鉄(Fe)の化学的性質

基本情報

• 元素記号: Fe
• 原子番号: 26
• 電子配置: [Ar]3d⁶4s²
• 酸化数: +2(鉄(II)イオン Fe²⁺), +3(鉄(III)イオン Fe³⁺)
• 常温での状態: 銀白色の金属
• 特徴: 遷移元素、強磁性体、展性・延性に富む

鉄の製法

1. 高炉法(溶鉱炉法)

鉄鉱石(主に酸化鉄)をコークスと石灰石とともに高炉に入れ、還元して鉄を得る方法。

使用する原料

• 鉄鉱石: 赤鉄鉱(Fe₂O₃)、磁鉄鉱(Fe₃O₄)など
• コークス(C): 還元剤および燃料
• 石灰石(CaCO₃): 融剤(不純物除去)

主な反応式

鉄の化学反応

1. 酸素との反応

• 高温で酸素と反応: (6) 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (四酸化三鉄、黒色)
• 常温で湿った空気中: 徐々に酸化されて赤褐色の錆(水酸化鉄(III))を生じる

2. 水との反応

• 高温の水蒸気と反応: (7) 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂

3. 酸との反応

• 希硫酸・希塩酸: (8) Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑
• 　　　　　　　: (9) Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
• 希硝酸(冷): (10) 3Fe + 8HNO₃(希) → 3Fe(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
• 濃硝酸・濃硫酸(冷): 不動態を形成して反応しない

4. 塩素との反応

• 加熱した鉄と塩素: (11) 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (塩化鉄(III)、褐色)

5. 硫黄との反応

• 加熱した鉄と硫黄: (12) Fe + S → FeS (硫化鉄(II)、黒色)

6. 金属イオンとの反応(イオン化傾向)

Fe は Cu²⁺ よりイオン化傾向が大きいため、銅イオンを還元する。

• 硫酸銅水溶液に鉄を浸す: (13) Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

鉄の化合物

1. 鉄(II)イオン Fe²⁺ の性質

• 色: 水溶液は淡緑色
• 還元性: Fe²⁺ は酸化されて Fe³⁺ になりやすい

Fe²⁺ の酸化反応

• 空気中での酸化: (14) 4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺ → 4Fe³⁺ + 2H₂O
• 硝酸との反応: (15) 3Fe²⁺ + 4H⁺ + NO₃⁻ → 3Fe³⁺ + NO↑ + 2H₂O
• 過マンガン酸カリウムによる酸化(硫酸酸性): (16) MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O

2. 鉄(III)イオン Fe³⁺ の性質

• 色: 水溶液は黄褐色
• 酸化性: Fe³⁺ は還元されて Fe²⁺ になることがある

Fe³⁺ の還元反応

• ヨウ化カリウムとの反応: (17) 2Fe³⁺ + 2I⁻ → 2Fe²⁺ + I₂

3. 主な鉄化合物

• 硫酸鉄(II) FeSO₄: 淡緑色結晶、水溶液は淡緑色
• 塩化鉄(II) FeCl₂: 淡緑色
• 塩化鉄(III) FeCl₃: 褐色、水溶液は黄褐色
• 硫酸鉄(III) Fe₂(SO₄)₃: 黄褐色
• 酸化鉄(II) FeO: 黒色
• 酸化鉄(III) Fe₂O₃: 赤褐色(赤鉄鉱、ベンガラ)
• 四酸化三鉄 Fe₃O₄: 黒色(磁鉄鉱)、FeO·Fe₂O₃ とも書ける

鉄イオンの沈殿反応

1. 水酸化物の沈殿

• Fe²⁺ + 水酸化ナトリウム: (18) Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓ (水酸化鉄(II)、白色→空気中で緑色→赤褐色)
• Fe³⁺ + 水酸化ナトリウム: (19) Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓ (水酸化鉄(III)、赤褐色)
• 水酸化鉄(II)の空気酸化: (20) 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃

2. 硫化物の沈殿

• Fe²⁺ + 硫化水素(塩基性): (21) Fe²⁺ + S²⁻ → FeS↓ (硫化鉄(II)、黒色)
• ※ Fe³⁺ は硫化水素で還元される: (22) 2Fe³⁺ + H₂S → 2Fe²⁺ + S↓ + 2H⁺

3. ヘキサシアニド鉄酸塩による呈色反応

鉄イオンの検出に用いられる重要な反応

Fe²⁺ の検出

• ヘキサシアニド鉄(III)酸カリウム K₃[Fe(CN)₆] を加える:
• (23) 3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]³⁻ → Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ (濃青色沈殿、ターンブル青)

Fe³⁺ の検出

• ヘキサシアニド鉄(II)酸カリウム K₄[Fe(CN)₆] を加える:
• (24) 4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]⁴⁻ → Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓ (濃青色沈殿、プルシアンブルーまたは紺青)

チオシアン酸イオンによる検出

• Fe³⁺ + チオシアン酸カリウム KSCN: (25) Fe³⁺ + SCN⁻ → [Fe(SCN)]²⁺ (血赤色の錯イオン)

その他の重要事項

イオン化傾向

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

• 鉄は水素よりイオン化傾向が大きいため、希酸と反応して水素を発生
• 濃硝酸や濃硫酸(冷)では不動態を形成

鉄の錆(腐食)

鉄は湿った空気中で酸化され、赤褐色の錆を生じる。錆の主成分は水酸化鉄(III) Fe(OH)₃ や酸化鉄(III) Fe₂O₃·nH₂O。

• 防錆法: めっき(亜鉛めっき=トタン、スズめっき=ブリキ)、塗装、合金化(ステンレス鋼など)

合金

• 鋼: Fe + C(0.02~2%)
• ステンレス鋼: Fe + Cr + Ni(耐食性)
• フェロクロム: Fe + Cr