鉄
鉄（てつ、旧字体：鐵、英: iron、羅: ferrum）は、原子番号26の元素である。元素記号はFe。金属元素のひとつで、遷移元素である。太陽や、ほかの天体にも豊富に存在し、地球の地殻の約5パーセントを占め、大部分は外核・内核にある。
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| 外見 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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銀白色  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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 族, 周期, ブロック | 8, 4, d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子量 | 55.845(2) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [Ar] 3d6 4s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子殻 | 2, 8, 14, 2（画像） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 相 | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（室温付近） | 7.874 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点での液体密度 | 6.98 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 1811 K, 1538 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 3134 K, 2862 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 13.81 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 蒸発熱 | 340 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱容量 | (25 °C) 25.10 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 蒸気圧 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 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 | 第1： 762.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 第2： 1561.9 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 第3： 2957 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 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·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張率 | (25 °C) 11.8 µm/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音の伝わる速さ （微細ロッド） |
(r.t.) (electrolytic) 5120 m/s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 主な同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 詳細は鉄の同位体を参照 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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名称編集
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、鈍い黒さから「くろがね（黒鉄、黒い金属）」、広く使用されている金属であることから「まかね（「まがね」とも真鉄、真金）」ともいう。旧字体は「鐵」で、また異体字として「銕、鉃」がある。
「鉄」の旧字体（繁体字）は「鐵」であり、「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。また、「鉄」以外にも「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、あえて旧字体の「鐵」を使用する会社（新日鐵住金、大井川鐵道、和歌山電鐵など）や、「金が矢のように入る」とするため本来は鏃の意味を持つ「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。
存在編集
ほとんどの元素は恒星の核融合によって作られるが、それは鉄までである。原子番号が鉄より大きい元素は、新星爆発などでしか生じない。地球に金やプラチナが存在するのは、超新星爆発の残骸が太陽系の材料であった証左である。
地球も地殻以外は鉄が主成分となっており、火山（特に溶岩や火山弾）やそれに伴う熱水鉱床に鉄が豊富に含まれるのは、地殻以外の成分のほとんどが鉄でできているからである。地磁気も、地球の核で溶融した鉄が地球の自転と異なる速度で回転することによって生じるとされている。
地球の地殻には多くの鉄が含有されている（濃度が約5パーセントと高い）にもかかわらず、それと接している海水中の鉄は非常に濃度が低い。これは地球の海水中では水酸化鉄(III)として鉄が除かれてしまうためである[3]。なお、地球の海水中の鉄の濃度は一定ではなく、観測船や海水採取器などからの鉄の溶出による汚染を避けてジョン・マーチン (海洋学者)が調査した結果、海面近くの表層の海水には少なく、逆に深層の海水には多く含まれる、いわゆる栄養塩型の分布をしていることが判明している[4]。
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錆を生じ、時間の経過とともに見かけ上黒ずんだり褐色へと変色したりする。一方、きわめて純度の高い（99.9999パーセント）鉄は、比較的高いイオン化傾向を有するにもかかわらず、塩酸や王水などの酸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[5]。この超高純度鉄は東北大学金属材料研究所の研究グループらが、電解鉄を超高真空中で溶解電子銃を用いた浮遊帯溶融精製で処理することにより1996年に製造に成功し[5][6]、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][7]。
固体の純鉄は、フェライト（BCC構造）、オーステナイト（FCC構造）、デルタフェライト（BCC構造）の3つの多形がある。911℃以下ではフェライト、911 - 1,392℃はオーステナイト、1,392 - 1,536℃はデルタフェライト、1,536℃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℃の純鉄の相は、以前はβ鉄と呼ばれていた。
栄養学の立場からみると、鉄は人（生体）にとって必須の元素である。食事制限などで鉄分を欠く時期が続くと、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。腸で吸収される鉄は2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やレバーなどである。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パーセントの安定な54Fe、91.754パーセントの安定な56Fe、2.119パーセントの安定な57Fe、0.282パーセントの安定な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[8]。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、すべ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（もっとも安定な核種は62Ni）[9][10]。
しばしばすべての原子核の中で56Feがもっと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「鉄がもっとも安定であるため」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の倍数の核種がおも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、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など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、手に特有の臭いがつく。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、人体の汗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[11][12]。
主な化合物編集
- 塩化鉄(II) (FeCl2)
- 塩化鉄(III) (FeCl3)
- 酸化鉄(II) (FeO)
- 四酸化三鉄 (Fe3O4)
- 硫化鉄(II) (FeS)
- 硫酸鉄(II) (FeSO4)
- 硫酸鉄(III) (Fe2(SO4)3)
- ヘキサシアニド鉄(II)酸カリウム (K4[Fe(CN)6])
- ヘキサシアニド鉄(III)酸カリウム (K3[Fe(CN)6])
鉄の利用と文化編集
用途編集
道具を作る用材として、石器時代、青銅器時代に続く鉄器時代を形成し、地球人類の文明の基礎を築いた。現在においてももっとも重要、かつ身近な金属元素のひとつで、産業革命以降、ますますその重要性は増している。さまざまな器具・工具や構造物に使われる。炭素などの合金元素の添加により、より硬い鋼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。
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、人類にとってもっと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」と呼ばれるほど、鉄鋼の生産量は国力の指標ともなった。このため、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鋼となり、炭素量や焼入れなどを行うことで硬度を調節できる、きわめて使い勝手のいい素材となる。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おもな素材とする。さらに鉄鋼は、鉄道レールの素材となるほか、鉄筋や鉄骨、鋼矢板などとして建築物や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。
- ステンレス
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や缶、流し台、建築資材などにも用いられるほか、鍋や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。
- 工具鋼ほか
工具鋼は固体材料の中でもっと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。金属材料でもっとも熱膨張係数が低いインバー、最強の保磁力を持つ磁性材料（ネオジム磁石）も鉄含有合金である。ほかにも、鉄化合物はインクや絵具などの顔料として、赤色顔料のベンガラや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。
文化編集
西洋占星術や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ことや、鉄錆がくすんだ血のような色であること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。また前述のような理由から「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：鉄則、鉄の掟、鉄人、鉄の女、鉄十字、鉄のカーテン、鉄板ネタ）。
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する、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。
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いわれている。
選鉱編集
製錬編集
鉄の製錬はしばしば製鉄と呼ばれる。簡単に言えば、鉄鉱石に含まれるさまざま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。アルミニウムやチタンと比べて、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ひと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鋼を作る製鋼、さらに圧延である[13]。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、さら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[14]。文献記録としては4世紀の北魏でコークスを使った製鉄の記録がもっとも早い[15]。以来、華北では時代ととも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。それから1000年以上経ち、森林が減ったことから1620年ごろにイギリスのダッド・ダドリー（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ため、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1世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[16]。
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などの限られた場所で、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。
韮山反射炉などの試行はあったが、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（橋野高炉跡）[17]、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と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。高炉から転炉や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パーセント強を占める。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。
なお第二次世界大戦後には高炉内壁の磨耗を調べるため、使用する耐火煉瓦に放射性物質コバルト60を混入し、産出する鉄製品の放射線量を測定する手法が用いられているが、これらの鉄は微量な放射線を測定する現場など放射線の影響を排除したい環境に不向きであるため[18]、戦前に生産された放射能を持たない鉄が求められるケースがある。大戦時に建造された軍艦がおもな供給源であり、日本では陸奥から回収した「陸奥鉄」が有名である[19]。
新製鉄法編集
高炉法の問題点編集
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わ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ごく一部である粘結炭（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い占めのため、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パーセント程度が限界である。
- 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か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ことが、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て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作る。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パーセント使用可能なため、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こともできる。
- 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1億トンに及び、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トン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[20]。
- 課題
- 日米欧とも上流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ため、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。
- 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、切り替えの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ひとつのようである。
- 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パーセントで済む。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。
- 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であるため化学合成には使えない。
鉄鋼生産の規模編集
- 世界全体では、18.1億トンの粗鋼が生産されている（2018年[21]）。
- 世界の国別粗鋼生産量ベスト10（2017年）
| 順位 | 国 | 粗鋼生産量 （万トン） |
|---|---|---|
| 1 | 中国 | 83,173 |
| 2 | 日本 | 10,466 |
| 3 | インド | 10,137 |
| 4 | アメリカ | 8,161 |
| 5 | ロシア | 7,134 |
| 6 | 韓国 | 7,103 |
| 7 | ドイツ | 4,326 |
| 8 | トルコ | 3,752 |
| 9 | ブラジル | 3,437 |
| 10 | イタリア | 2,407 |
鉄利用の歴史編集
古代編集
人類が鉄を発見したのは隕石によってとされており、ニッケルを多く含むものは鍛造が可能であった[22]。古代エジプトで紀元前3000年頃に製作された隕石製とみられる鉄環首飾りが発見されている[22]。メソポタミアでは紀元前3300年から紀元前3000年ごろのウルク遺跡から鉄片が見つかっている。カマン・カレホユック遺跡やアラジャホユック遺跡、紀元前20 - 18世紀ごろ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。
また、地球上で自然界に存在する鉄は酸化しているため還元する必要があった[22]。紀元前1700年頃のヒッタイトではバッチ式の炉を用いた鉄鉱石の還元とその加熱鍛造という高度な製鉄技術により鉄器文化を築いたとされる[22]。トロイ戦争でのヒッタイトの敗北により製鉄技術はヨーロッパ全土に広がった[22]。
しかし、鉄は錆びて土に還ってしまうため古代の歴史的な遺物で鉄製のものはあまり残っていない[22]。
ヨーロッパ編集
中世編集
ヨーロッパでは14世紀になっても鉄の生産は鍛造で行われていた[22]。鉄の鋳造は14世紀以降にようやく行われるようになった[22]。鉄の鋳造技術は中国で発明されたといわれているがヨーロッパに伝わらなかった原因は当時の鉄がチルと呼ばれる硬くて脆い鋳鉄だったためともいわれている[22]。ヨーロッパでは産業革命がある18世紀まで鋳鉄は硬くて脆いものとされていたため鍛造の鉄が重宝された[22]。
近世編集
鉄を生産しているところ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10分の1まで減少した。18世紀後半にはダービーで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なくなり、鉄の生産量も増加した。
中国編集
青銅の鋳造技術はメソポタミアにはあったが、鉄の鋳造技術は紀元前7世紀頃の中国で開発された[22]。鉄の鋳造は可能となったものの、それは黒鉛を含有しないチルと呼ばれる硬くて脆い鋳鉄だった[22]。紀元前470年頃にはそれを約900〜1000度の酸化鉄内で3日間加熱して白心可鍛鋳鉄にする技術があったという研究もある（歴史的には1772年にフランスのルネ・レオミュールが発明したとされている）[22]。
日本編集
古代・中世前期編集
鉄器は紀元前3世紀ごろ、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世紀ごろ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）ごろ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、朝鮮半島からの導入と推定されている[23]。
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、炭素の含有量がきわ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る。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たら法に発展した。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、それがのち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、鉄製の農機具は政府の持ちもので、朝借りてき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ことができなかったため、い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[24]。
11世紀ごろ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ことができるようになると、新しい農地が開墾されるようになった。
中世後期・近世編集
戦国時代にあった日本では、1550年代ごろ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い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なかった。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。明は一貫して日本との交易を禁じる政策をとってきたが、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ことが記されている。これについて、太田弘毅は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ことを指摘し、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[25]。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。さらに、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[26]。
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・鋳掛けのほかにも、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いい高炉にとって代わられた[27]。
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[28]。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[29]。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[30]。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[29]。
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4,500個もの鉄イオンを含む[29]。
| 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[28] |
| ミオグロビン | 1 | 骨格筋細胞中のO2貯蔵[28] |
| トランスフェリン | 2 | 血液中のFe3+輸送[31] |
| フェリチン | 4,500以下 | 肝臓、脾臓、骨髄などの細胞中でのFe3+貯蔵[31] |
| 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や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（おもに動物性）と呼ばれ、非ヘム鉄（おもに植物性）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、お茶や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[32][33]。肉に含まれるヘム鉄は発がん性のあるニトロソアミンの生成を促し、さらに加工肉では亜硝酸ナトリウムや硝酸ナトリウムがこれを生成する[34]。
鉄分の吸収抑制による抗菌作用編集
ヘプシジンは肝臓で産生される一種のペプチドホルモンであり、鉄代謝の制御を行っている。ヘプシジンは腸からの鉄の過剰な吸収を抑制する作用を有する。ヘプシジン産生障害は鉄過剰症を引き起こす。多くの病原体はその増殖に多量の鉄を要するため、ヘプシジンが血清鉄濃度を低下させることは炎症の原因となる菌の増殖を抑制して抗菌作用も発揮することになる[35]。
ラクトフェリンは、母乳・涙・汗・唾液などの外分泌液中に含まれる鉄結合性の糖タンパク質である。ラクトフェリンは、強力な抗菌活性を持つことが知られている。グラム陽性・グラム陰性に関係なく、多くの細菌は生育に鉄が必要である。トランスフェリンと同様、ラクトフェリンは鉄を奪い去ることで、細菌の増殖を抑制する[36][37]。
鉄分の不足編集
ヒトの場合、ヘモグロビンの原料である体内の鉄分が不足すると、ヘモグロビンが十分に合成できないため酸素の運搬量が不足し、鉄欠乏性貧血を起こすことがある。また鉄不足は疾病リスクの上昇につながることが示唆されてきており[38][39][40]、鉄分を充分に補充する必要がある。鉄分は、レバーやホウレンソウなどの食品に多く含まれ、そのほか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分かっている。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。ヒトでは食生活の問題による鉄の蓄積（バンツー血鉄症など）や、度重なる輸血による鉄の蓄積などが知られている。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やタンパク質、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や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など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[41]。脂肪肝においては、血清フェリチンの増加がしばしばみられ、脂肪肝の中でも非アルコール性脂肪性肝炎（NASH）を含んだ非アルコール性脂肪性肝疾患では、肝組織内の鉄の過剰が肝障害の増悪因子と考えられている[42]。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[41]。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。このため、高濃度の鉄が蓄積すると、ヒトの心臓や肝臓に恒久的な損傷が及ぶことがあり[43]、致死性の中毒症状を発症する。
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45mg、14歳以下の子どもは40mgまでである。摂取量が体重1kgあたり20mgを超えると鉄中毒の症状を呈する。鉄の致死量は体重1kgあたり60mgである。6歳以下の子どもが鉄中毒で死亡するおもな原因として、硫酸鉄を含んだ大人向けの錠剤の誤飲である。
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遺伝子に欠陥を持つ人は、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きたすことがある。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パーセント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。
- 乳児（7 - 12か月齢）、小児および成人における鉄の許容上限摂取量（mg/日）[44]
| 年齢 | 男性 | 女性 | 妊婦 | 授乳婦 |
|---|---|---|---|---|
| 7 - 12か月齢 | 40 | 40 | N/A | N/A |
| 1 - 13歳 | 40 | 40 | N/A | N/A |
| 14 - 18歳 | 45 | 45 | 45 | 45 |
| 19歳以上 | 45 | 45 | 45 | 45 |
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0.9mg/日であるので、必要量は6.0mg/日、推奨量は7.2mg/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（0.55mg/日））÷ 吸収率（0.15）
- 20歳前後の女性の鉄分損失量は0.76mg/日であるので、必要量は8.7mg/日、推奨量は10.5mg/日となる。鉄分の耐用上限量は、0.8mg/kg体重/日とされる。70kgの成人で56mg/日が上限となる[45]。
その他編集
鉄の同位体の1種である59Feは、鉄動態検査に用いられる。
備考編集
脚注・出典編集
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参考文献編集
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- 『産業技術短期大学大学案内2011』（産業技術短期大学、2010年）
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- 『日本の鉄鋼業』（日本鉄鋼連盟、2013年）
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- 『産業技術短期大学大学案内2019』（産業技術短期大学、2018年）
- 『日本の鉄鋼業』（日本鉄鋼連盟、2018年）
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ほか
関連項目編集
外部リンク編集
- たたら - 日本の製鉄技術の歴史と解説
- 超高純度ベースメタルの科学（ナノメタラジー）
- Iron 鉄（英語） - （オレゴン州大学・ライナス・ポーリング研究所）
- 鉄解説 - 「健康食品」の安全性・有効性情報（国立健康・栄養研究所）
- 鉄 - 同