제2류위험물인 철은 반응성이 큰 금속입니다. 산소가 거의 없는 조건에서는 자연 상태에서 원소 형태로 있기는 하나, 대부분은 화합물로 존재합니다. 화합물에서 철은 7가지(-2, 0, +1, +2, +3, +4, +6) 산화 상태를 가지나, +2와 +3인 화합물들이 가장 흔합니다. 철의 산화수가 +2인 화합물 (철(II) 화합물)을 ‘제1철(ferrous) 화합물’, 그리고 산화수가 +3인 철(III) 화합물을 ‘제2철(ferric) 화합물’이라 부릅니다.
1. 제2류위험물 철(Fe) 특징
① 지정수량 : 500kg
② 위험등급 : Ⅲ
③ 비중 : 7.68
④ 융점 : 1,535℃
⑤ 형상 : 회백색 백색 분말
⑥ 철분
- 철의 분말로서 53μm의 표준체를 통과하는 것이 50 중량 % 미만인 것 제외
2. 철(Fe) 화학반응 메커니즘 및 반응식 분석
지구의 지각을 구성하는 원소는 산소, 규소, 알루미늄,철 등이 대부분을 차지하고 있다. 이 중 철은 4번째로 많은 물질이다.
① 지구의 지각 구성 원소
| 원소 | O | Si | Al | Fe | Na, Mg, K, Ca | 기타 |
| % | 58 | 27 | 8 | 5 | 1.1 | 0.9 |
② 지각 구성 원소는 산소와 결합해야 제 기능을 할 수 있다
- 결합할 수 있는 방법은 이온화가 되어야 한다. 즉 결합하는 두 원소의 이온수를 같게 하여 중성화시켜주면 된다.
- 산화수(이온수)를 맞추기 위해서는 중성으로 만들면 된다.
㉠ O-2 + H+
산소는 -2 이나 수소는 +1 이므로 수소의 원자수를 2개로 만들면 산소와 수소 이온수가 각 2개로 중성이 되게 된다.
㉡ O-2 + C+4
산소는 -2 이나 탄소는 +4 이므로 산소의 원자수를 2개로 만들면 산소와 탄소 이온수가 각 4개가 되어 중성이 되게 된다.
㉢ O-2 + Si+4
위 내용과 같다.
㉣ 2가 철 : O-2 + Fe+2
- 산소는 -2, 철은 +2로 이미 1:1 교환되어 중성이 되었다.
- 산화수가 +2인 화합물(철(Ⅱ)화합물)을 제1철(ferrous)화합물이라고 한다
㉤ 3가 철 : O-2 + Fe+3
- 산소와 철의 이온수를 각 원소에 위치를 바꿔주면 된다. 즉 산소와 철이 중성이 되기 위해서는 산소와 철의 이온수가 같아야 하므로 산소의 이온수 -2를 철의 원소 수로, 철의 이온수 +3을 산소의 원소 수로 해주면 모두 6이 되어 중성이 된다.
- 산화수가 +3인 화합물(철(Ⅲ)화합물)을 제2철(ferric)화합물이라고 한다.
㉥ O-2 + Fe+2Fe2+3
이 부분은 내용이 조금 복잡합니다. 결과물을 놓고 설명을 해야 하기 때문입니다. 산소 이온수는 -2로 산소 원소가 4개 이므로 산소 이온수는 -8이 됩니다. 철과 산소가 중성이 되기 위해서는 철의 이온수가 +8이 되어야 하는데 아시는 바와 같이 철의 이온수는 +2와 +3입니다. +8이 되지 않습니다. 그래서 2가 철과 3가 철을 같이 쓰게 되면 모두 정리가 됩니다.
즉, 3가 철이 두 개가 되면서 철의 이온수가 +8이 되어 중성이 됩니다. 그리고 철의 원소수도 맞춰지기 됩니다. 이제 외계어로만 느껴졌던 철의 화학반응식이 암기 외에 이해라는 영역으로 들어오게 되는 세상이 열린 것입니다.
3. 철과 산소, 물, 염산이 만나는 화학반응식과 연소반응
- 철과 산소의 반응식
① Fe + \(\frac{1}{2}\)O2 → FeO
② 2Fe + \(\frac{3}{2}\)O2 → Fe2O3
- 철과 물(수증기)의 반응식
③ 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
- 여기서의 물은 '수증기'를 말한다
- 철과 염산의 반응식
④ 철 이온수 2개(2가)일 때 : Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
⑤ 철 이온수 3개(3가)일 때 : Fe + 3HCl → FeCl3 + \(\frac{3}{2}\)H2
- 철의 연소반응식
⑥ 연소반응 : 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3
화학식 암기하지 말고 이해하는 신기한 경험을 맛보시길 바랍니다
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