鉄イオンの色について探ってみよう！分子設計化学第二研究室現在、世界では毎年数億トンもの金属の鉄が生産されており、私たちの生活の中でかぞえきれないほどの用途に使われています。例えば、スプーン、自転車、車、はさみなどはその代表例ですし、使い捨てカイロにも鉄が使われています。さらに、鉄はあらゆる生き物の中でイオンとして存在し、生命を維持していく上でとても大切な役目を果たしています。例えば血液の構成成分である赤血球は酸素の輸送という重要な働きをしていますが、これはその中にあるヘモグロビンというタンパク質の中心で鉄イオンが酸素を捕まえたり放したりすることで実現している機能です（図１）。ところで、鉄イオンは何色でしょうか。血液は赤いので「赤」と思うかもしれませんが、実は決まった色はありません。鉄イオンはイオンそのままで存在するのではなく、イオンの周りに「配位子」と呼ばれる別のイオンや分子がくっついた化合物である「錯体」として存在しています。そして鉄イオンの色は、その周りにくっつく配位子によって様々に変わります。また、鉄イオンに同じ配位子がくっついていても、Fe2+と Fe3+のように酸化数が違えば色が変わります。例えば、私たちの血液が赤いのは、ヘモグロビンの中の鉄イオンがポルフィリンという配位子と結合してヘムという錯体をつくっており、これが赤い色を示すためです（図１）。また、瀬戸物の着色や塗料に使われる赤色の「べんがら」や赤さびは、酸化鉄(III)すなわち Fe2O3 で、この中では酸化物イオン O2が配位子になっています。さらにプルシアンブルーのように、真っ青な色をした鉄錯体もあります。また中性から酸性の水の中の鉄イオンは、６個の水分子が配位した正八面体型の水和イオンとなっていますが、このうち２価の鉄を含む [FeII(OH2)6]2+ は淡緑色、３価の鉄を含む [FeIII(OH2)6]3+ は淡紫色です。ただし、どちらの色も非常に淡いので、薄い溶液ではほとんど無色にしか見えません。赤血球ヘモグロビン H2C HC CH3 CH CH2 H3C N N Fe N N H3C CH3 CH2 CH2 COOH CH2 CH2 COOH ヘムｂ図１今回の実験では、まず、使い捨てカイロに含まれる鉄の粉を酸に溶かして水和イオンとした後、何種類かの配位子を加えて、それらの配位によって鉄イオンの色がどのように変化するのかを調べてみましょう。次に、酸化および還元試薬を用いて鉄イオンを酸化・還元し、酸化数の変化に伴って色が変化する様子を確認してみましょう。 2+ OH2 Fe + H2SO4 + H2O 6H2O Fe H2O OH2 OH2 SO4 2 + H2 OH2 非常に淡い緑色 N N N フェナントロリン N 配位子ビピリジン N N Fe N N N N N N N テルピリジン【実験１いろんな色の鉄錯体をつくるどんな色？～鉄イオンの酸化反応を観察しよう～】実験に必要なもの (1) 薬品：使い捨てカイロ、0.5 mol/l 硫酸、フェナントロリン、ビピリジン、テルピリジン、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウム(K3[Fe(CN)6])、臭素酸カリウム(KBrO3)、蒸留水 (2) 器具：200 ml ビーカー（２個）、200 ml 三角フラスコ（２個）、試験管（４本）、ロート、ろ紙、ガラス棒、薬さじ、こまごめピペット、ラベル実験の進め方 (1) 使い捨てカイロの封を切り、さらにカイロをはさみで切って、中身（約 2 g）をビーカーに入れる。このビーカーをドラフト内に持ち込む。これに 200 ml 三角フラスコにとった 30 ml の 0.5 mol/l 硫酸を加える。激しい泡（水素）の発生が見られる。火気厳禁。10 分程度放置。 (2) その間に、ひだ付ろ紙を折り、ロートにセットする。ロートの下に 200 ml 三角フラスコを置く。 (3) (1)の混合物をろ過する。ろ液として非常に薄い緑色の溶液が得られる。これは２価の鉄の水和イオンを含んでいる。ろ液が 20 ml 程度得られたところで、この溶液に蒸留水 100 ml を加えて薄める。これを４本の試験管にこまごめピペットで約 0.5 ml ずつとり、残りを 200 ml ビーカーに入れる。 0.5 mol/l H2SO4 (4) ４本の試験管に入れた溶 H2 液に、それぞれ小さな薬さじに一杯程度ずつのフェナントロろ過リン(溶液 a)、ビピリジン（溶液 b）、テルピリジン(溶液 c)およびヘキサシアノ鉄(III)酸カ水で薄めるリウム(溶液 d)を加え、軽く振配位子った後、0.5 mol/l 硫酸で約 10 倍に薄める。加えた化合物の名前をラベルに書き、試験管にはる。試験管内の溶液の色を注意深く観察し、記録する。 (5) フェナントロリン、ビピリジン、およびテルピリジンを加えた試験管に、さらに少量の臭素酸カリウムを薬さじで加え、よく振る。これを色が変化するまで繰り返す(それぞれ溶液 a’、b’、c’)。 ○溶液の色（色を塗ってみよう）溶液 a, a’ 溶液 b, b’ 溶液 c, c’ 溶液 d 【実験２鉄イオンで絵を描く】実験に必要なもの (1) 薬品：実験１で作った２価の鉄イオンを含む薄い緑色の溶液、（次の５つの溶液は霧吹きに入っている。）フェナントロリン、ビピリジンおよびテルピリジンのアセトン溶液、TPTZ（右図参照）のエタノール－アセトン（1：1）溶液、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムの水－アセトン（1：2）溶液 (2) 器具：書道用半紙、インクジェットプリンタ用紙、筆、洗濯挟み、新聞紙 N N N N N N TPTZ 実験の進め方 (1) 鉄(II)の水和イオンの溶液に筆を浸し、紙に絵や字を書く。これを洗濯挟みに挟んで 10 分程度ほし、よく乾かす。 (2) この紙を新聞紙の上に置き、フェナントロリン、ビピリジンまたはテルピリジンのアセトン溶液、TPTZ のエタノール－アセトン（1：1）溶液、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムの水－アセトン（1：2）溶液を霧吹きで吹きかけ、絵や字に色がつくのを観察する。少しかければ十分。溶液の霧を吸い込まないように注意！【実験３鉄イオンの還元反応を観察しよう】実験に必要なもの (1) 薬品：塩化鉄(III)六水和物(FeCl3·6H2O) (20 mmol/l の 0.01 mol/l 塩酸溶液)、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウム(K3[Fe(CN)6]) (20 mmol/l の 0.01 mol/l 塩酸溶液)、ビタミンＣ（アスコルビン酸）、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3) (2) 器具：試験管（１本）、試験管立て、駒込ピペット、ピペッター、薬包紙、薬さじ、電子天秤実験の進め方 (1) 塩化鉄(III)六水和物の塩酸溶液 2 ml とヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムの塩酸溶液 2 ml を混ぜ合わせる（溶液 A）。溶液の色をよく観察しよう。 (2) ビタミンＣ（アスコルビン酸）を 0.25 g 量り取る。 (1)の溶液にビタミンＣを数粒加える（溶液 B）。色が変化するかよく観察しよう。さらに残ったビタミンＣをすべて加えて、よく振り混ぜる（溶液 C）。 (3)亜硫酸ナトリウムを 0.19 g 量り取る。(2)の溶液に量り取った亜硫酸ナトリウムを加え、振り混ぜてすべて溶かしたあと、静置する（溶液 D）。色の変化を観察しよう。空気に触れるようによく振り混ぜる（溶液 E）。色は変化しましたか。 ○色の変化（色を塗ってみよう）溶液 A 溶液 B 溶液 C 溶液 D 溶液 E 一つの金属元素に注目しただけで我々の生活に密着した非常に興味深い化学の世界が見えてきます。「化学の目」で周りを見つめる楽しさを少しでもわかっていただけたでしょうか？ MEMO 実験の分類：無機化学実験実験の種類：金属錯体の合成、酸化・還元反応募集人員：８人程度所要時間：約４時間