鉄の単体と化合物の性質と製錬方法

鉄は金属の中でアルミニウムの次に多く地殻に含まれている元素です。私たちの身の回りにもたくさん使われていますが製錬方法から単体と化合物の性質までを書いておきますので確認しておいて下さい。遷移元素なので酸化数が違う化合物があります。

鉄の単体

鉄の単体は \(\mathrm{Fe_2O_3}\) を主成分とする赤鉄鉱や、\(\mathrm{Fe_3O_4}\) を主成分とする磁鉄鉱を溶鉱炉で一酸化炭素や高温の炭素によって還元して得られます。
還元される段階に応じて不純物としての炭素などの割合が変わります。

４％くらい不純物を含んだ硬いけどもろい鉄を「銑鉄（せんてつ）」といい、
さらにこの銑鉄を転炉に移して酸素を送り込んで還元を進めて不純物が２％以下になった鉄を「鋼（こう）」といいます。（鋼は「はがね」とも呼ばれますのでどちらでも良いですよ。）これが鉄の「製錬」方法です。
鋼は不純物の炭素の割合によって用途が変わります。

　\( \mathrm{Fe_2O_3\rightarrow Fe_3O_4\rightarrow FeO\rightarrow Fe}\)

の順で還元されているのですが反応式は

　\( \mathrm{Fe_2O_3+3CO\rightarrow 2Fe+3CO_2}\)

とまとめた形でいいです。
※
ややこしいですが、銅の「精錬」と字が違いますので注意して下さい。ｗ
※※
宮崎駿監督の映画で「たたら」というのが出てきたことがありますが覚えてますか？
そうです。『もののけ姫』に出てくる「たたら場」です。
あれは日本古来の製鉄所で、純度が９８％以上の「玉鋼（たまはがね）」と呼ばれる高純度の鉄が得られ、日本刀の材料になるほどの鋼が得られる製鉄方法です。
興味がある人は調べて見ると良いですね。

鉄の単体は酸と反応して水素を発生します。

　\( \mathrm{Fe+H_2SO_4\rightarrow FeSO_4+H_2\uparrow}\)

しかし、不動態となるため濃硝酸には溶けません。
※
鉄は空気中で酸化されて＋３の酸化数になりやすいですが、

　\( \mathrm{2Fe+3H_2SO_4\rightarrow Fe_2(SO_4)_3+3H_2\uparrow}\)

とはなりません。水素が発生している間は酸化が進まないので＋３の鉄イオンはいないからです。
反応が終了した後に水に溶け込んだ酸素と酸化が進んで行くということになります。

鉄の化合物

鉄の酸化物

湿った空気中では「サビ」て赤褐色の酸化鉄（Ⅲ）になります。
強熱すると黒色の四酸化三鉄を生じます。
酸化鉄（Ⅲ）（ \(\mathrm{Fe_2O_3}\) ）は粗く表面に密着していないので内部を保護する役目はありません。
実際には酸化鉄自身が水を含んだ水和物の状態でいるので鉄のサビは内部までどんどん進行していくのです。（自触媒作用）
純粋な酸化鉄（Ⅲ）は「べんがら」と呼ばれる顔料や、研磨剤として使われますね。
四酸化三鉄（ \(\mathrm{Fe_3O_4}\) ）は「黒さび」の成分で、簡単に言えば「磁石」ですね。
鉄は酸化数＋２と＋３の化合物があり、＋２の酸化数の鉄は空気中で酸化されて＋３に変化しやすいです。