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マンガン コバルト
-

Fe

Ru
Element 1: 水素 (H), 非金属
Element 2: ヘリウム (He), 希ガス
Element 3: リチウム (Li), アルカリ金属
Element 4: ベリリウム (Be), 卑金属
Element 5: ホウ素 (B), 金属
Element 6: 炭素 (C), 非金属
Element 7: 窒素 (N), 非金属
Element 8: 酸素 (O), 非金属
Element 9: フッ素 (F), ハロゲン
Element 10: ネオン (Ne), 希ガス
Element 11: ナトリウム (Na), アルカリ金属
Element 12: マグネシウム (Mg), 卑金属
Element 13: アルミニウム (Al), 卑金属
Element 14: ケイ素 (Si), 金属
Element 15: リン (P), 非金属
Element 16: 硫黄 (S), 非金属
Element 17: 塩素 (Cl), ハロゲン
Element 18: アルゴン (Ar), 希ガス
Element 19: カリウム (K), アルカリ金属
Element 20: カルシウム (Ca), アルカリ土類金属
Element 21: スカンジウム (Sc), 遷移金属
Element 22: チタン (Ti), 遷移金属
Element 23: バナジウム (V), 遷移金属
Element 24: クロム (Cr), 遷移金属
Element 25: マンガン (Mn), 遷移金属
Element 26: 鉄 (Fe), 遷移金属
Element 27: コバルト (Co), 遷移金属
Element 28: ニッケル (Ni), 遷移金属
Element 29: 銅 (Cu), 遷移金属
Element 30: 亜鉛 (Zn), 卑金属
Element 31: ガリウム (Ga), 卑金属
Element 32: ゲルマニウム (Ge), 金属
Element 33: ヒ素 (As), 金属
Element 34: セレン (Se), 非金属
Element 35: 臭素 (Br), ハロゲン
Element 36: クリプトン (Kr), 希ガス
Element 37: ルビジウム (Rb), アルカリ金属
Element 38: ストロンチウム (Sr), アルカリ土類金属
Element 39: イットリウム (Y), 遷移金属
Element 40: ジルコニウム (Zr), 遷移金属
Element 41: ニオブ (Nb), 遷移金属
Element 42: モリブデン (Mo), 遷移金属
Element 43: テクネチウム (Tc), 遷移金属
Element 44: ルテニウム (Ru), 遷移金属
Element 45: ロジウム (Rh), 遷移金属
Element 46: パラジウム (Pd), 遷移金属
Element 47: 銀 (Ag), 遷移金属
Element 48: カドミウム (Cd), 卑金属
Element 49: インジウム (In), 卑金属
Element 50: スズ (Sn), 卑金属
Element 51: アンチモン (Sb), 金属
Element 52: テルル (Te), 金属
Element 53: ヨウ素 (I), ハロゲン
Element 54: キセノン (Xe), 希ガス
Element 55: セシウム (Cs), アルカリ金属
Element 56: バリウム (Ba), アルカリ土類金属
Element 57: ランタン (La), ランタノイド
Element 58: セリウム (Ce), ランタノイド
Element 59: プラセオジム (Pr), ランタノイド
Element 60: ネオジム (Nd), ランタノイド
Element 61: プロメチウム (Pm), ランタノイド
Element 62: サマリウム (Sm), ランタノイド
Element 63: ユウロピウム (Eu), ランタノイド
Element 64: ガドリニウム (Gd), ランタノイド
Element 65: テルビウム (Tb), ランタノイド
Element 66: ジスプロシウム (Dy), ランタノイド
Element 67: ホルミウム (Ho), ランタノイド
Element 68: エルビウム (Er), ランタノイド
Element 69: ツリウム (Tm), ランタノイド
Element 70: イッテルビウム (Yb), ランタノイド
Element 71: ルテチウム (Lu), ランタノイド
Element 72: ハフニウム (Hf), 遷移金属
Element 73: タンタル (Ta), 遷移金属
Element 74: タングステン (W), 遷移金属
Element 75: レニウム (Re), 遷移金属
Element 76: オスミウム (Os), 遷移金属
Element 77: イリジウム (Ir), 遷移金属
Element 78: 白金 (Pt), 遷移金属
Element 79: 金 (Au), 遷移金属
Element 80: 水銀 (Hg), 卑金属
Element 81: タリウム (Tl), 卑金属
Element 82: 鉛 (Pb), 卑金属
Element 83: ビスマス (Bi), 卑金属
Element 84: ポロニウム (Po), 金属
Element 85: アスタチン (At), ハロゲン
Element 86: ラドン (Rn), 希ガス
Element 87: フランシウム (Fr), アルカリ金属
Element 88: ラジウム (Ra), アルカリ土類金属
Element 89: アクチニウム (Ac), アクチノイド
Element 90: トリウム (Th), アクチノイド
Element 91: プロトアクチニウム (Pa), アクチノイド
Element 92: ウラン (U), アクチノイド
Element 93: ネプツニウム (Np), アクチノイド
Element 94: プルトニウム (Pu), アクチノイド
Element 95: アメリシウム (Am), アクチノイド
Element 96: キュリウム (Cm), アクチノイド
Element 97: バークリウム (Bk), アクチノイド
Element 98: カリホルニウム (Cf), アクチノイド
Element 99: アインスタイニウム (Es), アクチノイド
Element 100: フェルミウム (Fm), アクチノイド
Element 101: メンデレビウム (Md), アクチノイド
Element 102: ノーベリウム (No), アクチノイド
Element 103: ローレンシウム (Lr), アクチノイド
Element 104: ラザホージウム (Rf), 遷移金属
Element 105: ドブニウム (Db), 遷移金属
Element 106: シーボーギウム (Sg), 遷移金属
Element 107: ボーリウム (Bh), 遷移金属
Element 108: ハッシウム (Hs), 遷移金属
Element 109: マイトネリウム (Mt), 遷移金属
Element 110: ダームスタチウム (Ds), 遷移金属
Element 111: レントゲニウム (Rg), 遷移金属
Element 112: コペルニシウム (Cn), 卑金属
Element 113: ウンウントリウム (Uut), 卑金属
Element 114: フレロビウム (Fl), 卑金属
Element 115: ウンウンペンチウム (Uup), 卑金属
Element 116: リバモリウム (Lv), 卑金属
Element 117: ウンウンセプチウム (Uus), ハロゲン
Element 118: ウンウンオクチウム (Uuo), 希ガス
Iron has a body-centered cubic crystal structure
26Fe
外見
銀白色
Iron electrolytic and 1cm3 cube.jpg
Iron Spectrum.jpg
鉄のスペクトル線
一般特性
名称, 記号, 番号 鉄, Fe, 26
分類 遷移金属
, 周期, ブロック 8, 4, d
原子量 55.845(2) g·mol-1
電子配置 [Ar] 3d6 4s2
電子殻 2, 8, 14, 2(画像
物理特性
固体
密度室温付近) 7.874 g·cm-3
融点での液体密度 6.98 g·cm-3
融点 1811 K, 1538 °C, 2800 °F
沸点 3134 K, 2862 °C, 5182 °F
融解熱 13.81 kJ·mol-1
蒸発熱 340 kJ·mol-1
熱容量 (25 °C) 25.10 J·mol-1·K-1
蒸気圧
圧力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温度 (K) 1728 1890 2091 2346 2679 3132
原子特性
酸化数 6, 5[1], 4, 3, 2, 1 [2], −1, −2
(両性酸化物)
電気陰性度 1.83(ポーリングの値)
イオン化エネルギー
詳細
第1: 762.5 kJ·mol-1
第2: 1561.9 kJ·mol-1
第3: 2957 kJ·mol-1
原子半径 126 pm
共有結合半径 132±3 (低スピン), 152±6 (高スピン) pm
その他
結晶構造 体心立方
磁性 強磁性
1043 K
電気抵抗率 (20 °C) 96.1 nΩ·m
熱伝導率 (300 K) 80.4 W·m-1·K-1
熱膨張率 (25 °C) 11.8 µm·m-1·K-1
音の伝わる速さ
(微細ロッド)
(r.t.) (electrolytic) 5120 m·s-1
ヤング率 211 GPa
剛性率 82 GPa
体積弾性率 170 GPa
ポアソン比 0.29
モース硬度 4
ビッカース硬度 608 MPa
ブリネル硬度 490 MPa
CAS登録番号 7439-89-6
最安定同位体
詳細は鉄の同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
54Fe 5.8 % > 3.1×1022 y εε  ? 54Cr
55Fe syn 2.73 y ε 0.231 55Mn
56Fe 91.72 % 中性子30個で安定
57Fe 2.2 % 中性子31個で安定
58Fe 0.28 % 中性子32個で安定
59Fe syn 44.503 d β 1.565 59Co
60Fe syn 2.6×106 y β 3.978 60Co

(てつ、旧字体/繁体字表記:: iron: ferrum)は原子番号26の元素。元素記号は Fe金属元素の一つで、遷移元素である。太陽や他の天体にも豊富に存在し、地球の地殻の約5%を占め、大部分は地核にある。古代には地表に落下してきた隕鉄が使われた。

概要[編集]

元素記号の Fe は、ラテン語での名称「ferrum」に由来する。日本語では、鈍いさから「くろがね(黒鉄、黒い金属)」と呼ばれていた。

道具の材料として、人類にとって最も身近な金属元素の1つで、様々な器具・工具や構造物に使われる。鉄を最初に使い始めたのはヒッタイトである。ヒッタイト以前の紀元前18世紀ごろ、すでに製鉄技術があったことが発掘された鉄によって明らかになっている。鉄器時代以降、鉄は最も重要な金属の1つであり、産業革命以降、益々その重要性は増した。鉄は、炭素などの合金元素の存在により、より硬いとなり構造物を構成する構造用鋼などや、工具鋼などの優れたトライボロジー材料にもなる。

性質[編集]

純粋な鉄は白い金属光沢を放つが、イオン化傾向が高いため、湿った空気中では容易にを生じ、見かけ上黒ずんだり褐色になったりする。一方、極めて純度の高い (99.9999 %) 鉄は、比較的高いイオン化傾向を有するにも拘らず、塩酸王水などのに侵されにくくなるうえ、液体ヘリウム温度(-268.95℃)でも失われないほどの高い可塑性を有するようになる[3]。この超高純度鉄東北大学金属材料研究所の安彦兼次客員教授により、電解鉄を超高真空中で溶解し、電子銃を用いた浮遊帯溶融精製で処理することにより1999年に製造に成功し[4][5]2011年に日本とドイツの標準物質データベースに登録された[6]

固体の純鉄は、フェライト相BCC構造)、オーステナイト相FCC構造)、デルタフェライト相(BCC構造)の3つの[要曖昧さ回避]がある。911 °C以下ではフェライト、911 - 1392 °Cはオーステナイト、1392 - 1536 °Cはデルタフェライト、1536 °C以上は液体の純鉄となる。常温常圧ではフェライトが安定である。強磁性体であるフェライトがキュリー点を超えたところからオーステナイト領域までの770 - 911 °Cの純鉄の相は、以前はβ鉄と呼ばれていた。

栄養学的には、鉄は[要曖昧さ回避](生体)にとって必須の元素である。鉄分を欠くと、血液中の赤血球数やヘモグロビン量が低下し、貧血などを引き起こす。で吸収される鉄は二価のイオンのみであり、3価の鉄イオンは2価に還元されてから吸収される。鉄分を多く含む食品はホウレンソウレバーなどである。動物性の食物起源の鉄の方が吸収効率が高い。ただし、過剰に摂取すると鉄過剰症になることもある。

同位体[編集]

自然の鉄の同位体比率は、5.845 %の安定な 54Fe、91.754 %の安定な 56Fe、2.119 %の安定な 57Fe、0.282 %の安定な 58Fe からなる。60Fe は不安定で比較的短寿命(半減期150万年)なため、自然の鉄中には存在しない。理論的に予測される 54Fe の二重β崩壊の検出は未確定である[7]58Fe と 56Fe の原子核は非常に安定(核子1つあたりの質量欠損が大きい)であり、全ての原子核の中でそれぞれ2番目と3番目に安定である(最も安定な核種は62Ni)[8][9]

しばしば全ての原子核の中で 56Fe が最も安定とされることがあるが、これは誤りである。このような誤解が広まった理由として、56Fe の天然存在比が 62Ni や 58Fe よりもはるかに高いことに加え、核子1つあたりの質量を比較した場合には 56Fe が全原子核中で最小となることが挙げられる。中性子の方が陽子よりもわずかに重いため、核子1つあたりの質量が最小となる核種と質量欠損が最大になる核種は一致しない。また、下記のように恒星の核融合の最終生成物が 56Fe であることを「鉄が最も安定であるため」と便宜的に説明されることがあることも誤解を招いていると考えられる。

58Fe よりも不安定な 56Fe のほうが存在比が高い理由は、星の元素合成の過程で質量数が4の倍数の核種が主に作られるためである。炭素より重い元素は 4He の融合(アルファ反応)によって作られるために生成する核種の質量数は4の倍数に偏る。太陽質量の4 - 8倍の質量を持った恒星ではアルファ反応は 56Ni まで進行するが、次の 60Zn の原子核は 56Ni よりも不安定なため、これ以上は反応が進行しない。56Ni は2度のβ崩壊を経て 56Fe を生成するため、恒星の核融合の最終生成物は 56Fe になる(詳しくはIa型超新星参照のこと)。鉄より重い核種も超新星爆発等であわせて生成するが、その生成プロセスは明確になっていない。

鉄の「臭い」[編集]

鉄棒などの鉄製品を手に持つと、手に特有の臭いが付く。これは俗に「金属臭」、「鉄の臭い」と呼ばれるが、原因は鉄そのものではない(鉄は常温では揮発しない)。研究により、人体のに含まれる皮脂分解物と鉄イオンが反応して生じる炭素数7-10の直鎖アルデヒド類や1-オクテン-3-オンなどの有機化合物、そしてメチルホスフィンジメチルホスフィンなどのホスフィン類がこの臭いの原因であることが確認されている[10][11]

用途[編集]

産業[編集]

セヴァーン川にかかるコールブルックデール橋。世界初の鉄橋とされる。

安価で比較的加工しやすく、入手しやすい金属であるため、人類にとって最も利用価値のある金属元素である。特に産業革命以後は産業の中核をなす材料であり、「産業の米」などとも呼ばれ、「鉄は国家なり」と呼ばれる程、鉄鋼の生産量は国力の指標ともなった。この為、鉄鋼産業には政府の桿入れも大きく、第二次世界大戦後の世界的な経済発展にも大きく影響している。現在においても工業生産されている金属の大半は鉄鋼であり、鉄を含まない金属は非鉄金属と呼ばれる。

鉄は、炭素をはじめとする合金元素を添加することでとなり、炭素量や焼入れなどを行うことなどで硬度を調節できる極めて使い勝手の良い素材となる。鋼は古くから刃物の素材として使われ、ほとんどの機械は鉄鋼を主な素材とする。さらに鉄鋼は、鉄道レールの素材となるほか、鉄筋鉄骨、鋼矢板などとして建築物土木構築物の構造用部材に使われ大量に消費されている。

鉄に炭素とさまざまな微量金属を加えることで、多様な優れた特性を持つ合金鋼が生み出される。鉄とクロムニッケルの合金であるステンレス鋼は腐食しにくく強度が高く、なおかつ見た目に美しく比較的安価な合金として知られる。このため、ステンレス鋼に加工された鉄は、液体や気体を通すパイプ、液体や粉体を貯蔵するタンク[要曖昧さ回避]流し台、建築資材などにも用いられるほか、包丁などの生活用具、家電製品、鉄道車両自動車部品、産業ロボットなど、あらゆる分野に利用されている。また、工具鋼は固体材料の中で最も強度増幅能力が高く超硬材料と比べても高い曲げ強度を有するため、不変形特性が重要でかつ加工形状の自由度が要求される金型に多用される。金属材料で最も熱膨張係数が低いインバー合金、最強の保磁力を持つ磁性材料(ネオジム磁石)も鉄を含む。

他にも、鉄化合物インク絵具などの顔料として、赤色顔料ベンガラ青色顔料のプルシアンブルーなどとして使われる。

鉄は強い磁性を持つため、不燃物からの回収が容易であり、再利用率も高い。屑鉄として回収された鉄は、電気炉で再び鉄として再生される。

製法[編集]

産出[編集]

大規模な鉄鉱床は、光合成により酸素単体が大量に発生したことにより、海水中に溶存しイオン化していた鉄が、酸化鉄として沈殿したことにより産み出されたと言われている。

選鉱[編集]

製錬[編集]

宋応星が著した「天工開物」の1頁。攪拌精錬法による製鉄方法を解説している。

鉄の製錬はしばしば製鉄と呼ばれる。簡単にいえば、鉄鉱石に含まれる様々な酸化鉄から酸素を除去して鉄を残す、一種の還元反応である。アルミニウムチタンと比べて、化学的に比較的小さなエネルギー量でこの反応が進むことが、現在までの鉄の普及において決定的な役割を果たしている。この工程には比較的高い温度(千数百度)の状態を長時間保持することが必要なため、古代文化における製鉄技術の有無は、その文化の技術水準の指標の1つとすることができる。

製鉄は2つ、もしくは加工まで加えた3つの工程からなる。鉄鉱石とコークスから炭素分の多い銑鉄を得る製銑、銑鉄などから炭素を取り除き炭素分の少ないを作る製鋼、さらに圧延である[12]。製銑には古くは木炭が使われていたが、中国では、前漢時代に燃料として石炭の利用が進み、更に石炭を焼いて硫黄などの不純物を取り除いたコークスを発明、コークスを使った製鉄が始められた[13]。文献記録としては4世紀北魏でコークスを使った製鉄の記録が最も早い[14]。以来、華北では時代と共にコークス炉が広まり北宋初期には大半がコークス炉となった。その1000年以上の後、森林が減ったことから1620年頃にイギリスのダッド・ダドリー英語版 (Dud Dudley) も当時安価に手に入った石炭を使うことを考えて研究を進めた。石炭には硫黄分が多く、そのままでは鉄に硫黄が混ざり使い物にならなかったので、ダッドは石炭を焼いて硫黄などの不純物を取り除いたコークスを発明し、1621年にコークスを使った製鉄方法の特許を取った。しかし1709年からエイブラハム・ダービーが大々的にコークスで製鉄することを始めるまでは、コークスを使った製鉄の使用は少数にとどまっていた[15]

日本では古来からたたら吹き(鑪吹き、踏鞴吹き、鈩吹き)と呼ばれる製鉄技法が伝えられている。現在では島根県安来市の山中奥出雲町等の限られた場所で日本刀の素材製造を目的として半ば観光資源として存続しているが、それと並存し和鋼の進化の延長上にもある先端的特殊鋼に特化した日立金属安来工場がある。鉄鉱石を原料とする日本の近代製鉄は1858年1月15日旧暦1857年(安政4年)12月1日)に始まったと言われ、幕末以降欧米から多数の製鉄技術者が招かれ日本の近代製鉄は急速に発展した。現在の日本では、鉄鉱石から鉄を取り出す高炉法スクラップから鉄を再生する電炉法で大半の鉄鋼製品が製造されている。高炉から転炉連続鋳造工程を経て最終製品まで、一連の製鉄設備が揃った工場群のことを銑鋼一貫製鉄所(もしくは単に製鉄所)と呼び、臨海部に大規模な製鉄所が多数立地していることが、日本の鉄鋼業の特色となっている。日本では電炉法による製造比率が粗鋼換算で30 %強を占める。鉄が社会を循環する体制が整備されており、鉄のリサイクル性の高さと日本における鉄蓄積量の大きさを示している。鉄スクラップは天然資源に乏しい日本にとって貴重な資源であり、これをどう利用するかが、注目されるべき課題とされている。

新製鉄法[編集]

イギリスのコークス炉を用いた製鉄工場の絵。フィリップ・ジェイムズ・ド・ラウザーバーグ画(1801年)
製鉄百年記念切手 (日本)

従来の高炉法の場合、下記の欠点があった。

  • 銑鉄を製造するだけでも高炉のほかにコークス炉(石炭を乾留)・焼結炉が必要であり、また反応速度も8時間かかり、巨大設備投資が必要な割りに生産量が少ない。
  • コークスを製造できる石炭は石炭の中の極一部である粘結炭(原料炭)だけであり、もともと価格が高かった。近年資源メジャーによる原料炭鉱山の買占めのため、単年度で原料炭価格が2倍に上昇するなど大きなコスト上昇要因となっている。高炉法に羽口からの非粘結炭(一般炭)吹き込みを併用しても、価格の安い一般炭の使用比率は全石炭使用量の25 - 30 %程度が限界である。
  • 鉄鉱石価格は塊鉱石が高価で粉鉱石が安価であるが、高炉で粉鉱石を使う場合焼結炉で塊に焼き固めなければならない。その結果、焼結炉が必要で焼結工程で燃料を消費してコストが掛かるのみならず二酸化炭素を発生させてしまう。
  • 酸素濃度を多少増やす工夫もされているが基本は空気を吹き込む製鉄法である。反応速度が遅いほか、C1化学の立場からは製鉄排ガスに窒素が混入する事が、製鉄排ガスの化学工業的・商業的価値を落とし、製鉄排ガス(合成ガス)を原料とした大規模な自動車燃料合成、燃料自給率向上を妨げているとの批判もある。

最近提案/実用化されている製鉄法[編集]

溶融還元製鉄法
溶融還元炉では粉状の一般炭を酸素吹きで燃焼させ高温の一酸化炭素ガスを発生させ、予備還元した粉鉄鉱石を一気に還元し溶かして溶けた銑鉄を造る。溶融還元炉を出た一酸化炭素ガスは流動床/回転炉/シャフト炉で鉄鉱石を予備還元する。予備還元炉を出た一酸化炭素ガスは石炭乾燥空気の加熱などを経て、発電やスラブの再加熱、化学原料などに使用される。
利点
  • コークス炉、焼結炉が不要で、反応速度が速く比較的小さな溶融還元炉で大きな生産能力を持つために製鉄所新設の設備投資が高炉法より安くつく。
  • 一般炭100 %使用可能なため、資源メジャーの原料炭値上げで大きな損害を出さなくて済む。製鉄だけを目的とするなら半無煙炭などの炭素含有量の高い石炭を使えば、投入原単位を節約できるが、副生ガスを化学工業原料として販売できる立地なら、より安価な高揮発分石炭でガス産出を増やす事もできる。
  • 予備還元炉の一部に流動床か回転炉を使えば、安価な粉鉱石も使える。
  • 酸素製鉄の場合、発生する還元ガスである一酸化炭素に窒素が混入しないため、燃料としてもカロリーが高いばかりでなく、C1化学の出発原料である合成ガスとして活用できる。日本の製鉄石炭消費は年間1億tに及び、その排ガスを活用してフィッシャー・トロプシュ法で軽油を生産したり、メタノールを生産した場合数千万tの自動車燃料を自給できる可能性があると言われている。
  • 鉄ガス併産・化学とのコプロダクション(資源エネルギー庁省エネルギー技術戦略 9P参照
課題
  • 日米欧とも蒸留設備は過剰気味である。日米欧とも鉄鋼需要は大きな成長はない。需要の増大している中国インドでは国産鉄鋼の価格が安く冷延鋼板より上流の製品では日米欧製品は価格が高すぎて売れないので、日本鉄鋼メーカーの設備投資は亜鉛/錫メッキ鋼板設備など下流高級用途に集中している。中国では熱効率が悪く二酸化炭素排出が多い中小高炉が乱立する様相を示しており、地球環境の視点からは、製鉄企業の適正な合併指導と新製鉄法の技術供与が望まれるが、それは中国インド産鋼鉄の価格競争力を高め、日本産鉄鋼の価格競争力が地盤沈下するブーメラン効果の原因ともなりうる(中国鉄鋼生産の現状と神戸製鋼の対中技術供与)。
  • 鉄鋼会社が溶融還元法に転換すると、現在コークスを鉄鋼企業に納品している企業はコークス炉の経営が立ち行かなくなる。そのため、現在稼動中のコークス炉が40年の寿命を迎える2015年まで溶融還元製鉄の導入は困難と見られていたが、昨今の原料炭価格の急激な上昇、韓国浦項総合製鉄の溶融還元製鉄炉操業開始など、切替え前倒しが必要になるかもしれない事象が起きている。
  • 技術的には酸化鉄による炉壁の溶損の解決が課題の一つのようである。
  • 酸素製鉄法は膨大な酸素を消費する。東京湾・伊勢湾・大阪湾のような液化天然ガスの大消費地であれば液化天然ガスの冷熱利用で低コストに酸素を量産できる可能性があるが、そうでない場合、空気の分留によって酸素を製造するのに多大な電力を消費する。
炭材内装塊の高速自己還元技術
粉炭と粉鉱石を加熱成型した塊を高炉に装填した場合、コークスと塊鉱石を交互装填した場合の5倍の速さで還元反応が進む。また同様の混合ペレットを溶融還元炉に使用した場合、炉壁溶損原因となる FeO の溶出が3 %で済むという。回転炉によるITmk3法も後述のフロートスメルター法も同技術を使用しているとのこと。
フロートスメルター法
粉炭に窪みを作り、粉炭と粉鉱石と石灰を混合したものを窪みに充填し周囲の石炭を燃焼して加熱する。
特徴
  • 50万トン/年規模の小型プラントに適する。炭素の酸化発熱は炭素>一酸化炭素より一酸化炭素>二酸化炭素の発熱量が大であり、石炭を CO2 まで酸化することで石炭の使用原単位が減り、CO2 の半減効果が得られる。ただし、発生するガスは二酸化炭素なので化学合成には使えない。

鉄利用の歴史[編集]

古代[編集]

今のところ製鉄技術が普及し始めたのは紀元前25世紀頃のアナトリアと考えられているが、鉄の利用自体はそれよりも古い。メソポタミアでは紀元前3300年から紀元前3000年頃のウルク遺跡から鉄片が見つかっている。また、エジプトゲルゼーからも、ほぼ同時期の装飾品が見つかっている。これらの鉄器はニッケルの含有量から隕鉄製と考えられている。鉄利用の開始は更に有史以前に遡ると思われるが、詳細はわかっていない。カマン・カレホユック遺跡アラジャホユック遺跡、紀元前20 - 18世紀頃のアッシリア人の遺跡からも当時の鍛鉄が見つかっている。

古代・中世前期日本[編集]

鉄器は紀元前3世紀青銅とほぼ同時期に日本へ伝来した。当初は製鉄技術はなく輸入されていた。

青銅は紀元前1世紀頃から日本で作られるようになり、製鉄は弥生時代後期後半(1 - 3世紀)頃から北部九州のカラカミ遺跡(壱岐市)や備後の小丸遺跡(三原市)で開始され、それから時代が下り出雲地方や吉備でも製鉄が行われるようになった。総社市の千引かなくろ谷遺跡は6世紀後半の製鉄炉跡4基、製鉄窯跡3基が見つかっている。鞴(ふいご)を使い、原料は鉄鉱石である。製鉄炉の作り方は、これまで朝鮮半島からの導入と推定されていた[16]が、近年の研究により、中国北東部から伝わったとされている。また日本人支配地域であった任那においても日本に遅れて製鉄が開始され、鉄製品の生産拠点となった。

日本の製鉄法はある時期以降は「たたら」と呼ばれる一種の鋼塊炉 (bloomery) を用いた、砂鉄を原料とする直接製鉄法である。直接製鉄法とは、砂鉄または鉄鉱石を低温で還元し、炭素の含有量が極めて低い錬鉄を生成するもので、近代の製鉄法が確立する前は(漢代以降の中国などの例外を除いて)広く世界的に見られた方法である。日本の製鉄法の特色は、鉄の含有量が高い砂鉄を原料に用いていることであろう。 古代、中世においては露天式の野だたら法が頻繁に行われていたが、16世紀中葉から全天候型で送風量を増加した永代たらら法に発展した。この古代以来の日本独自のたたら製鉄法では、玉鋼や包丁鉄といった複数の鉄が同時に得られるために、それが後の日本刀を生み出す礎となった。以後、出雲は一貫して日本全国に鉄を供給し、現在でも出雲地方にその文化の名残が認められ、日立金属などの高級特殊鋼メーカーへと変貌を遂げている。

農器具が鉄器で作られるようになると、農地の開拓が進んだ。中世日本では鉄は非常に貴重であり、鉄製の農機具政府の持ちもので、朝借りて来て夕方には洗って返すことになっていた。私有地の耕作には鉄の農機具を使う事が出来なかったため、良い農地は政府の所有であった。すなわち、中世の日本の貴族は鉄の所有権を通して遠隔地にある荘園を管理した[17]

11世紀頃から鉄の生産量が増えると、鉄が安価に供給されるようになった。個人が鉄の農機具を持つ事が出来るようになると、新しい農地が開墾されるようになった。

中世後期・近世日本[編集]

暦応5年(1342年)鋳物師の認可状 巻末

戦国時代にあった日本では、1550年代頃に銃器の生産が普及した。鉄の技術者は鍛冶師、鋳物師と呼ばれた。また、永代たたらの普及により生産量が爆発的に増加したため、生産性の観点から歩止まりの良い砂鉄が採れる中国地方や九州地方への産地の集中が進むこととなった。

当時、鉄の精錬には木炭が使われた(ただし、宋代以降の中国においては石炭の利用が始まる)。日本の森林は再生能力に優れ、幸いにも森林資源に枯渇することが無かった。豊富な砂鉄にも恵まれており、鉄の生産量と加工技術では世界で抜きん出た存在になった。

中世後期から江戸時代にかけて、刀剣は輸出商品として長崎から輸出された。輸出先は中国やヨーロッパである。今日でもヨーロッパ各地の博物館で当時の貴族たちが収集した日本刀を見ることができる。は一貫して日本との交易を禁じる政策を取ってきたが、鄭若曽の『籌海図編』には倭寇が好んだもの(倭好)として「鉄鍋」が挙げられ、謝杰の『虔台倭纂』には「鉄鍋重大物一鍋価至一両銭、重古者千文価至四両、小鍋曁開元永楽銭二銭、及新銭不尚也」(上巻「倭利」)として記し、日本人が小鍋でも永楽銭2銭を出して手に入れようとした事が記されている。これについて、太田弘毅16世紀に西日本、特に倭寇とのつながりが強い瀬戸内海沿岸や九州に新興の日本刀産地が発生している事を指摘し、戦国時代に増大する日本刀需要(軍事的、あるいは密輸出用として)を賄うために中国から鉄鍋などの中古の鉄を獲得したと論じる[18]。また、16世紀の明の人で倭寇事情を調べるために日本を訪れて帰国後に『日本一鑑』を著した鄭舜功によれば、「其鉄既脆不可作、多市暹羅鉄作也、而福建鉄向私市彼、以作此」(巻二「器用」)と述べて日本の鉄砲に使われていた鉄がシャムや福建からの密輸品(収奪を含む)であったことを指摘している。更に近年において佐々木稔らによって行われた日本産の鉄砲などに用いられた鉄の化学分析によれば、日本の砂鉄には含まれていない銅やニッケル、コバルトなどの磁鉄鉱由来成分の含有が確認されており、佐々木は近世以前の日本国内において磁鉄鉱の鉱床開発が確認できない以上、国外から輸入された銑鉄などが流通していたと考えざるを得ないと指摘する[19]

壊れた鉄製品を修復する需要があり、鉄の加工技術は日本各地で一般化していった。鍛接・鋳掛けの他にも、金属の接合にはろう付けリベットが使われた。

鋳物業の盛んな富山県高岡市にも鋳物師の伝統である高岡銅器があり、この地域には古い技術がよく伝承されている。現在でもYKK新日軽といった金属加工関係の大企業の工場が富山県に多くあるのはこの伝統と無縁ではない。

江戸幕末には、艦砲を備えた艦隊の武力を背景に開国を迫る西洋に対抗するために、大砲鋳造用の反射炉が各地に建造された。これらは明治時代になるとより効率の良い高炉にとって代わられた[20]

近世ヨーロッパ[編集]

鉄を生産している所では森林破壊が深刻で、16世紀に鉄の生産が増加したイギリスでは、17世紀には鉄生産のための森林破壊が深刻となって木炭が枯渇し始め、製鉄の中心地だったウィールドでは17世紀末になると生産量が盛時だった17世紀前半の半分以下まで落ち込み、18世紀中葉には1/10まで減少した。18世紀後半にはダービーコークスを使った精錬が始まる。コークスは石炭を蒸し焼きにしたもので、不純物が少なく鉄の精錬に使うことができ、火力も強かった。コークスの発明により木材資源の心配が無くなり、鉄の生産量も増加した。

主な化合物[編集]

世界の鉄鋼生産[編集]

世界全体では、15.5億トンの粗鋼が生産されている(2012年)。[21]

国別粗鋼生産量ベスト10(2012年)…1位中国7.17億トン、2位日本1.07億トン、3位アメリカ0.89億トン、4位インド0.77億トン、5位ロシア0.71億トン、6位韓国0.69億トン、7位ドイツ0.43億トン、8位トルコ0.36億トン、9位ブラジル0.35億トン、10位ウクライナ0.33億トン。

世界の企業別粗鋼生産量ベスト10(2012年)…1位アルセロールミッタルルクセンブルク)8,800万トン、2位河北鋼鉄集団(中国)6,900万トン、3位新日鉄住金(日本)4,600万トン、4位鞍鋼集団(中国)4,500万トン、5位宝鋼集団(中国)4,300万トン、6位ポスコ(韓国)3,800万トン、7位武漢鋼鉄(中国)3,600万トン、8位江蘇沙鋼集団(中国)3,200万トン、9位首鋼集団(中国)3,100万トン、10位JFEスチール(日本)3,000万トン。

イメージ[編集]

西洋占星術錬金術などの神秘主義哲学では、軍神マルスと関連づけられ、その星である火星を象徴する。これは、古くから鉄が武器の材料として利用された事や、鉄錆がくすんだ血のような色である事に由来すると思われる。また、妖精は冷たい鉄を嫌うという伝説があり、ファンタジー小説において魔法的なものとの相性が悪いとされる。

また上記のような理由から「鉄」は「強固なもの」の代名詞となり「鉄の○○」などといえば「強固で倒しがたいもの」という比喩となる(例:鉄のカーテン鉄の女鉄十字鉄人[要曖昧さ回避])。

一方の日本では、鉄は邪悪なものを取り除く力を持つと考えられていた時代もあった。たとえば『遠野物語』では、怪力の河童を鉄の針で退治したり、山中で身の危険を感じた猟師が魔除け用に持っていた鉄の弾を撃つというエピソードがある[要出典]

「鉄」の旧字体(繁体字)である「鐵」は「金・王・哉」に分解できることから、本多光太郎は「鐵は金の王なる哉」と評した。なお、「鉄」は「鐵」の略字という説が有力であるが、使用頻度が高いために失われやすい点から、「鐵」の誤字「鉄」が略字になったという説がある。又、「鉄」以外にも「wikt:銕」という略字もある。

しかし、「鉄」の表記は「金を失う」となるため、製鉄業者鉄道事業者などでは忌み嫌う傾向も見られ、あえて繁字体の「鐵」を使用する会社(新日本製鐵大井川鐵道和歌山電鐵など)や、「金が矢のように入る」とするため本来はの意味を持つ「wikt:鉃」の字を「鉄」の代替としてロゴで使用する会社(四国旅客鉄道を除くJR各社)も存在する。

鉄はその用途から、機械や人工物を象徴する元素として用いられることも多い。対する人間・生物の象徴としては、有機化合物の主要元素である炭素(元素記号C)が用いられる。

生体内での利用[編集]

鉄分の役割[編集]

鉄の生物学的役割は非常に重要である。赤血球の中に含まれるヘモグロビンは、鉄のイオンを利用して酸素を運搬している[22]。ヘモグロビン1分子には4つの鉄(Ⅱ)イオンが存在し、それぞれがポルフィリンという有機化合物と錯体を形成した状態で存在する[23]。この錯体はヘムと呼ばれ、ミオグロビンカタラーゼシトクロムなどのタンパク質にも含まれる[24]。ヘモグロビンと酸素分子の結合は弱く、筋肉のような酸素を利用する組織に到着すると容易に酸素を放出することができる[23]

フェリチンは鉄を貯蔵する機能を持つタンパク質ファミリーである。その核は鉄(Ⅲ)イオン、酸化物イオン水酸化物イオンリン酸イオンからなる巨大なクラスター(オキソヒドロキソリン酸鉄)で、分子あたり4500個もの鉄イオンを含む[23]

おもな鉄含有タンパク質[23]
タンパク質名 1分子中の鉄原子数 機能
ヘモグロビン 4 血液中のO2輸送[22]
ミオグロビン 1 骨格筋細胞中のO2貯蔵[22]
トランスフェリン 2 血液中のFe3+輸送[25]
フェリチン 4500以下 肝臓脾臓骨髄などの細胞中でのFe3+貯蔵[25]
ヘモシデリン 103~104 Feの貯蔵
カタラーゼ 4 H2O2の分解
シトクロムc 1 電子移動
鉄-硫黄タンパク質 2~8 電子移動

鉄分の吸収[編集]

肉や魚のミオグロビンヘモグロビンに由来するポルフィリンと結合した鉄はヘム鉄と呼ばれ、非ヘム鉄と比較して2-3倍体内への吸収率が高い。非ヘム鉄は、ビタミンCと一緒に摂取すると、水溶性の高いFe2+に還元されて体内への吸収が促進されるが、玄米などの全粒穀物に含まれるフィチン酸お茶野菜類に含まれるポリフェノールなどは非ヘム鉄の吸収を阻害する[26][27]

鉄分の不足[編集]

体内の鉄分が不足すると、酸素の運搬量が十分でなくなり鉄欠乏性貧血を起こすことがあるため、鉄分を十分に補充する必要がある。鉄分は、レバーホウレンソウなどの食品に多く含まれ、その他に鉄分を多く含む食品は、ひじき海苔ゴマパセリアサリシジミなどである。これらを摂取することで鉄分の不足が改善される。

また鉄の溶解度が小さい土壌で育てられる植物などでは、鉄吸収が不足することで植物の成長が止まり黄化することがある。この症状は、土壌に水溶性型の鉄肥料を与えるなどすると一時的に改善されるが、植物中に含まれる鉄量が増えるわけではなく、ビタミンAの含有量が増えることがわかっている。したがって、鉄肥料を与えることは植物中の鉄分ではなくビタミンAを増やすことに役立つ。植物の鉄欠乏を長期的に改善するには、土壌に大量の硫黄を投入するなどして、土壌質を変える必要がある。なお陸上植物に限らず、藻類も微量の鉄を必要とする。

鉄分の過剰[編集]

一方で、過剰な鉄の摂取は生体にとって有害である。自由な鉄原子は過酸化物と反応しフリーラジカルを生成し、これが DNAタンパク質、および脂質を破壊するためである。細胞中で鉄を束縛するトランスフェリンの量を超えて鉄を摂取すると、これによって自由な鉄原子が生じ、鉄中毒となる。余剰の鉄はフェリチンヘモジデリンにも貯蔵隔離される。過剰の鉄はこれらのタンパク質に結合していない自由鉄を生じる。自由鉄がフェントン反応を介してヒドロキシラジカル(OH•)等の活性酸素を発生させる。発生した活性酸素は細胞のタンパク質やDNAを損傷させる。活性酸素が各臓器を攻撃し、肝臓には肝炎肝硬変肝臓がんを、膵臓には糖尿病膵臓癌を、心臓には心不全を引き起こす[28]ヒトの体には鉄を排出する効率的なメカニズムがなく、粘膜や粘液に含まれる1-2mg/日程度の少量の鉄が排出されるだけであるため、ヒトが吸収できる鉄の量は1-2mg/日程度と非常に少ない[28]。しかし血中の鉄分が一定限度を超えると、鉄の吸収をコントロールしている消化器官の細胞が破壊される。この為、高濃度の鉄が蓄積すると、ヒトの心臓肝臓に恒久的な損傷が及ぶ事があり[29]、最悪の場合はに至ることもある。鉄中毒の治療には、デフェロキサミンが投与される。

鉄分の許容量[編集]

米国科学アカデミーが公表している DRI 指数によれば、ヒトが1日のうちに許容できる鉄分は、大人で45 mg、14歳以下の子供は40 mgまでである。摂取量が体重1 kgあたり20 mgを超えると鉄中毒の症状を呈する。鉄の致死量は体重1 kgあたり60 mgである。6歳以下の子供が鉄中毒で死亡する主な原因として、硫酸鉄を含んだ大人向けの錠剤を飲み過ぎるケースがあげられる。

なお、遺伝的な要因により、鉄の吸収ができない人々もいる。第六染色体のHLA-H遺伝子に缺陥を持つ人は、過剰に鉄を摂取するとヘモクロマトーシスなどの鉄分過剰症になり、肝臓あるいは心臓に異変を来す事がある。ヘモクロマトーシスを患う人は、白人では全体の0.3 - 0.8 %と推定されているが、多くの人は自分が鉄過剰症であることに気づいていないため、一般に鉄分補給のための錠剤を摂取する場合は、特に鉄欠乏症でない限り、医師に相談することが望ましい。

鉄分の推奨量[編集]

鉄分の摂取についての必要量、推奨量は、以下の式で表される。
推定平均必要量=基本的鉄損失 ÷ 吸収率(0.15)
推定平均推奨量=推定平均必要量 × 1.2
20歳前後の男性の鉄分損失量は0.9 mg/日であるので、必要量は6.0 mg/日、推奨量は7.2 mg/日、となる。
月経のある女性の鉄分の必要量は、以下の式で表される。
推定平均必要量=(基本的鉄損失+月経血による鉄損失(0.55 mg/日)) ÷ 吸収率(0.15)
20歳前後の女性の鉄分損失量は0.76 mg/日であるので、必要量は8.7 mg/日、推奨量は10.5 mg/日、となる。
鉄分の耐用上限量は、0.8 mg/kg体重/日とされる。70kgの成人で56 mg/日が上限となる[30]

その他[編集]

鉄の同位体の一種である 59Fe は、鉄動態検査に用いられる。

その他[編集]

脚注・出典[編集]

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  1. ^ Demazeau, G.; Buffat, B.; Pouchard, M.; Hagenmuller, P. (1982). “Recent developments in the field of high oxidation states of transition elements in oxides stabilization of Six-coordinated Iron(V)”. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 491: 60. doi:10.1002/zaac.19824910109. 
  2. ^ R. S. Ram and P. F. Bernath (2003). Journal of Molecular Spectroscopy 221: 261. http://bernath.uwaterloo.ca/media/266.pdf. 
  3. ^ 超高純度鉄
  4. ^ 金属の超高純度化を基に高温金属材料開発東北大学金属材料研究所ナノ金属高温材料学寄附研究部門
  5. ^ 安彦兼次、「究極の超高純度金属」、日経サイエンス2000年10月号
  6. ^ 「東北大の純鉄が標準物質に 日独で登録」、2011年1月16日日本経済新聞
  7. ^ Audi, Bersillon, Blachot, Wapstra. The Nubase2003 evaluation of nuclear and decay properties, Nuc. Phys. A 729, pp. 3-128 (2003).
  8. ^ M. P., Fewell (7 1995). “The atomic nuclide with the highest mean binding energy”. American Journal of Physics 63 (7): 653-658. doi:10.1119/1.17828. http://adsabs.harvard.edu/abs/1995AmJPh..63..653F 2008年2月17日閲覧。. 
  9. ^ R. Nave, Carl (2005年). “The Most Tightly Bound Nuclei” (English). Hyperphysics. ジョージア州立大学(Georgia State University). 2008年2月17日閲覧。
  10. ^ A 'metallic' smell is just body odour Nature News
  11. ^ 鉄のにおいの正体
  12. ^ 萩原芳彦 監修 『ハンディブック 機械 改訂2版』 オーム社 2007年3月20日 p.93
  13. ^ 鄭州古栄鎮遺跡出土鋳造所
  14. ^ 翻道安『西域記』
  15. ^ ロジャー・ブリッジマン『1000の発明・発見図鑑』丸善株式会社 平成15年11月1日 p.89
  16. ^ 狩野久「吉備の国づくり」 藤井学・狩野久・竹林栄一・倉地克直・前田昌義『岡山県の歴史』山川出版社 2000年 23-24ページ
  17. ^ 司馬遼太郎「この国のかたち」文春文庫 p.113-120
  18. ^ 太田弘毅「倭寇が運んだ輸入鉄―「鉄鍋」から日本刀製作へ―」(所収:明代史研究会明代史論叢編集委員会 編『山根幸夫教授退休記念明代史論叢』上巻(汲古書院、1990年) P521-538)
  19. ^ 佐々木稔/編『火縄銃の伝来と技術』(吉川弘文館、2003年 ISBN 978-4-642-03383-1)P84-87・191-201ほか。
  20. ^ 鉄と生活研究会編 『鉄の本』 2008年2月25日初版1刷発行 ISBN 978-4-526-06012-0
  21. ^ 『日本の鉄鋼業』(日本鉄鋼連盟、2013年)
  22. ^ a b c 八木康一編著 『ライフサイエンス系の無機化学』 三共出版、 p.155-159、1997年、ISBN 4-7827-0362-7
  23. ^ a b c d Geoff Rayner-Canham, Tina Overton『レイナーキャナム 無機化学(原著第4版)』西原寛・高木繁・森山広思訳、p.355-356、2009年、東京化学同人、ISBN 978-4-8079-0684-0
  24. ^ 八木康一編著 『ライフサイエンス系の無機化学』 三共出版、 p.95、1997年、ISBN 4-7827-0362-7
  25. ^ a b 八木康一編著 『ライフサイエンス系の無機化学』 三共出版、 p.163、1997年、ISBN 4-7827-0362-7
  26. ^ 「健康食品」の安全性・有効性情報「鉄解説」
  27. ^ 専門領域の最新情報 最新栄養学 第8版:建帛社
  28. ^ a b 輸血後鉄過剰症の診療ガイド
  29. ^ 肝臓病食における鉄制限 (群馬県肝臓病食懇話会記録 (PDF)
  30. ^ 日本人の食事摂取基準(2010年)6.2.微量ミネラル 6.2.1.鉄(Fe)
  31. ^ 読売新聞「編集手帳」2009年5月21日13S版1面から要約

参考文献[編集]

ほか

関連項目[編集]

外部リンク[編集]