鐵及其化合物全攻略：高爐煉鐵、鐵鏽機理與錯鹽錯合物解析 | 莫斯利自然科學

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2天前

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從支撐現代高樓大廈與橋樑的鋼筋骨架，到維持人體血液中氧氣輸送到全身的血紅蛋白，鐵元素在自然界與人類文明中扮演著不可或缺的基石角色。這群展現多變氧化數、能形成美麗錯合物的過渡金屬，究竟藏著什麼樣的化學奧秘？

選修化學IV 鐵及其化合物

選修化學IV 過渡金屬元素及其化合物鐵的生鏽

一、鐵的存在與高爐煉製

存在狀態：
- 鐵為第 8 族元素，電子組態為 [Ar] 3d⁶ 4s²，是地殼中含量第二高的金屬（僅次於鋁）。
- 常以 +2 和 +3 氧化數存在，主要礦物有赤鐵礦 (Fe₂O₃)、褐鐵礦 (Fe₂O₃ · 3H₂O)、菱鐵礦 (FeCO₃) 及磁鐵礦 (Fe₃O₄) 等。
工業煉鐵（高爐煉鐵）：
- 原料： 鐵礦、焦炭、熱空氣及熔劑。
- 反應原理：
  - 焦炭燃燒生成一氧化碳與大量的熱，所生的一氧化碳可將氧化鐵還原為熔化的鐵。
    C + O₂ → CO₂
    CO₂ + C ──(高溫)──→ 2CO
    Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
  - 焦炭本身也可以還原氧化鐵。
    2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂
  - 灰石在高爐受熱會分解為氧化鈣與二氧化碳，產生的二氧化碳再與煤焦反應生成一氧化碳。
    CaCO₃ ──(高溫)──→ CaO + CO₂↑
    CO₂ + C ──(高溫)──→ 2CO
  - 加熔劑的目的在使礦中的雜質熔成液體（熔渣）流出；如雜質為泥沙則加入二氧化矽（或石灰石作助熔劑），如雜質為石灰則加入二氧化矽。熔渣的熔點較低，密度比較小，會浮在液態鐵的表面，可防止鐵再被氧化。
    - 雜質為泥沙（二氧化矽）時，加入石灰石，受熱產生氧化鈣：
      CaO + SiO₂ → CaSiO₃
      （生成矽酸鈣熔渣。）
    - 雜質為石灰（氧化鈣）時，加入二氧化矽：
      CaO + SiO₂ → CaSiO₃
      （同樣生成矽酸鈣熔渣。）
鐵的種類與特性：
- 生鐵： 從高爐中煉出，含碳量高、質硬而脆，用途受限，只適合鑄造鐵器，又叫鑄鐵。
- 熟鐵： 除去生鐵中的雜質，是很純的鐵，富延展性，適合高溫鍛接。熟鐵用來製造需要鎚擊、彎曲和扭轉的物品，如鐵管、鐵絲等，又叫鍛鐵。
- 鋼：含碳量界於生鐵和熟鐵之間，適合鑄造和鍛接。
- 常用合金：
  - 高速鋼（鐵、鎢、鉻、釩）： 即使紅熱狀態仍失硬度，製造高速切割工具。
  - 不銹鋼（鐵、鉻、鎳）： 耐腐蝕，製造不銹鋼器具、鐵窗。

二、鐵的重要化合物與錯鹽

化合物名稱	化學式 / 俗名	主要性質與反應
氧化鐵(II)（氧化亞鐵）	FeO	黑色固體，屬於鹼性氧化物，性質不穩定，可溶於酸，不溶於水和鹼性溶液；在空氣中易被氧化成氧化鐵(III)。
氧化鐵(III)	Fe₂O₃	紅褐色固體，可溶於酸，不溶於水和鹼性溶液；是鐵銹和赤鐵礦的主要成分，可用於油漆、油墨、橡膠、陶瓷等工業。
四氧化三鐵	Fe₃O₄	磁鐵礦的主要成分，具強磁性，其中 Fe 有不同的氧化數；可用於醫藥、冶金、電子和紡織等工業。
亞鐵氰化鉀（黃血鹽）	K₄[Fe(CN)₆] · 3H₂O	具有高溶解度的錯位化合物；亞鐵氰離子遇鐵鹽溶液會生成藍色沉澱（普魯士藍），是貴重藍色顏料。
鐵氰化鉀（赤血鹽）	K₃[Fe(CN)₆]	可溶於水；鐵氰離子遇亞鐵鋼離子會生成深藍色沉澱（藤氏藍）；可用黃血鹽檢驗 Fe³⁺ 離子的存在，用赤血鹽檢驗 Fe²⁺ 離子的存在。

三、鐵的生鏽機理與防鏽對策

生鏽原因與條件：
- 由於金屬表面某區域間或不同區域間的電子流動，電子流動促使金屬離子在某區域產生（陽極），而氫從某區域逸出（陰極）。
- 鐵生鏽的必要條件：氧氣與水同時存在。
- H⁺ 可加速鐵的生鏽，而 OH⁻ 則有抑制作用。
影響腐蝕的因素：
- 除鏽： 可用草酸溶液。
- 接觸異金屬： 活性比 Fe 低的金屬與 Fe 接觸時，會加速鐵的生鏽（由 Fe 移去電子）。
- 機械應力： 變形或彎曲等機械力作用處較易生鏽，因該處原子之部分化學鍵被歪曲而減弱，故釘尖與針頭處會先被腐蝕。
- 環境影響： 鐵在海水中比在淡水中較易生鏽。
防鏽方法：
- 隔絕氧與水。
- 在鐵的表面鍍上不易生鏽的金屬（陰極防鏽法為鍍上氧化電位較高的金屬，如白鐵即鍍鋅）。

四、講義精選例題解析

【題型一：區別亞鐵與鐵離子的試劑】

【題目】 下列何者可用於區別 Fe²⁺ 與 Fe³⁺？

(A) 顏色 (B) K₂Cr₂O₇(aq) (C) KSCN(aq) (D) KI(aq) (E) K₄[Fe(CN)₆(aq)]

【解析】

(A) Fe²⁺ 水溶液呈淺綠色，Fe³⁺ 水溶液呈黃色至棕色，可初步區別。
(C) 加入 KSCN（硫氰化鉀）時，Fe³⁺ 會生成血紅色的硫氰化鐵錯離子，而 Fe²⁺ 不反應，可作為特異性檢驗。
(E) 加入 K₄[Fe(CN)₆]（黃血鹽）時，Fe³⁺ 會生成藍色的普魯士藍沉澱，而 Fe²⁺ 則生成白色沉澱（隨後被氧化為藍色），也能有效區別。
正確選項彙整：(A)、(C)、(E)

【題型二：錯鹽與檢驗試劑綜合判斷】

【題目】 下列敘述，何者錯誤？

(A) K₄[Fe(CN)₆] 化合物中，Fe 之氧化數為 +2

(B) K₄[Fe(CN)₆(aq)] 中加入 FeCl₃(aq) 時，產生藍色沉澱 Fe₄[Fe(CN)₆]₃，稱為普魯士藍

(D) 赤血鹽加入 FeCl₂ 中，產生藍色沉澱

(E) KSCN 加入 Fe(NO₃)₃ 會產生血紅色沉澱

【解析】

(A) 正確：在配位化合物 K₄[Fe(CN)₆] 中，配基 CN⁻ 帶 -1 價，鉀離子帶 +1 價，故鐵的氧化數為 +2。
(B) 正確：黃血鹽加入三價鐵離子會生成普魯士藍沉澱 Fe₄[Fe(CN)₆]₃。
(C) 錯誤：K₃[Fe(CN)₆] 稱為赤血鹽（黃血鹽為 K₄[Fe(CN)₆]）。
(D) 正確：赤血鹽（含鐵氰離子）加入亞鐵離子（Fe²⁺）中會生成藤氏藍沉澱。
(E) 錯誤：KSCN 加入三價鐵離子會生成血紅色的水溶液（錯離子溶解於水中），而非血紅色「沉澱」。
正確答案（選出錯誤敘述）：(C)、(E)

五、莫斯利重點整理

高爐煉鐵核心： 利用焦炭燃燒產生的 CO 作為還原劑，將赤鐵礦與磁鐵礦還原成生鐵，並加入石灰石去除矽酸鹽雜質形成熔渣。
鐵離子快速鑑別：
- 遇 KSCN 呈血紅色者為 Fe³⁺。
- 遇 K₄[Fe(CN)₆] 生成普魯士藍者為 Fe³⁺。
生鏽條件： 鐵生鏽必須同時具備氧氣與水，且在酸性環境或接觸活性較低的金屬時會加速腐蝕。

一、 鐵的存在與高爐煉製

二、 鐵的重要化合物與錯鹽

三、 鐵的生鏽機理與防鏽對策

四、 講義精選例題解析