身の回りの化学(用途・材料)　鉄Fe編

今日は、身の回りの化学(用途・材料)　Fe編についてです。

センター試験は特に時間が勝負なので、あるキーワードに対して
いくつかの関連用語が条件反射的にイメージできるようになることが重要です。


そこで、用途や材料に関するテーマで
入試問題をデータベースソフトで徹底的に調べ上げ、「用途・材料のキーワード」に対する条件反射的に思い浮かべてほしい「物質」をまとめました。



元素には遷移元素と典型元素があり、周期表の３族～11族の元素を遷移元素
といい、遷移元素はすべて金属元素になります。
遷移元素の代表の１つである鉄Feは、８族に属し,古くから人類にとって身近な金属として、様々な道具の材料に用いられてきました。

鉄は最外殻電子の数は２個ですが、２価と３価の２種類のイオンが存在しこの２つのイオンの検出反応は非常に出題率が高く重要です。



それでは、鉄に関する物質の用途・材料などについて見ていきましょう。


鋳物(いもの)……銑鉄(せんてつ) (炭素約４％)

自動車・船・鉄道・建築物などの材料……鋼(こう)(炭素約２％以下)

磁鉄鉱、黒さびの主成分……四酸化三鉄Fe3O4
赤鉄鉱、赤さびの主成分、赤色顔料……酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3
※赤鉄鉱の主成分は、赤褐色の酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3で、鉄が湿った空気中で生じる赤さびです。
一方、磁鉄鉱の主成分は黒色の四酸化三鉄Fe3O4で、鉄を空気中で強熱したときに生じる黒さびの主成分でもあります。

鉄はさびやすいのが欠点で、これを克服するための工夫の一つとして合金を用いることがあります。鉄に約20％のクロムCrと約10％のニッケルNiを含む合金であるステンレス鋼は、腐食されにくいので、食器や台所用品、構造材などとして広く利用されています。


☆顔料は次の３つを覚えましょう！
CdS、PbCrO4 ……… 黄色顔料
ZnO、BaSO4 ……… 白色顔料
Fe2O3 ……………… 赤色顔料


トタン…鉄Feを亜鉛Znでめっきしたもの
ブリキ…鉄FeをスズSnでめっきしたもの

※トタンとブリキでは、傷がついていないときは、表面はトタンのほうがブリキよりも腐食されやすくなります。これは、亜鉛の方がスズよりもイオン化傾向が大きい(陽イオンとなって溶けやすい)ためです。
しかし、表面に傷がついて下地の鉄が露出したときには、鉄はブリキのほうがトタンよりも腐食されやすくなります。
これは、トタンの場合,鉄に比べて亜鉛の方がイオン化傾向が大きいため、傷がついても亜鉛が優先的に酸化され、鉄の腐食が防がれますが、ブリキの場合、鉄に比べてスズの方がイオン化傾向が小さいため、傷がつくと鉄が優先的に酸化(陽イオンとなって溶ける)されてしまうためです。





以下は、用途・材料に関して出題された問題です。
　



■ 2013 東京慈恵会医科大学　医

問１　文章中の　ア　に適した語句を入れよ。

　鉄の単体は、銀白色の金属光沢があり、比較的軟らかい金属である。鉄の化合物には、酸化数が＋2と＋3のものがある。酸化物には、黒色の酸化鉄(Ⅱ)、赤褐色の酸化鉄(Ⅲ)のほか、黒色の四酸化三鉄(鉄の黒さび)などがある。鉄は工業的には、溶鉱炉に鉄鉱石〔赤鉄鉱(酸化鉄(Ⅲ))や磁鉄鉱(四酸化三鉄)など〕、コークス(C)および石灰石(CaCO3)を入れ、下部から熱風を吹き込むと、コークスと石灰石から生じた一酸化炭素が鉄鉱石を還元し、鉄が得られる。溶鉱炉で得られた鉄は(　ア　)と呼ばれ、3～5％の炭素や微量の不純物を含み、硬くてもろい。主に鋳物などに利用される。さらに(　ア　)を転炉に入れて、酸素を吹き込み、炭素含量を減らしたものを鋼といい、硬くて弾力性に富み、強じんである。主に建築や機械材料として利用される。

答え…
ア　銑鉄



■ 2009 愛媛大学 医　教育　工　農　理

　鉄は、鉄鉱石を溶鉱炉でコークスや石灰石と加熱し、還元してつくられる。鉄は灰白色の光沢をもった金属で、体心立方格子の原子配列をしている。鉄はイオン化傾向が大きいため、鉄を希硫酸に加えると気体を発生しながら溶け、淡緑色の水溶液ができる。一方、鉄を濃硝酸に入れても、　ア　をつくるため、溶けにくい。鉄は様々な器具や構造物として利用されているだけではない。寒い冬に重宝される使い捨てカイロにも使われている。また、窒素と水素を一定体積内で熱して、これに鉄粉を入れると、短時間でアンモニアが生成する。これは鉄粉が　イ　として働いているためである。

問１　文章中の　ア　、　イ　に適した語句を入れよ。

答え…
問１
ア　不動態
イ　触媒



■ 2013 早稲田大学 教育
　鉄は原子番号26の遷移元素であり、地殻中に4番目に多く存在する元素である。資源が豊富で安価であり、機械的強度が強いために、鉄は身の回りで広く使われてきた。単体の鉄は、赤鉄鉱などの酸化物を原料として　ア　内でコークスなどと一緒に加熱し還元することでえられる。　ア　からえられる鉄は　イ　と呼ばれ約4％の炭素や微量の不純物を含む。この　イ　を　ウ　に移して酸素を吹き込み炭素を燃焼させて炭素の含有量を1.7％以下にしたものを　エ　という。　エ　は弾性に富み、丈夫であるので構造材料に用いられる。
　鉄はさびやすいのが欠点である。鉄のさびやすい性質を克服するための工夫の一つとして合金を用いることがあり、約20％の　オ　と約10％の　カ　を含む合金であるステンレス鋼は、様々な用途に利用されている。さびやすい性質を克服する別の方法として表面を他の素材で覆うことも行われている。表面を金属で覆うのがめっきであり、鋼板に　キ　をめっきしたものがブリキ、　ク　をめっきしたものがトタンである。また鉄と濃硝酸との反応では鉄表面にa酸化皮膜ができ、腐食を起こさない状態になることも知られている。南部鉄びん等にみられる表面の黒い鉄さびは鉄の表面をb酸化物で覆ったものである。

問1　ア　～　エ　に適当な語句を書け。
問2　　オ　～　ク　に適当な元素名を書け。
問3　下線部aの状態を何というか書け。
問4　鉄がさびる性質を利用しているものを以下からすべて選び、番号で書け。
1．乾燥剤
2．脱酸素剤
3．使い捨てカイロ
4．解熱剤

答え…

問1
ア　溶鉱炉イ　銑鉄ウ　転炉エ　鋼
問2
オ　クロム
カ　ニッケル
キ　スズ
ク　亜鉛

問3　不動態

問4
2、3



■ 2012 藤田保健衛生大学 医

　つぎの(1)の文章中の下線を引いた物質の化学式を記せ。
(1)　鉄(Ⅱ)イオンを作用させると有用な青色顔料を生じる化合物

答え…
(1)　K3[Fe(CN)6]



■ 2012 横浜市立大学 医

鉄鉱石(赤鉄鉱や磁鉄鉱)とコークス，石灰石を溶鉱炉の上から入れ，下部から熱風を吹き込むと，溶融状態の(d)鉄が炉底にたまる。この鉄を転炉に移し，酸素を吹き込み，不純物を取り除いて，(e)より純度の高い鉄を得る。

下線部(d)と下線部(e)の鉄について，それぞれの名称と性質および用途について述べよ。

答え…
(d)
名称…銑鉄
性質…延性・展性に乏しく，硬いがもろい
用途…鋳物 など

(e)
名称…鋼
性質…強靭で弾性をもつ
用途…機械部品，建築材料 など




■2013 東北大学 2/25,前期日程 理　医　歯　薬　工　農

(Ⅰ)　鉄は酸素と化合しやすく，常温の大気中では赤さびが安定である。赤さびは主に　ア　であり，鉄鉱石の主成分である。赤さびを還元すると黒さびになる。黒さびは　イ　である。溶鉱炉によって鉄鉱石から鉄を製造する場合，主成分が炭素であるコークスを用いてa)鉄鉱石の還元を行う。溶鉱炉の底で融解した状態で得られる，炭素を質量パーセント濃度で約4％含む鉄を　ウ　という。次に転炉において，　ウ　に酸素を吹込み，炭素を質量パーセント濃度で2％以下にしたものを　エ　という。　エ　は鋳造され固体となり，圧延工程などを経て鉄製品となる。

問1　文中の空欄　ア　，　イ　に入る適切な化学式を書け。
問2　文中の空欄　ウ　，　エ　に入る適切な語句を書け。

答え……
(Ⅰ)　
問1
ア　Fe2O3
イ　Fe3O4

問2
ウ　銑鉄
エ　鋼





■2010 早稲田大学 教育

　私たちの身の回りに見られる電化製品や自動車、建造物などには、いろいろな金属が材料として利用されている。金属は電気を通しやすく、aたたけば薄く広がり、また、b引っ張ると延びる性質をもつ。もっとも多く使われているのは、鉄、アルミニウム、銅である。鉄は溶鉱炉に赤鉄鉱などの鉄鉱石、コークス、石灰石を入れ、下部から熱風を吹き込むことにより製造される。溶鉱炉から出たばかりの鉄は　ア　とよばれ　イ　を不純物として含むため、もろい。　ア　に含まれる　イ　の量を少なくすると、かたく粘りのある鋼になる。軽くて、やわらかく、加工しやすいアルミニウムもよく使われる。アルミニウムの原料である　ウ　と水酸化ナトリウムの水溶液を混ぜると水酸化アルミニウムを経て、　エ　が得られる。　エ　を加熱して溶かしたのち電気分解を行うと、アルミニウムイオンが　オ　を受け取って純粋なアルミニウムが得られる。銅の製造にも　カ　とよばれる電気分解が使われる。2種類以上の金属どうしを混ぜ溶融して作る合金は、もとの金属には見られない優れた性質をもつことが多い。たとえば、ステンレス鋼は鋼に　キ　やニッケルなどを加えて作る。これは鉄に比べてさびにくく、薬品に強い。飛行機の機体に使われるジュラルミンは主成分の　ク　と銅、マグネシウム、マンガンなどとの合金である。　ケ　は加工された時の形を憶えていて、変形したあとでも条件を変えるともとの形に戻るという特性をもつ。金属の欠点のひとつはさびやすいことである。さびを防ぐため、いろいろな工夫がなされている。たとえば、c板の表面を亜鉛の薄い膜でおおうと、傷がついても鉄が溶けだすのを防ぐことができる。また、アルミニウム製品には薄い被膜を人工的につけて内部を保護しているものが多い。金属元素には人体に有害なものがある。たとえば、原子番号48の　コ　は絵の具や電池などに用いられている。これらの金属はリサイクル等の工夫により環境に出さないように注意する必要がある。

問1　下線aおよび下線bの性質を表わすのに適当な語を書け。
問3　　ア　～　コ　の空欄に適当な語句を書け。

答え…
問1
a　展性b　延性
問2
ア　銑鉄
イ　炭素
ウ　ボーキサイト
エ　酸化アルミニウム [アルミナ]
オ　電子
カ　電解精錬
キ　クロム
ク　アルミニウム
ケ　形状記憶合金
コ　カドミウム




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【「くらべてつなげてまとめる無機化学」　第一部】



【「くらべてつなげてまとめる無機化学」　第二部】



【「くらべてつなげてまとめる有機化学」　第一部】



【「くらべてつなげてまとめる有機化学」　第二部】




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