って大量で安く鉄を作ることができるようになり、大きなビルや橋、鉄道や自動車などの主な材料になっています。

たたらや溶鉱炉を作るのは大変ですが、お家にある電子レンジを使うと、同じような原理で砂鉄から鉄を作ることができます。

鉄ができるしくみ

鉄の原料は地中にある鉄鉱石です。また日本では古くは、川などでとれる砂鉄を使っていました。この鉄鉱石も砂鉄も、いずれも鉄の酸化物(Fe2O3やFe3O4)です。この酸化物から鉄を作るには、酸化物から酸素を取り除く、すなわち還元をする必要があります。

 製鉄所にある高炉では、コークス(C)と酸素(O2)を高温で加熱し、一酸化炭素(CO)を作ります。 その化学反応は次のようになります。

C+O2 → CO2
CO2+C → 2CO

COは鉄鉱石中のOと結びついて二酸化炭素(CO2)になります。そして後に鉄(Fe)が残ります。その化学反応は次のようになります。

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
FeO + CO → Fe + CO2

また、酸化物から酸素を取り除けばよいので、酸素と結びつきやすい物質を使っても同じことができます。その1つとしてアルミニウム(Al)があります。

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

これらの反応には高い温度が必要です。ここで電子レンジをつかうとマイクロ波によって、砂鉄を効率よく加熱することができます。

準備するもの

  • 砂鉄:3g (図1)
  • アルミニウム粉:1g(純度99.5%、325mesh)(図2)
  • アルミナるつぼ(40mm程度のもの)
  • 発泡アルミナレンガ(アルミナるつぼが入るくらいの穴を開けておく)
  • 電子レンジ(500W程度のもの)
図1 砂鉄図1 砂鉄
 図2 アルミニウム粉図2 アルミニウム粉

鉄づくりにチャレンジ

  1. るつぼに砂鉄とアルミニウム粉をいれ、よく混ぜます。(図3)

  2. るつぼが倒れないように、穴を開けたアルミナレンガを電子レンジに入れ、その穴にるつぼを入れます。
    電子レンジで約2分加熱します。(電子レンジの種類や出力によって時間は異なります)

  3. うまく反応すると、ガラス状のスラグに包まれた鉄ができあがります。

  4. カナヅチなどで軽く叩いてスラグをわると、中から固まった鉄が出てきます。

実験を指導される方へ

この実験では、アルミニウム粉末を利用した「テルミット反応」を利用していますので、高い反応熱が生じますので反応中は火花が上がります。やけど等には気をつけてください。アルミニウム粉末の代わりに、木炭の粉を使っても同様にできますが、その場合は反応熱が低いので、るつぼの周りに耐火粘土などを塗り、温度が上がりやすいようにする工夫が必要です。

使用する砂鉄の成分は取れた地方により大きく異なり、鉄の出来具合に大きく影響します。この実験では滋賀県野洲地方ものを用いました。古くからたたら製鉄が行われていた地域の砂鉄が適していると思われます。

参考図書

人はどのように鉄をつくってきたか 永田和宏著 講談社
 「マイクロ波加熱による砂鉄と木炭粉を利用した小鉄塊の生成」、新野邊 幸市、他、鉄と鋼第95巻(2009)、 p86。

※このページに含まれる情報は、掲載時点のものになります。

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