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化学において、鉄(III)または鉄(III)は、+3の酸化状態の鉄元素 を指します。 塩化鉄は、塩化鉄(III) ( FeCl 3 )の別名です。形容詞の鉄(II)は、陽イオンFe 2+ を含む鉄(II)塩に対して代わりに使用されます。鉄(III)という単語は、ラテン語の「鉄」を意味するferrumに由来しています。
しばしばFe 3+と略されるが、この裸のイオンは極端な条件下を除いて存在しない。鉄(III)中心は多くの化合物や配位錯体中に見られ、そこではFe(III)はいくつかの配位子と結合している。分子鉄錯体は、鉄核を取り囲む3つの二座シュウ酸イオンを持つアニオン 鉄シュウ酸[Fe(C 2 O 4 ) 3 ] 3−である。より低い酸化状態に比べて、鉄は有機鉄化学ではあまり一般的ではないが、フェロセニウムカチオン[Fe(C 2 H 5 ) 2 ] +はよく知られている。
生物学における鉄(III)
既知のすべての生命体は鉄を必要とし、鉄は通常 Fe(II) または Fe(III) の酸化状態で存在します。[1]生物の多くのタンパク質には鉄(III)中心が含まれています。このような金属タンパク質の例には、オキシヘモグロビン、フェレドキシン、シトクロムなどがあります。細菌から人間まで、多くの生物は鉄を微細結晶（直径3～8 nm）の形で鉄(III)酸化物水酸化物としてタンパク質フェリチンの殻の中に蓄えており、必要に応じてそこから鉄を回収することができます。[2]
人間の食事に含まれる鉄分が不足すると貧血の原因になります。動物や人間は、肉など鉄分を吸収しやすい形で含む食品から必要な鉄分を摂取できます。他の生物は鉄分を環境から摂取する必要があります。しかし、鉄分は好気性（酸素化）環境、特に石灰質土壌では、非常に不溶性の鉄（III）酸化物/水酸化物を形成する傾向があります。細菌や草は、鉄（III）と可溶性錯体を形成し、細胞に再吸収されるシデロフォアと呼ばれる化合物を分泌することで、このような環境で繁殖することができます。（他の植物は、代わりに、鉄（III）をより溶解性の高い鉄（II）に還元する特定の細菌の根の周囲での成長を促進します。）[3]
鉄(III)化合物の不溶性は海水中の鉄濃度が低い原因でもあり、これは海洋食物連鎖の基盤となる微小植物（植物プランクトン）の成長を制限する要因となることが多い。 [4]
鉄(III)塩および錯体
典型的には、鉄(III)塩は「塩化物」と同様に、式[Fe(H 2 O) 5 Cl] 2+、[Fe(H 2 O) 4 Cl 2 ] +、[Fe(H 2 O) 3 Cl 3 ]のアコ錯体である。硝酸鉄(III)を水に溶解すると、[Fe(H 2 O) 6 ] 3+イオンが生じる。これらの錯体では、プロトンは酸性である。最終的にこれらの溶液は加水分解されて鉄(III)水酸化物Fe(OH) 3が生成され、これがオレーションと呼ばれるプロセスを経てさらにポリマー酸化物水酸化物に変換される。これらの水酸化物は固体として溶液から沈殿する。この反応により水素イオンH +が遊離し、溶液のpHが低下する。平衡は複雑である: [5]
- [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ ⇌ [Fe(H 2 O) 5 OH] 2+ + H +
- [Fe(H 2 O) 5 OH] 2+ ⇌ [Fe(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + + H +
- 2 [Fe(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + ⇌ [Fe 2 (H 2 O) 8 (OH) 2 ]+2 + 2 H 2 O
さまざまなキレート化合物が重合を防止します。これらの同じリガンドは、鉄(III)酸化物や水酸化物を溶解することさえできます。これらのリガンドの1つはEDTAで、これは鉄鉱石を溶解するためによく使用され、土壌中の鉄を植物が利用できるようにするために肥料に添加されます。クエン酸も中性pHで鉄(III)イオンを可溶化しますが、その錯体はEDTAの錯体よりも安定性が低くなります。多くのキレートリガンド（シデロフォア）は、鉄(III)酸化物を溶解するために自然に生成されます。
鉄(III)錯体のアクア配位子は不安定です。この挙動はチオシアン酸塩との反応によって生じる色の変化によって視覚化されます。
- [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + SCN − ⇌ [Fe(SCN)(H 2 O) 5 ] 2+ + H 2 O
[Fe(H 2 O) 6 ] 3+はほぼ無色ですが、 [Fe(SCN)(H 2 O) 5 ] 2+ は濃い赤色です。
鉄(III)アコ錯体はポリマーオキシ水酸化物に変化する傾向があるが、他の配位子との鉄(III)錯体は安定した溶液を形成する。1,10-フェナントロリンビピリジンとの錯体は溶解性があり、還元されて鉄(II)誘導体になることができる。
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鉄(III)鉱物およびその他の固体
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鉄(III)は多くの鉱物や固体に含まれています。例えば、酸化物 Fe 2 O 3 (ヘマタイト)や酸化水酸化鉄(III) FeO(OH)はポリマー構造を反映して極めて不溶性です。さびは酸化鉄(III)と酸化物水酸化物の混合物で、通常、鉄金属が湿った空気にさらされると形成されます。クロムやアルミニウムなどの他の金属によって形成される不動態化酸化物層とは異なり、さびはそれを形成した金属よりもかさばるため剥がれます。そのため、保護されていない鉄製品は時間が経つと完全にさびに変わります。
ボンディング
鉄(III)はd 5中心であり、これは金属が3d軌道殻に5つの「価」電子を持っていることを意味する。鉄(III)に結合する配位子の数と種類によって、これらの電子がどのように配置されるかが決まる。シアン化物などのいわゆる「強場配位子」の場合、5つの電子は可能な限り対になる。したがって、フェリシアン化物( [Fe(CN) 6 ] 3− )には不対電子が1つしかない。これは低スピンである。水などのいわゆる「弱場配位子」の場合、5つの電子は不対になる。したがって、アクア錯体( [Fe(H 2 O) 6 ] 3+には不対電子が5つしかない。これは高スピンである。塩化物の場合、鉄(III)は四面体錯体、例えば( [Fe(Cl) 4 ] − )を形成する。四面体錯体は高スピンである。鉄錯体の磁性は、高スピンか低スピンかを示すことができる。
参照
参考文献
- ^ 「地球上の生命の発達に不可欠な鉄、そして他の惑星での生命の可能性」オックスフォード大学。2021年12月7日。 2022年5月9日閲覧。
- ^ Berg, Jeremy Mark; Lippard, Stephen J. (1994).生物無機化学の原理. カリフォルニア州サウサリート: University Science Books. ISBN 0-935702-73-3。
- ^ H. Marschner および V. Römheld (1994)：「植物の鉄獲得戦略」。Plant and Soil、第 165 巻、第 2 号、261 ～ 274 ページ。doi :10.1007/ BF00008069
- ^ Boyd PW、 Watson AJ 、 Law CS、他 (2000 年 10 月)。「鉄肥料による南極海でのメソスケール植物プランクトン大量発生」。Nature 407 ( 6805 ): 695–702。Bibcode :2000Natur.407..695B。doi :10.1038/35037500。PMID 11048709。S2CID 4368261 。
- ^ アーンショウ、A.; グリーンウッド、NN (1997).元素の化学(第2版). オックスフォード: バターワース・ハイネマン. ISBN 0-7506-3365-4。