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鉄：元素の性質と用途
鉄とは何か？
--鉄という元素
鉄(Fe)は地球上で最も頻度が高く、どこにでも存在する元素であり、人類の技術進歩の基礎となっている。鉄は遷移元素で、主に地殻中のヘマタイト（Fe₂O₃）やマグネタイト（Fe₃O₄）といった鉱物の形で発見される。工業的利用は別として、鉄は生物学的プロセスにおいて基本的な役割を果たすため、生物にとって不可欠である。例えば人間では、酸素運搬に利用される赤血球タンパク質であるヘモグロビンの主要成分である。鉄の生物学的および技術的な二重の意義は、鉄が人類にとって最も貴重な元素のひとつである理由のひとつである。
--鉄の金属と合金
鉄の合金と金属は、現代の工業および工学設計の基礎となっている。純粋な鉄は非常に延性があり柔らかいが、他の元素と混合すると、より強く、耐久性があり、耐摩耗性、耐食性になる。主に鋼鉄と鋳鉄の2種類に分類され、それぞれに異なる特性と用途があります。
鉄の歴史
鉄は、人類が生きていく過程で不可欠な要素であった。紀元前1200年頃に始まった鉄器時代は、人々が青銅器から鉄でできた道具や武器を使うようになり、農業、戦争、建築を変えた革命の時代でした。何世紀にもわたり、製錬や合金化といった精錬工程を経て、人々は鉄をより自在に操れるようになり、その結果、今日使用されているさまざまな鉄ベースの金属や合金が生まれたのである。
鉄合金と金属の特性
--化学的性質
鉄は化学的に非常に反応性が高く、特に酸素と反応すると一般的に錆として知られる酸化鉄を生成する。錆は、鉄系製品を使用・保管する際の最大の問題の一つであろう。鉄には通常2つの安定した酸化数があります：+2（第一鉄）と+3（第二鉄）である。これらの酸化数は、酸と反応する場合など、ほとんどの化学反応にとって極めて重要です。
例えば、鉄を塩酸で処理すると、塩化鉄と水素ガスが生成される。高温になると、鉄は炭素と反応し、現代の建築や製造の基礎である鋼鉄を生成する。純鉄は合金よりも反応性が低いが、大気条件や不純物元素の混入が化学的挙動に大きく影響することがある。
--物性データ表
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物性値 |
値 |
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原子番号 |
26 |
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原子質量 |
55.845 u |
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密度 |
7.87 g/cm³ |
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1,538 °C |
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沸点 |
2,862 °C |
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外観 |
メタリックグレーまたは銀色 |
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電気伝導率 |
中程度 |
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磁気特性 |
磁性 |
詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
製鉄とその他の鉄の一般的用途
鉄の重要な工業的用途は、建設、輸送、機械に使用される最も普遍的な金属である鋼鉄の生産である。鉄鋼は、鉄の硬度や強度と延性を兼ね備えており、梁、棒、板などの構造材に利用される。鋳鉄も主要な製品で、熱伝導性と圧縮強度が評価されている。鋳鉄は、エンジンブロック、パイプ、調理器具、重機などに使われている。
鉄は生物学的にも重要な意味を持つ。鉄はヘモグロビンとミオグロビンという血液や筋肉に酸素を供給するタンパク質の必須成分である。鉄がないと、人間や他の生物は貧血などの病気にかかりやすくなり、酸素供給やエネルギー生産が妨げられる。
調製方法
鉄の工業生産は通常、鉄鉱石から始まり、鉄鉱石は抽出され、製錬によって精製される。鉄鉱石は、コークス（炭素）と石灰石とともに高炉で製錬される。高熱で鉄鉱石と不純物が分離され、溶けた鉄ができる。鉄鉱石は精製されたり、鉄鋼や他の鉄化合物を形成するために組み合わされたりする。
直接還元法は、より環境に優しい代替方法として、近年ますます普及している。直接還元法は、水素またはその他の還元剤を使用して鉱石を還元し、鉄を抽出する方法であり、製錬よりも炭素排出量が少ない。
よくある質問
鉄の主な産業用途は何ですか？
鉄は、その強度、柔軟性、信頼性が評価され、建設、輸送、製造などの用途に使用されています。
鋳鉄は鋼鉄とどう違うのですか？
鋳鉄は炭素を多く含むためもろいですが、圧縮志向の使用や保温には理想的です。鋼鉄はより強く耐久性があり、構造的・機械的用途の両方でより多くの用途に利用することができます。
鉄の生産に関する環境問題とは？
旧式の製錬はCO₂排出と廃棄物処理を発生させる。水素による直接還元のような新しい方法は、環境への影響を最小限に抑えます。
鉄は人体でどのように機能するのか？
鉄は、赤血球内で酸素を運ぶヘモグロビンを生成するために必要です。健康な血液を維持し、貧血を予防するためには、健康なレベルの鉄の摂取が必要である。
Chin Trento
