「高校化学 鉄」の版間の差分

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高等学校化学I/金属元素の単体と化合物 2009年5月9日 (土) 15:35(UTC) より分割。執筆者: Ninomy のみ
 
ステンレスをステンレス鋼に変更。英語のStainless steelと対応させるため。
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=== 鉄 ===
=== 鉄 ===
[[File:Eisen 1.jpg|right|100px|鉄]]
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'''鉄'''(Fe)は灰白色の金属で、日常的にも広く利用されている。たとえば鉄道のレール、流し台や窓枠のステンレス、建材の鉄骨、遊具の鉄棒など、さまざまなものに鉄が用いられている。
'''鉄'''(Fe)は灰白色の金属で、日常的にも広く利用されている。たとえば鉄道のレール、流し台や窓枠のステンレス、建材の鉄骨、遊具の鉄棒など、さまざまなものに鉄が用いられている。


[[File:Castingiron.jpg|right|100px|鉄製品の鋳造]]
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2013年5月28日 (火) 13:40時点における版

金属元素 アルカリ金属元素 2族元素 典型金属 遷移金属

鉄

(Fe)は灰白色の金属で、日常的にも広く利用されている。たとえば鉄道のレール、流し台や窓枠のステンレス鋼、建材の鉄骨、遊具の鉄棒など、さまざまなものに鉄が用いられている。

鉄製品の鋳造
鉄製品の鋳造

鉄は鉄鉱石から製造される。鉄鉱石には酸化鉄(Ⅲ)などの鉄の酸化物とその他不純物が含まれている。鉄を取り出すために、溶鉱炉に鉄鉱石とコークス(C)、石灰石(CaCO3)を加え、加熱する。コークスは酸化され一酸化炭素(CO)となり、酸化鉄を還元して最終的に鉄単体とする。 ここで溶鉱炉から得られる鉄は銑鉄と呼ばれ、炭素を多く含んでいる。これは鋳物に用いられるが、もろいため建材には向かない。銑鉄とともに溶鉱炉からはスラグが得られる。鉄鉱石中にはケイ酸塩が含まれており、これと石灰石とが反応したものがスラグである。

銑鉄を転炉に移し、加熱して溶解しながら酸素を吹き込むとが得られる。炭素の含有量が銑鉄より少なく、強靭で弾性があることから、レールや建築材などに用いられる。

鉄は乾燥した空気中で安定であるが、湿った空気中では酸化されて赤さびを生じる。また、鉄の塊は空気中で燃焼しないが、スチールウールは酸素中で激しく燃焼し、酸化鉄となる。

3Fe + 2O2 → Fe3O4

鉄は酸と反応して水素を生じる。ただし、濃硝酸とは不動態となり、反応しない。

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2

鉄イオンは陽イオンであるが2価と3価のものがある。価数により異なる性質をもつ。

鉄(Ⅱ)イオン(Fe2+)は淡緑色をしている。アンモニア水や水酸化ナトリウム水溶液のような塩基と反応して水酸化鉄(Ⅱ)の淡緑色沈殿を生じる。

Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2

この沈殿は空気中で酸化されて水酸化鉄(Ⅲ)になる。

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

硫化水素とは塩基性条件下で反応して、硫化鉄(Ⅱ)の黒色沈殿を生じる。酸性条件下では反応しない。

Fe2+ + S2- → FeS↓

酸化剤である過酸化水素水を加えると、イオンが酸化されてFe3+となり、黄褐色の水溶液となる。

一方、鉄(Ⅲ)イオン(Fe3+)は黄褐色をしている。アンモニア水や水酸化ナトリウム水溶液のような塩基と反応して水酸化鉄(Ⅲ)の赤褐色沈殿を生じる。

Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3

硫化水素とは塩基性条件下で反応して、一度イオンを還元してFe2+とした後、硫化鉄(Ⅱ)の黒色沈殿を生じる。酸性条件下ではイオンを還元してFe2+とするのみで、沈殿を生じない。

Fe2+ + S2- → FeS↓

鉄(Ⅲ)イオンの塩として、塩化鉄(Ⅲ)六水和物(FeCl3・6H2O)がある。黄褐色の固体であるが、潮解性がある。

塩化鉄(Ⅲ)六水和物の潮解
塩化鉄(Ⅲ)六水和物の潮解

鉄イオンは上記の他にも次のような反応をする。これらは、鉄イオンの検出・分離に有用である。

鉄(Ⅲ)イオン水溶液(左)にチオシアン酸カリウム水溶液を加える(右)
鉄(Ⅲ)イオン水溶液(左)にチオシアン酸カリウム水溶液を加える(右)
  • チオシアン酸カリウム水溶液(KSCN)をFe3+水溶液に加えると、血赤色の水溶液となる。Fe2+水溶液とは反応しない。
    Fe3+ + SCN- → [FeSCN]2+
  • ヘキサシアノ鉄(Ⅱ)酸カリウム水溶液(K4[Fe(CN)6])をFe3+水溶液に加えると、ベルリンブルーと呼ばれる濃青色の沈殿を生じる。一方Fe2+水溶液に加えると青白色の沈殿を生じる。
  • ヘキサシアノ鉄(Ⅲ)酸カリウム水溶液(K3[Fe(CN)6])をFe2+水溶液に加えると、ターンブルブルーと呼ばれる濃青色の沈殿を生じる。一方Fe3+水溶液に加えると暗褐色の水溶液となる。

なお、ベルリンブルーとターンブルブルーは一般に「紺青」「プルシアンブルー」などと呼ばれる顔料であり、製法により異なる名前をもつが、同一の構造をもつ物質である。

左から、鉄(Ⅱ)イオン、ターンブルブルー、鉄(Ⅲ)イオン、ベルリンブルー
左から、鉄(Ⅱ)イオン、ターンブルブルー、鉄(Ⅲ)イオン、ベルリンブルー