เหล็กแสดงคุณสมบัติทางเคมีที่เป็นลักษณะเฉพาะของโลหะทรานซิชันกล่าวคือ ความสามารถในการสร้างสถานะออกซิเดชันที่แปรผันได้ซึ่งแตกต่างกันทีละหนึ่ง และเคมีเชิงโคออร์ดิเนชันและออร์กาโนเมทัลลิกที่กว้างขวางมากอันที่จริงการค้นพบสารประกอบเหล็กเฟอร์โรซีนได้ปฏิวัติวงการนี้ในช่วงทศวรรษ 1950 ^{[ 1 ]}บางครั้งเหล็กถูกพิจารณาว่าเป็นต้นแบบของโลหะทรานซิชันทั้งหมด เนื่องจากมีปริมาณมากและมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของมนุษยชาติ^{[ 2 ]}อิเล็กตรอน 26 ตัวของเหล็กเรียงตัวอยู่ในโครงสร้าง [Ar]3d ⁶ 4s ²ซึ่งอิเล็กตรอน 3d และ 4s มีพลังงานใกล้เคียงกัน ดังนั้นจึงสามารถสูญเสียอิเล็กตรอนได้จำนวนแปรผัน และไม่มีจุดใดที่การแตกตัวเป็นไอออนต่อไปจะไม่เกิดประโยชน์^{[ 3 ]}

เหล็กสร้างสารประกอบส่วนใหญ่ในสถานะออกซิเดชัน +2 ( เหล็ก(II) "เฟอร์รัส") และ +3 ( เหล็ก(III) "เฟอร์ริก") เหล็กยังพบในสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่าเช่นโพแทสเซียมเฟอร์เรต สีม่วง (K FeO ) ซึ่งมีเหล็กในสถานะออกซิเดชัน +6 แม้ว่าจะมีการอ้างว่ามีเหล็ก(VIII) ออกไซด์ (FeO ) แต่รายงานดังกล่าวไม่สามารถทำซ้ำได้ และพบว่าสปีชีส์ดังกล่าวจากการกำจัดอิเล็กตรอนทั้งหมดของธาตุเกินกว่าการกำหนดค่าก๊าซเฉื่อยก่อนหน้า (อย่างน้อยที่สุดกับเหล็กในสถานะออกซิเดชัน +8) ไม่น่าจะเป็นไปได้ในเชิงการคำนวณ^{[ 4 ]}อย่างไรก็ตาม รูปแบบหนึ่งของแอนไอออนิก [FeO ] ^–ที่มีเหล็กในสถานะออกซิเดชัน +7 พร้อมกับไอโซเมอร์เหล็ก(V)-เปอร์ออกโซ ได้รับการตรวจพบโดยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดที่ 4 K หลังจากการควบแน่นร่วมของอะตอม Fe ที่ถูกเลเซอร์อะเบลเลตกับส่วนผสมของ O /Ar ^{[ 5 ]}เหล็ก(IV) เป็นตัวกลางทั่วไปในปฏิกิริยาออกซิเดชันทางชีวเคมีหลายอย่าง^{[ 6 ] [ 7 ]} สารประกอบ ออร์กาโนเหล็กจำนวนมากมีสถานะออกซิเดชันอย่างเป็นทางการที่ +1, 0, −1 หรือแม้แต่ −2 สถานะออกซิเดชันและคุณสมบัติการยึดเหนี่ยวอื่นๆ มักได้รับการประเมินโดยใช้เทคนิค สเปกโทรสโก ปีMössbauer ^{[ 8 ]}สารประกอบที่มีวาเลนซ์ผสมหลายชนิดมีทั้งศูนย์กลางเหล็ก(II) และเหล็ก(III) เช่นแมกเนไทต์และพรัสเซียนบลู ( Fe (Fe [ CN] ) ) ^{[ 7 ]}อย่างหลังนี้ใช้เป็น "สีน้ำเงิน" แบบดั้งเดิมในแบบพิมพ์เขียว^{[ 9 ]}

เหล็กเป็นโลหะทรานซิชันตัวแรกที่ไม่สามารถมีสถานะออกซิเดชัน +8 ในกลุ่มได้ แม้ว่าโลหะในกลุ่มเดียวกันที่มีน้ำหนักมากกว่าอย่างรูทีเนียมและออสเมียมจะทำได้ โดยรูทีเนียมทำได้ยากกว่าออสเมียม^{[ 10 ]}รูทีเนียมแสดงคุณสมบัติทางเคมีแบบแคตไอออนในน้ำในสถานะออกซิเดชันต่ำคล้ายกับเหล็ก แต่ออสเมียมไม่เป็นเช่นนั้น โดยจะชอบสถานะออกซิเดชันสูงซึ่งจะสร้างสารประกอบแอนไอออนิก^{[ 10 ]}ในครึ่งหลังของอนุกรมทรานซิชัน 3d ความคล้ายคลึงกันในแนวตั้งลงมาตามกลุ่มจะแข่งขันกับความคล้ายคลึงกันในแนวนอนของเหล็กกับโคบอลต์และนิกเกล ซึ่งเป็นโลหะข้างเคียง ในตารางธาตุ ซึ่งเป็นเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิห้องและมีเคมีที่คล้ายคลึงกัน ด้วยเหตุนี้ เหล็ก โคบอลต์ และนิกเกลจึงถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกันเป็นกลุ่มเหล็กสามตัว^{[ 2 ]}

เหล็กไม่ทำปฏิกิริยากับปรอท เหมือนกับโลหะอื่นๆ หลายชนิด ดังนั้นปรอทจึงถูกขนส่งในขวดมาตรฐานขนาด 76 ปอนด์ (34  กิโลกรัม) ที่ทำจากเหล็ก^{[ 11 ]}

เหล็กเป็นธาตุที่มีปฏิกิริยามากที่สุดในกลุ่มเดียวกัน เมื่อถูกบดละเอียดจะติดไฟ ได้ง่ายและละลายได้ง่ายในกรดเจือจาง ทำให้เกิด Fe ²⁺อย่างไรก็ตาม เหล็กจะไม่ทำปฏิกิริยากับกรดไนตริก เข้มข้น และกรดออกซิไดซ์อื่นๆ เนื่องจากมีการก่อตัวของชั้นออกไซด์ที่ไม่สามารถซึมผ่านได้ แต่ชั้นออกไซด์นี้สามารถทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกได้^{[ 10 ]}เหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูง เรียกว่าเหล็กอิเล็กโทรไลต์ถือว่าทนต่อสนิมได้เนื่องจากมีชั้นออกไซด์

ศักยภาพการลดมาตรฐานในสารละลายกรดในน้ำสำหรับไอออนเหล็กทั่วไปบางชนิดมีดังต่อไปนี้: ^{[ 10 ]}

ไอออน เฟอร์เรต (VI) เตตระเฮดรัลสีแดงม่วงเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรงมากจนสามารถออกซิไดซ์ไนโตรเจนและแอมโมเนียที่อุณหภูมิห้อง และแม้กระทั่งน้ำเองในสารละลายที่เป็นกรดหรือเป็นกลาง: ^{[ 13 ]}

4 FeO ²⁻ + 10 H O→ 4Fe ³⁺+ 20 OH ⁻+ 3 O

ไอออน Fe ³⁺มีเคมีแคตไอออนิกที่เรียบง่ายขนาดใหญ่ แม้ว่าไอออนเฮกซาควอสีม่วงอ่อน[ Fe(H O) ] ³⁺จะถูกไฮโดรไลซ์ได้ง่ายมากเมื่อค่า pH เพิ่มขึ้นเหนือ 0 ดังนี้: ^{[ 16 ]}

เมื่อค่า pH สูงกว่า 0 จะเกิดสารไฮโดรไลซ์สีเหลืองดังกล่าวขึ้น และเมื่อค่า pH สูงกว่า 2–3 จะเกิดการตกตะกอน ของไฮดรัสไอรอน(III)ออกไซด์ สีน้ำตาลแดง ออกจากสารละลาย แม้ว่า Fe ³⁺จะมีโครงสร้าง ad ⁵แต่สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของมันไม่เหมือนกับของ Mn ²⁺ที่มีแถบ d–d ที่อ่อนแอและห้ามการหมุน เนื่องจาก Fe ³⁺มีประจุบวกสูงกว่าและมีความเป็นขั้วมากกว่า ทำให้พลังงานของ การดูดกลืนแสงจาก การถ่ายโอนประจุ จากลิแกนด์ไปยังโลหะลดลง ดังนั้นสารประกอบเชิงซ้อนทั้งหมดข้างต้นจึงมีสีค่อนข้างเข้ม ยกเว้นไอออนเฮกซาควอเพียงอย่างเดียว – และแม้แต่ไอออนนั้นก็ยังมีสเปกตรัมที่ถูกครอบงำด้วยการถ่ายโอนประจุในบริเวณใกล้อัลตราไวโอเลต^{[ 16 ]}ในทางกลับกัน ไอออนเฮกซาควอไอรอน(II) สีเขียวอ่อน[ Fe(H O) ] ²⁺ไม่เกิดการไฮโดรไลซิสอย่างมีนัยสำคัญ คาร์บอนไดออกไซด์จะไม่เกิดขึ้นเมื่อ มีการเติมแอนไอออน คาร์บอเนตซึ่งจะส่งผลให้เกิดการตกตะกอนของเหล็ก(II)คาร์บอเนต สีขาวแทน ในกรณีที่มีคาร์บอนไดออกไซด์มากเกินไป จะเกิดเป็นไบคาร์บอเนตที่ละลายได้เล็กน้อย ซึ่งพบได้ทั่วไปในน้ำบาดาล แต่จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรวดเร็วในอากาศเพื่อสร้าง เหล็ก(III)ออกไซด์ซึ่งเป็นสาเหตุของตะกอนสีน้ำตาลที่พบในลำธารจำนวนมาก^{[ 17 ]}

เนื่องจากโครงสร้างอิเล็กตรอน เหล็กจึงมีศักยภาพในการประสานงานและมีคุณสมบัติทางเคมีเชิงโลหะอินทรีย์สูงมาก

สารประกอบเชิงซ้อนของเหล็กหลายชนิดเป็นที่รู้จัก แม้ว่าจะมีเพียงไม่กี่ชนิดที่แสดงเหล็กที่มีวาเลนซ์สูง ไอออน ที่ มีการประสานงานหกตำแหน่งทั่วไปคือเฮกซาคลอโรเฟอร์เรต(III) [FeCl ] ³⁻ซึ่งพบในเกลือ ผสม เตตระคิส(เมทิลแอมโมเนียม) เฮกซาคลอโรเฟอร์เรต(III) คลอไรด์ [ ^{18 ] [ 19 ] คอมเพล็กซ์}ที่มีลิแกนด์แบบไบเดนเตตหลายตัวมีไอโซเมอร์ทางเรขาคณิตตัวอย่างเช่นคอมเพล็กซ์ทรานส์ - คลอโรไฮดริโดบิส(บิส-1,2-(ไดฟีนิลฟอสฟิโน)อีเทน)เหล็ก(II)ถูกใช้เป็นวัตถุดิบเริ่มต้นสำหรับสารประกอบที่มีหมู่Fe ( dppe ) ^{[ 20 ] [ 21 ]}ไอออนเฟอร์ริออกซาเลตที่มี ลิแกนด์ ออกซาเลต สามตัว (แสดงทางด้านขวา) แสดงไครัลลิตีแบบเกลียวด้วยรูปทรงเรขาคณิตสองแบบที่ไม่สามารถซ้อนทับกันได้ โดยมีป้ายกำกับว่าΛ (แลมบ์ดา) สำหรับแกนเกลียวซ้าย และΔ (เดลต้า) สำหรับแกนเกลียวขวา ตามแบบแผนของ IUPAC ^{[ 16 ]}โพแทสเซียมเฟอร์ริออกซาเลตใช้ในการวัดรังสี ทางเคมี และร่วมกับเกลือโซเดียม ของมัน undergoes การลดด้วยแสงที่ใช้ในกระบวนการถ่ายภาพแบบเก่าไดไฮเดรตของเหล็ก(II) ออกซาเลตมี โครงสร้าง พอลิเมอร์ที่มีไอออนออกซาเลตแบบระนาบเดียวกันเชื่อมระหว่างศูนย์กลางเหล็ก โดยมีน้ำผลึกตั้งอยู่เป็นฝาปิดของแต่ละออกตาเฮดรอน ดังแสดงในภาพด้านล่าง^{[ 22 ]}

สารประกอบเชิงซ้อนของเหล็ก(III) ค่อนข้างคล้ายกับสารประกอบเชิงซ้อนของโครเมียม (III) ยกเว้นเหล็ก(III) ที่ชอบลิแกนด์ตัวให้Oมากกว่า ลิแกนด์ตัวให้ Nซึ่งลิแกนด์ตัวให้ N มักจะไม่เสถียรมากกว่าสารประกอบเชิงซ้อนของเหล็ก(II) และมักจะแตกตัวในน้ำ สารประกอบเชิงซ้อน Fe–O หลายชนิดแสดงสีเข้มและใช้เป็นสารทดสอบสำหรับฟีนอลหรืออีนอลตัวอย่างเช่น ในการทดสอบเฟอร์ริกคลอไรด์ซึ่งใช้ในการตรวจสอบการมีอยู่ของฟีนอลเหล็ก(III) คลอไรด์จะทำปฏิกิริยากับฟีนอลเพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนสีม่วงเข้ม: ^{[ 16 ]}

3 ArOH + FeCl → Fe(OAr) + 3 HCl (Ar = aryl )

ในบรรดาสารประกอบเฮไลด์และซูโดเฮไลด์ สารประกอบฟลูออโรของเหล็ก(III) มีความเสถียรมากที่สุด โดยสารประกอบไร้สี [FeF (H O)] ²⁻มีความเสถียรมากที่สุดในสารละลายในน้ำ สารประกอบคลอโรมีความเสถียรน้อยกว่าและชอบการประสานงานแบบทรงสี่หน้า เช่น [FeCl ] ⁻ ; [FeBr ] ⁻และ [FeI ] ⁻ถูกรีดิวซ์เป็นเหล็ก(II) ได้ง่ายไทโอไซยาเนตเป็นสารทดสอบทั่วไปสำหรับการตรวจหาเหล็ก(III) เนื่องจากมันสร้าง [Fe(SCN)(H O) ] ²⁺ สีแดงเลือดหมู เช่นเดียวกับแมงกานีส(II) สารประกอบเหล็ก(III) ส่วนใหญ่เป็นแบบสปินสูง ยกเว้นสารประกอบที่มีลิแกนด์ที่อยู่ในลำดับสูงในอนุกรมสเปกโทรเคมีเช่นไซยาไนด์ ตัวอย่างของสารประกอบเหล็ก ( III) แบบสปินต่ำคือ [Fe(CN) ] ³⁻ลิแกนด์ไซยาไนด์อาจหลุดออกได้ง่ายใน [Fe(CN) ] ³⁻ดังนั้นสารประกอบเชิงซ้อนนี้จึงเป็นพิษ ซึ่งแตกต่างจากสารประกอบเชิงซ้อนเหล็ก(II) [Fe(CN) ] ⁴⁻ที่พบในพรัสเซียนบลู^{[ 16 ]}ซึ่งไม่ปล่อยไฮโดรเจนไซยาไนด์ ออก มา ยกเว้นเมื่อเติมกรดเจือจาง^{[ 17 ]} เหล็กแสดง สถานะสปินอิเล็กตรอนที่หลากหลายมากรวมถึงค่าเลขควอนตัมสปินที่เป็นไปได้ทั้งหมดสำหรับธาตุ d-block ตั้งแต่ 0 (ไดอะแมกเนติก) ถึง5/2 ( อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ 5 ตัว ) ค่านี้จะเป็นครึ่งหนึ่งของจำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่เสมอ สารประกอบเชิงซ้อนที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ศูนย์ถึงสองตัวถือว่าเป็นสปินต่ำ และสารประกอบเชิงซ้อนที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่สี่หรือห้าตัวถือว่าเป็นสปินสูง^{[ 12 ]}

สารประกอบเหล็ก(II) มีเสถียรภาพน้อยกว่าสารประกอบเหล็ก(III) แต่ความชอบสำหรับ ลิแกนด์ที่ให้ O นั้นไม่เด่นชัดนัก ดังนั้นตัวอย่างเช่น[ Fe(NH ) ] ²⁺จึงเป็นที่รู้จัก ในขณะที่[ Fe(NH ) ] ³⁺ไม่เป็นที่รู้จัก สารประกอบเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะถูกออกซิไดซ์เป็นเหล็ก(III) แต่สามารถควบคุมได้ด้วยค่า pH ต่ำและลิแกนด์เฉพาะที่ใช้^{[ 17 ]}

เคมีออร์กาโนไอออนคือการศึกษาเกี่ยวกับสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกของเหล็ก ซึ่งอะตอมของคาร์บอนจะเชื่อมต่อกับอะตอมของโลหะด้วยพันธะโควาเลนต์ สารประกอบเหล่านี้มีมากมายและหลากหลาย รวมถึงสารประกอบเชิงซ้อนไซยาไนด์สารประกอบเชิงซ้อนคาร์บอนิลสารประกอบแบบแซนด์วิชและสารประกอบแบบฮาล์ฟแซนด์วิช

สีน้ำเงินปรัสเซียหรือ "เฟอร์ริกเฟอร์โรไซยาไนด์" Fe [Fe(CN) ] เป็นสารประกอบเหล็กไซยาไนด์ที่เก่าแก่และเป็นที่รู้จักกันดี ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะเม็ดสีและในการใช้งานอื่นๆ อีกหลายอย่าง การก่อตัวของสารนี้สามารถใช้เป็นการทดสอบทางเคมีแบบเปียกอย่างง่ายเพื่อแยกแยะระหว่างสารละลายในน้ำของ Fe ²⁺และ Fe ³⁺เนื่องจากสารเหล่านี้ทำปฏิกิริยา (ตามลำดับ) กับโพแทสเซียมเฟอร์ริไซยาไนด์และโพแทสเซียมเฟอร์โรไซยาไนด์เพื่อสร้างสีน้ำเงินปรัสเซีย^{[ 7 ]}

ตัวอย่างเก่าอีกตัวอย่างหนึ่งของสารประกอบออร์กาโนไอออนคือเหล็กเพนตาคาร์บอนิล Fe(CO) ซึ่งอะตอมเหล็กที่เป็นกลางจะจับกับอะตอมคาร์บอนของ โมเลกุล คาร์บอนมอนอกไซด์ ห้าโมเลกุล สารประกอบนี้สามารถใช้ทำ ผง เหล็กคาร์บอนิลซึ่งเป็นเหล็กโลหะที่มีปฏิกิริยาสูงการสลายตัวด้วยความร้อนของเหล็กเพนตาคาร์บอนิลจะให้ ไตร เหล็กโดเดคาคาร์บอนิลFe (CO) ซึ่งเป็นสารเชิงซ้อนที่มีกลุ่มอะตอมเหล็กสามอะตอมอยู่ที่แกนกลาง รีเอเจนต์ของคอลแมน ไดโซเดียมเตตระคาร์บอนิลเฟอร์เรต เป็นรีเอเจนต์ที่มีประโยชน์สำหรับเคมีอินทรีย์ ประกอบด้วยเหล็กในสถานะออกซิเดชัน −2 ไดเมอร์ไซโคลเพนตาไดอีนิลเหล็กไดคาร์บอนิลประกอบด้วยเหล็กในสถานะออกซิเดชัน +1 ที่หายาก^{[ 23 ]}

สูตรโครงสร้างของเฟอร์โรซีนและตัวอย่างผง

การค้นพบที่สำคัญในสาขานี้คือการค้นพบสารประกอบแซนด์วิชเฟอร์โรซีนFe(C H ) ที่มีเสถียรภาพอย่างน่าทึ่งในปี พ.ศ. 2494 โดย Pauson และ Kealy ^{[ 24 ]}และโดยอิสระโดย Miller และเพื่อนร่วมงาน^{[ 25 ]}ซึ่งโครงสร้างโมเลกุลที่น่าประหลาดใจนี้ได้รับการกำหนดเพียงหนึ่งปีต่อมาโดยWoodwardและWilkinson ^{[ 26 ]}และFischer ^{[ 27} ] เฟอร์โรซีนยังคง ^เป็น หนึ่งในเครื่องมือและแบบจำลองที่สำคัญที่สุดในกลุ่มนี้^{[ 28 ]}

สารประกอบออ ร์กาโนเมทัลลิกที่มีเหล็กเป็นศูนย์กลางถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตัวอย่างเช่นคอมเพล็กซ์ Knölker เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การถ่ายโอนไฮโดรเจนสำหรับคีโตน^{[ 29 ]}

สารประกอบเหล็กที่ผลิตในปริมาณมากที่สุดในอุตสาหกรรมคือเหล็ก(II)ซัลเฟต FeSO₄ 7H₂O ) และเหล็ก(III)คลอไรด์ (FeCl₃ สารประกอบเหล็ก (II)ซัลเฟตเป็นหนึ่งในแหล่งเหล็ก(II) ที่หาได้ง่ายที่สุด แต่มีความเสถียรต่อการออกซิเดชันในอากาศน้อยกว่าเกลือของ Mohr ( (NH₄ ₂Fe SO₄ ₂ 6H₂O ) สารประกอบ เหล็ก(II) มีแนวโน้มที่จะถูกออกซิได เป็นสารประกอบเหล็ก(III) ในอากาศ^{[ 7 ]}

• หมวดหมู่: สารประกอบเหล็ก
• สารประกอบโคบอลต์