鉄：元素の性質と用途
解説
鉄は、その強度、導電性、汎用性で知られる基本的な金属です。その化学的、物理的特性、主な用途、建設、製造、エンジニアリングなどの産業における重要な役割について解説します。
元素の紹介
鉄（Fe）は地球上で最も豊富な元素のひとつです。鉄はその強度、展性、様々な合金を形成する能力で知られる金属であり、特に鋼鉄が有名である。鉄は何千年もの間、人類によって道具、建築、機械などに使われており、現代文明の礎となっている。
鉄は遷移金属に分類され、ヘマタイトやマグネタイトのような鉱物の形で地殻に存在する。生物学的システム、特に赤血球内の酸素輸送において重要な役割を果たしている。
化学的性質
鉄は非常に反応性が高く、特に酸素にさらされたときに顕著である。この反応性は錆（酸化鉄）の形成につながり、これは鉄系材料にとって一般的な問題である。化学結合に関しては、鉄は通常2つの一般的な酸化状態を形成する：+2（第一鉄）と+3（第二鉄）である。
鉄は酸と反応すると溶解し、鉄塩を形成する。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。高温では、鉄は炭素とも反応し、鉄鋼生産の基礎となる。
鉄は純粋な状態では反応性が低いが、他の元素と合金化したり、異なる環境条件にさらされたりすると反応性が高くなる。
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。.
一般的な用途
鉄は主に鋼鉄の生産に使用され、建設、自動車、機械に使用される最も一般的な金属です。鉄の強度と耐久性は、梁、棒、板などの構造材料に理想的です。また、鉄は保温性が高いため、エンジン、パイプ、調理器具などの鋳鉄製品の製造にも使われる。
工業的用途に加え、鉄は多くの生物の生物学的システム、特にヘモグロビンの重要な構成要素である人間の血液において重要な役割を果たしている。
調製方法
鉄は通常、製錬と呼ばれる工程を経て鉄鉱石から得られる。この工程では、鉱石をコークス（炭素）と石灰石とともに高炉で加熱する。高温によって鉄鉱石は不純物から分離し、溶けた鉄が残る。この溶けた鉄をさらに精錬したり、合金化したりして、鉄鋼やその他の鉄ベースの製品を作ることができる。
鉄鉱石を還元するために水素やその他の物質を使用する直接還元法などの新しい鉄生産方法もあり、より環境に優しい鉄抽出の選択肢を提供している。
関連工業製品
鉄は、以下のような様々な工業製品に不可欠である：
- 鉄鋼：鉄鋼：鉄の最も重要な製品で、建設、運輸、各種製造業に使われる。
- 鋳鉄：その耐久性と保温性から、エンジン、機械、調理器具などに使われる。
- 鉄合金：工具、磁石、各種機械部品など。
- 酸化鉄：塗料やコーティング剤の顔料として使用される。
これらの製品は、現代のインフラや産業に不可欠であり、世界経済の基盤に貢献している。
よくある質問
産業における鉄の主な用途は何ですか？
産業における鉄の主な用途は鉄鋼の生産です。鉄鋼はその強度と汎用性により、建設、輸送、製造に使用されます。
鉄はどのようにして鉱石から抽出されるのですか？
高炉で鉄鉱石をコークスと一緒に加熱し、鉄と不純物を分離します。
鋳鉄と鋼鉄の違いは何ですか？
鋳鉄はもろく、炭素含有量が多いため、調理器具やエンジン部品など特定の用途に適しています。鋼鉄はより強く、より柔軟で、より幅広い用途に使用されます。
鉄の生産に伴う環境への懸念は？
鉄の生産、特に製錬による生産は、CO2の排出や廃棄物の発生を含む公害の原因となる可能性があります。水素を使った直接還元法などの新しい方法は、こうした環境への影響を減らすことを目的としています。
鉄は人体でどのような役割を果たしているのか？
鉄は赤血球中のヘモグロビンの主要成分であり、全身への酸素運搬を助ける。健康な血液を維持し、貧血を予防するために不可欠です。
