鉄鉱石の製錬と磁鉄鉱Fe3O4における鉄の酸化数

鉄鉱石から鉄を製錬する過程では、酸化還元反応が重要な役割を果たします。鉄鉱石（Fe₂O₃）から、磁鉄鉱（Fe₃O₄）を経て、最終的に金属鉄（Fe）を得る過程において、鉄の酸化数はどのように変化するのでしょうか？本記事では、鉄鉱石と磁鉄鉱の化学構造における鉄の酸化数について解説します。

鉄鉱石（Fe₂O₃）の酸化数

鉄鉱石、特に赤鉄鉱（Fe₂O₃）は、鉄の酸化数が+3であることが知られています。酸化鉄(III)とも呼ばれるこの化合物では、酸素が−2の酸化数を持つため、鉄は+3の酸化数を持ちます。この状態で鉄は酸化された形で存在しています。

鉄鉱石のFe₂O₃は、製鉄過程において酸素を失い、鉄が還元されて金属鉄（Fe）として取り出されます。この反応では、鉄が酸化物から金属に変わる過程を理解することが重要です。

次に、鉄鉱石が還元されるときにできる磁鉄鉱（Fe₃O₄）では、鉄の酸化数が異なります。Fe₃O₄は、Fe²⁺とFe³⁺が混在している化合物です。このため、Fe₃O₄における鉄の酸化数は、+2と+3の状態が混在しています。

具体的には、Fe₃O₄は次のように表せます：Fe₃O₄ = FeO・Fe₂O₃。ここでは、1分子のFeO（酸化鉄(II)）がFe²⁺を含み、Fe₂O₃（酸化鉄(III)）がFe³⁺を含んでいます。このため、Fe₃O₄における鉄の酸化数は平均して+2.67になります。

鉄鉱石（Fe₂O₃）から磁鉄鉱（Fe₃O₄）への変化は、製鉄過程における酸化還元反応を示しています。鉄鉱石が還元される際、酸素が取り除かれ、鉄の酸化数が減少します。最初はFe³⁺（酸化鉄(III)）として存在していた鉄が、Fe²⁺（酸化鉄(II)）に変わり、最終的に金属鉄（Fe）となります。

磁鉄鉱ではFe²⁺とFe³⁺が共存しているため、鉄の酸化数は単一の値ではなく、平均値で表現されます。この過程は製鉄の初期段階にあたります。

鉄鉱石の製錬過程では、鉄の酸化数が段階的に変化します。最初はFe₂O₃として高い酸化数（+3）で存在し、次第に還元されていきます。この過程で、鉄がどのように変化し、最終的に金属鉄が得られるのかを理解することは、製鉄の仕組みを理解するために重要です。

鉄鉱石から金属鉄を得るためには、鉄鉱石に含まれる酸素を取り除き、鉄を還元する必要があります。この還元反応において、鉄の酸化数が減少し、Fe²⁺やFe³⁺が形成され、最終的に金属鉄が得られます。

鉄鉱石（Fe₂O₃）から磁鉄鉱（Fe₃O₄）への製錬過程では、鉄の酸化数は変化します。Fe₂O₃における鉄の酸化数は+3で、Fe₃O₄では鉄の酸化数が+2と+3の間で共存します。この理解は製鉄過程を深く理解するための重要な鍵となります。