鉄\ce{Fe}単体の製法}} \\[1zh]
\maru1\ \ 鉱石は\textbf{\textcolor{cyan}{赤鉄鉱(\ce{Fe2O3})}, \textcolor{cyan}{磁鉄鉱(\ce{Fe3O4})}}である.コークスや石灰石を強熱}}して生じる\textbf{\textcolor{red}{一酸化炭素\ce{CO}によって段階的に還元}}する. \\[.4zh]
\ce{3Fe2O3 + CO -> 2Fe3O4 + CO2} \\[.2zh]
\ce{Fe3O4 + CO -> 3FeO + CO2} \\[.2zh]
\ce{FeO + CO -> Fe + CO2}Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2} \\\\[.5zh]%\ce{Fe3O4 + 4CO -> 3Fe + 4CO2}$ \\[.5zh]
\maru3\ \ \textbf{溶鉱炉}で得られた鉄を\textbf{\textcolor{red}{\rubytiny{銑鉄}{せんてつ}}}といい, \ce{C}が多く含まれ, \textbf{\textcolor{magenta}{硬くてもろい}}(\textbf{鋳物}に用いられる). \\[.2zh]
\ \ \textbf{鉄鉱石に含まれる不純物}は,\ \textbf{\textcolor{red}{スラグ}}(融解した銑鉄の上に浮かぶ)となり,\ 分離される. \\[1zh]
\maru4\ \ 銑鉄を\textbf{転炉}に移し, \textbf{不純物を除いたものを\textcolor{red}{\rubytiny{鋼}{こう}}}という. \\[.2zh]
\ \ \,\ce{C}が少なく, \textbf{\textcolor{magenta}{強靱で弾力性}}がある(\textbf{鋼材}として広く利用). 原料\,(鉄鉱石,\ コークス\,\ce{C},\ 石灰石\,\ce{CaCO3高炉ガス\,(\ce{CO},\ \ce{CO2},\ \ce{N2})}}
スラグ銑鉄酸化数が段階的に減っていく}ことが最大のポイントである. \\[.2zh]
\ \ \bm{\ce{Fe2O3}\,(+\,3)\ \ \ce{->}\ \ \ce{Fe3O4}\,(+\,3と+\,2)\ \ \ce{->}\ \ \ce{FeO}\,(+\,2)\ \ \ce{->}\ \ \ce{Fe}\,(0)} \\[.4zh]
\ \ なお,\ \ce{Fe3O4}\,は\ce{Fe2O3}\,と\ce{FeO}の複合酸化物である\left(\ce{Fe^3+}:\ce{Fe^2+}=2:1で,\ 酸化数の平均は\,\bunsuu83\right). \\[1zh]
\ \ \ce{CO2 + C <=> 2CO}\ \ \Delta H=172\,\text{kJ}\ より,\ この平衡は高温になるほど右へ移動する. \\[.4zh]
\ \ よって,\ 高温の溶鉱炉内は\ce{CO2}\,よりも\ce{CO}のほうが安定できる. \\[.4zh]
\ \ コークス\ce{C}は熱風(高温の酸素)で酸化されて\ce{CO}ガスとなる. \\[.2zh]
\ \ \ce{2C + O2 -> 2CO}\ \ (酸化) \\[.4zh]
\ \ 同時に,\ 一部は\ce{CO2}\,まで酸化される.\ また,\ \ce{CaCO3}\,の熱分解によっても\ce{CO2}\,が生じる. \\[.4zh]
\ \ \ce{C + O2 -> CO2}\ \ (酸化) \\[.4zh]
\ \ \ce{CaCO3 -> CaO + CO2}\ \ (「塩基性酸化物+酸性酸化物\ →\ 塩」の逆；炭酸塩の熱分解) \\[.4zh]
\ \ このようにして得られた\ce{CO2}\,は,\ 高温の\ce{C}によって還元され,\ 結局\ce{CO}となる. \\[.4zh]
\ \ \ce{CO2 + C -> 2CO}\ \ (還元) \\[.4zh]
\ \ こうして溶鉱炉内には大量の\ce{CO}が生成し,\ 酸化鉄が還元されていく. \\[1zh]
\maru3\ \ \ce{CaCO3}\ の役割は,\ \ce{CO}の元になる\ce{CO2}\,を発生させるだけではない. \\[.4zh]
\ \ \ce{CO2}\,とともに生じた\bm{\ce{CaO}は,\ 鉄鉱石に含まれる不純物\ce{SiO2}\,や\ce{Al2O3}\,を,\ \ce{Ca}化合物\ にする.} \\[.4zh]
\ \ \ce{CaO + SiO2 -> CaSiO3} (塩基性酸化物+酸性酸化物\ →\ 塩) \\[.4zh]
\ \ この塩が\bm{スラグ}である.\ 鉄よりも密度が小さく浮くために分離でき,\ \bm{セメントの原料}となる. \\[.2zh]
\ \ また,\ 鉄の上に浮かぶスラグは,\ \bm{鉄が再び酸化するのを防ぐ}という役割も担っている.
%鋼鉄は鉄の結晶格子の隙間に炭素原子が入り込むことによってできた合金である. \\
%炭素原子が外力によって起こる鉄原子の移動を妨げるため,\ 純鉄に比べて展性・延性は小さくなる変わりに硬度が増す. \\
鉄\ce{Fe},\ コバルト\ce{Co},\ ニッケル\ce{Ni}}}\ (第4周期8,\ 9,\ 10族) \\[1zh]
\maru1\ \ \textbf{\ce{Fe},\ \ce{Co},\ \ce{Ni}は類似の性質をもつ.}\ 融点や密度が近く,\ イオン化傾向もほぼ同じである. \\[.8zh]
\maru2\ \ \textbf{\textcolor{blue}{単体}}はいずれも\textbf{\textcolor{red}{強磁性}}(磁石にくっつく)がある. \\[.8zh]
\maru3\ \ \textbf{\textcolor{blue}{単体}}はいずれも\textbf{\textcolor{cyan}{\.{濃}硝酸}}には\textbf{\textcolor{red}{不動態となり溶けない.}} \\[.5zh]
\ \ 濃硝酸で不動態となる金属ゴロ合わせ 単体}}はいずれも\textbf{\textcolor{red}{酸に溶け,\ 水素が発生}}する(イオン化傾向$\ce{Fe}>\ce{Co}>\ce{Ni}>\ce{H}$\,). \\[.2zh]
}単体}}は\textbf{\textcolor{red}{高温の水蒸気}}と反応して\textbf{\textcolor{red}{水素が発生}}. \textbf{\ce{3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2 ^}} \\[1zh]
\maru6\ \ \textbf{\textcolor{purple}{塩化コバルト紙}}は色の変化で\textbf{\textcolor{red}{水を検出}}できる. \\[.2zh]
\ \ $\bm{\ce{CoCl2}\,青})+\ce{6H2O -> [Co(H2O)6]^2+}\,(\dilutecolor{red}{.6}{dr}\textcolor{dr}{淡赤})+\ce{2Cl-}}$ \\\\\\\\
\textcolor{blue}{\textbf{鉄\ce{Fe}の化合物淡緑色}) & \ce{Fe^3+黄褐色}) \\ \hline
\ce{OH-} & \ce{Fe(OH)2 緑白色}) 水酸化鉄(I\hspace{-.1em}I\hspace{-.1em}I})の赤褐色沈殿}\text{{\scriptsize (注1)}} \\ \hline
\underset{ヘキサシアニド鉄(\mathRM{I\hspace{-.1em}I})酸カリウム}{\ce{K4[Fe(CN)6]}} & \raisebox{-0.5zh}{(青白色沈殿)} 濃青色沈殿}}{\scriptsize (注2)}} \\ \hline
\underset{ヘキサシアニド鉄(\mathRM{I\hspace{-.1em}I\hspace{-.1em}I})酸カリウム}{\ce{K3[Fe(CN)6]濃青色沈殿}}{\scriptsize (注3)}} & \raisebox{-0.5zh}{(褐色溶液)} \\ \hline
\underset{チオシアン酸カリウム}{\ce{KSCN{血赤色水溶液}}} \\ \hline
赤さび}}の主成分. \\[.2zh]
\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Fe3O4}}} \textbf{\textcolor{Purple}{黒さび}},\ 砂鉄の主成分.\ \textbf{強磁性.}\ \ \ce{NH3}\,合成用触媒(ハーバー・ボッシュ法). \\[1zh]
\maru2\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{FeSO4.7H2O}}\,(\textcolor[named]{LimeGreen}{淡緑色}) \textcolor{red}{風解性}}あり. \\[.8zh]
\maru3\ \ $\bm{\textcolor{blue}{\ce{FeCl3}\cdot\ce{6H2O}}\,(\textcolor[named]{Dandelion}{黄褐色})} \,\bm{\textcolor{cyan}{潮解性}}あり.$ \\[.8zh]
\maru4\ \ \textbf{\textcolor{blue}{ステンレス鋼}} \textbf{\textcolor{red}{鉄\ce{Fe}}\,(主成分)と\textcolor{red}{クロム\ce{Cr}}の\textcolor{red}{合金}}.\ 錆びにくい.\ 台所用品
注1 以前の高校化学では\ce{Fe(OH)3}\,としていたが,\ これは実在しない. \\[.2zh]
\phantom{注1} \ 実際には\ce{Fe2O3}・n\ce{H2O}で表せるいくつかの物質の混合物であり,\ 組成が一定ではない. \\[.4zh]
\phantom{注1} \ 主成分はn=1に相当する\bm{酸化水酸化鉄(\textbf{I\hspace{-.1em}I\hspace{-.1em}I})\,\ce{FeO(OH)}}\,である. \\[.2zh]
\phantom{注1} \ \ce{FeO(OH)}は,\ \ce{Fe(OH)3}\,から\ce{H2O}が1つ取れたものと考えることもできる. \\[1zh]
注2はベルリンブルー,\ 注3はターンブルブルーと呼ばれるが,\ 同一の化合物である. \\[1zh]
\maru1\ \ 赤さびは湿った空気中における鉄の自然酸化で生成する.\ 鉄を強熱すると黒さびとなる. \\[.2zh]
\ \ 四酸化三鉄\ce{Fe3O4}\,は\ce{FeO}と\ce{Fe2O3}\,からなる複合酸化物で,\ 酸化鉄\text{(I\hspace{-.1em}I)}二鉄\text{(I\hspace{-.1em}I\hspace{-.1em}I)}とも呼ばれる. \\[1zh]
\maru2,\ \maru3 それぞれ\ce{Fe^2+},\ \ce{Fe^3+}\,の色である.
%酸化数 +3 → +3,\ +2 → +2 → 0 \\
%\ce{K4[Fe(CN)6]} (黄色結晶,\ 水溶液は淡黄色) \ce{[Fe(CN)6]^4-}は水溶液中で安定で\ce{CN-}を解離しないので毒性なし. \\
%\ce{K3[Fe(CN)6]} (暗赤色結晶,\ 水溶液は黄色) \ce{[Fe(CN)6]^3-}は光に不安定で,\ \ce{CN-}を解離し有毒. 鉄\ce{Fe}の腐食と局部電池}} \\[1zh]
純度の極めて高い鉄は錆びにくいが,\ 普通の鉄は0.02\,～\,2\%の炭素\ce{C}を含む\textbf{鋼}である. \\鋼が電解質を含む水溶液と触れると,\ 局部電池(正極\ce{C},\ 負極\ce{Fe})が形成され,\ すぐ錆びる.}}} \\\\
\ce{K3[Fe(CN)6]}とフェノールフタレインを加えた3\%の食塩水数滴を鉄片の上に落とすと, \\[.2zh]
赤さびが生じるまでの段階的な変化を観察できる(エバンスの実験). \\[1zh]
\maru1\ \ すぐに\textbf{\textcolor{blue}{中央部が青色に変化}}する. \\[.2zh]
\ \ \riyuu \ce{Fe -> Fe^2+ +2e-}により鉄から溶け出した\ce{Fe^2+}が\ce{K3[Fe(CN)6]}と反応して \\[.2zh]
\ \ \ \ \textcolor{blue}{濃青色沈殿}が生成する. \\[1zh]
\maru2\ \ その後,\ \textbf{\textcolor{magenta}{周辺部が薄赤色に変化}}する. \\[.2zh]
\ \ \riyuu 液滴中の\ce{O2}\,が\ce{Fe}の放出した\ce{e-}を受け取って還元され,\ 生じた\ce{OH-}により,\ \\[.2zh]
\ \ \ \ フェノールフタレインが薄赤色を示す. \ce{O2 + 4e- + 2H2O -> 4}\textcolor{magenta}{\ce{OH-}} \\[1zh]
\maru3\ \ さらに時間が経つと,\ \textbf{\textcolor{BrickRed}{青色の部分が小さくなり,\ 周囲が赤褐色に変化}}する. \\[.2zh]
\ \ \riyuu \ce{Fe(OH)2}\,は酸化されやすく,\ 液滴中の\ce{O2}\,によって酸化され, 赤褐色の \\[.2zh]
\ \ \ \ 水酸化鉄(I\hspace{-.1em}I\hspace{-.1em}I)\,(赤さび)ができる. \ce{4Fe^2+ + O2 + 2H2O -> 4Fe^3+ + 4OH-電解液にイオン化傾向の異なる2種類の金属を入れる. \\[.2zh]
すると,\ イオン化傾向の大きい金属から小さい金属に電子が移動する(電池の原理). \\[.2zh]
この原理が金属表面で局部的に発生する現象を\bm{局部電池}という. \\[.2zh]
金属と不純物との間で局部的な電池ができると,\ 金属がイオンになってしまう(腐食する)のである. \\[1zh]
\maru1と\maru2の反応式を合体すると \ce{2Fe + O2 + 2H2O -> 2Fe(OH)2} \\[.4zh]
鉄は空気中の\ce{O2}と直接反応して酸化物となって錆びるわけではなく,\ この電池作用により錆びる. \\[.2zh]
実際,\ 乾燥空気中ではほとんど錆びない.
