鉄（元素）：特性、化学構造、用途 - 化学 - 2025

鉄は、周期表の第8族又はVIIIB族に属する遷移金属であり、化学記号のFeで表される。人のために有用な多くの用途で使用される金属グレー、延性、展性及び高強度でありますそして社会。

地殻の5％を占め、アルミニウムに次いで2番目に豊富な金属でもあります。また、その豊富さは酸素とシリコンによって超えられます。しかし、地球のコアに関しては、その35％が金属鉄と液体鉄で構成されています。

Alchemist-hp（talk）（www.pse-mendelejew.de）

湿った空気にさらされると急速に酸化されるため、地球のコアの外側では、鉄は金属の形態ではありません。玄武岩、石炭系堆積物、隕石に含まれています。鉱物カマサイトのように、一般的にニッケルと合金化。

マイニングのために使用される主な鉄鉱物は以下の通りである：ヘマタイト（酸化鉄はFe ₂ O ₃）、マグネタイト（ferrosomeric酸化はFe ₃ O ₄）、リモナイト（水和酸化鉄、水酸化）、及びシデライト（炭酸鉄、FeCO ₃）。

平均して、人は4.5gの鉄を含みますが、その65％はヘモグロビンの形です。このタンパク質は、ミオグロビンとニューログロビンによるその後の取り込みのために、血液中の酸素の輸送とさまざまな組織への分布に関与しています。

人に対する鉄の多くの利点にもかかわらず、過剰な金属は、特に肝臓、心血管系および膵臓に対して非常に深刻な毒性作用を及ぼす可能性があります。これは、遺伝性疾患の血色素症の場合です。

鉄は建設、強さ、戦争の代名詞です。一方、その豊富さのために、それは新しい材料、触媒、薬物またはポリマーの開発に関しては常に考慮すべき代替手段です。錆びの赤い色にもかかわらず、環境にやさしい緑色の金属です。

歴史

古代

鉄は数千年にわたって処理されてきました。しかし、そのような古代の鉄の物体は、腐食しやすく、破壊を引き起こすため、見つけるのは困難です。最も古くから知られている鉄のオブジェクトは、隕石内で見つかったものから作られました。

これは、紀元前3500年に作られた、エジプトのゲルツァーで発見された一種のビーズや、ツタンカーメンの墓で発見された短剣の場合です。鉄隕石はニッケル含有量が高いという特徴があるため、それらの起源はこれらのオブジェクトで確認できます。

鋳鉄の証拠は、紀元前3000〜2700年のシリアのアスマール、メソポタミア、テールチャガルバザールでも発見されました。

また、鋳鉄工芸品は紀元前1800年から1200年、インドでは紀元前1500年頃に発見され、鉄器時代は紀元前1000年に製造コストが削減されたと考えられています。

中国では紀元前700年から500年の間に出現し、おそらく中央アジアを経由して運ばれる。最初の鉄のオブジェクトは中国の鹿江江で発見されました。

ヨーロッパ

錬鉄は、いわゆるガラフォージを使用してヨーロッパで生産されました。このプロセスでは、燃料として石炭を使用する必要がありました。

中世の高炉は高さ3.0 mで、耐火レンガで作られ、空気は手動のベローズによって供給されていました。1709年、アブラハムダービーは、炭に代わって溶融鉄を生成するコークス高炉を設立しました。

安価な鉄の入手可能性は、産業革命をもたらした要因の1つでした。この時期に銑鉄を錬鉄に精製し始め、橋、船、倉庫などの建設に使用されました。

鋼

鋼は、錬鉄よりも高い炭素濃度を使用しています。鋼は紀元前1000年にペルシャのルリスタンで製造されました。炭素を含まない鉄筋を製造する新しい方法が産業革命で考案され、後に鋼の製造に使用されました。

1850年代後半、ヘンリーベッセマーは溶銑に空気を吹き込んで軟鋼を製造することを考案し、鋼の生産をより経済的にしました。これにより、錬鉄の生産量が減少しました。

プロパティ

外観

灰色がかった金属光沢。

原子量

55,845 u。

原子番号（Z）

26日

融点

1,533ºC

沸点

2,862ºC

密度

-周囲温度：7.874 g / mL。

-融点（液体）：6.980 g / mL。

融合熱

13.81 kJ / mol

気化熱

340 kJ / mol

モルカロリー容量

25.10 J /（mol K）

イオン化エネルギー

-最初のイオン化レベル：762.5 kJ / mol（Fe ⁺ガス）

-2番目のイオン化レベル：1,561.9 kJ / mol（Fe ²⁺ガス状）

-3番目のイオン化レベル：2.957、kJ / mol（Fe ³⁺ガス）

電気陰性

ポーリングスケールで1.83

原子ラジオ

経験値126 pm

熱伝導率

80.4 W /（mK）

電気抵抗率

96.1Ω・m（20ºC）

キュリーポイント

約770℃。この温度では、鉄はもはや強磁性ではありません。

同位体

安定同位体：⁵⁴ Fe、豊富な5.85％; ⁵⁶ Fe、豊富な91.75％; ⁵⁷ Fe、2.12％の豊富さ。そして⁵⁷鉄、0.28％の豊富な。⁵⁶ Feが最も安定しており、豊富な同位体である、鉄の原子量が非常に近い56にUであることは驚くべきことではありません。

放射性同位元素は、⁵⁵ Fe、⁵⁹ Fe、⁶⁰ Feです。

構造と電子構成

-アロロープ

室温の鉄は、体心立方構造（bcc）で結晶化します。これは、α-Feまたはフェライト（冶金用語）としても知られています。温度と圧力の関数として異なる結晶構造を採用できるため、鉄は同素体金属であると言われています。

同素体bccは一般的な鉄（強磁性）であり、人々がよく知っていて磁石に引き付けられます。771 aboveC以上で加熱すると常磁性になり、結晶は膨張するだけですが、この「新しい相」は以前はβ-Feと見なされていました。鉄の他の同素体も常磁性です。

鉄は910ºCと1,394ºCの間で、オーステナイトまたはγ-Fe同素体として見られ、その構造は面心立方、fccです。オーステナイトとフェライト間の変換は製鋼に大きな影響を与えます。炭素原子はフェライトよりもオーステナイトに溶けやすいためです。

そして、融点（1538）C）まで1394 1Cを超えると、鉄は戻り、bcc構造、δ-Feを採用します。しかし、フェライトとは異なり、この同素体は常磁性です。

イプシロンアイアン

圧力を10 GPaに上げると、摂氏数百度の温度で、αまたはフェライト同素体がε同素体、イプシロンに進化し、コンパクトな六角形構造で結晶化することを特徴とします。つまり、Fe原子が最もコンパクトになります。これは鉄の4番目の同素体です。

いくつかの研究は、そのような圧力下ではあるがより高い温度での鉄の他の同素体の存在の可能性について理論化しています。

-金属リンク

鉄の同素体とそのFe原子を「振る」温度、またはそれらを圧縮する圧力に関係なく、それらは同じ価電子で互いに相互作用します。これらは、電子構成で示されているものです。

3d ⁶ 4s ²

したがって、金属結合に加わる電子は8つあり、同素転移の間に弱められたり強められたりします。同様に、熱または電気伝導率などの鉄の特性を定義するのは、これらの8つの電子です。

-酸化数

鉄の最も重要な（そして一般的な）酸化数は+2（Fe ²⁺）と+3（Fe ³⁺）です。実際、従来の命名法では、これら2つの数値または状態のみが考慮されます。ただし、鉄が別の数の電子を獲得または喪失する可能性のある化合物があります。つまり、他の陽イオンの存在が想定されます。

たとえば、鉄の酸化数は+1（Fe ⁺）、+ 4（Fe ⁴⁺）、+ 5（Fe ⁵⁺）、+ 6（Fe ⁶⁺）および+7（F​​e ^{7 +}）。アニオン性の鉄酸塩種であるFeO ₄ ^2-は、4つの酸素原子がその程度まで酸化したため、酸化数が+6の鉄を持っています。

同様に、鉄は負の酸化数を持つことができます。例えば：-4（鉄^4-）-2鉄（Fe ^2-）と-1（鉄^- ）。ただし、これらの電子増加を伴う鉄中心を持つ化合物は非常にまれです。そのため、この点ではマンガンを上回りますが、後者はその酸化状態の範囲ではるかに安定した化合物を形成します。

その結果、実用的な目的では、Fe ²⁺またはFe ³⁺を検討するだけで十分です。他のカチオンは、やや特定のイオンまたは化合物のために予約されています。

どうやって入手するの？

鉄の装飾品、鉄の最も重要な合金。出典：Pxhere。

原材料の収集

鉄の採掘に最も適した鉱物の鉱石の場所に進む必要があります。それを得るために最も使用される鉱物は次の通りです：ヘマタイト（Fe ₂ O ₃）、マグネタイト（Fe ₃ O ₄）、褐鉄鉱（FeO・OH・nH ₂ O）およびシデライト（FeCO ₃）。

次に、抽出の最初のステップは、鉄鉱石鉱石で岩を収集することです。これらの岩は砕かれ、細かく砕かれます。続いて、鉄鉱石で岩の破片を選択する段階があります。

選択では、磁場の使用と水中での沈降という2つの戦略に従います。岩の破片は磁場にさらされ、鉱物の破片はその中に向けられ、分離することができます。

2番目の方法では、岩の破片が水中に捨てられ、鉄を含むものは重いため、水の下に沈み込み、砂岩は軽いため水の上に残ります。

溶鉱炉

鋼が生産される高炉。出典：Pixabay。

鉄鉱石は高炉に輸送され、そこで燃料と炭素の供給者の役割をする原料炭と一緒に投棄されます。さらに、石灰岩または石灰岩が追加され、フラックスの機能を果たします。

高炉は、前の混合物と一緒に、1,000℃の温度で熱風を注入されます。鉄は、温度が1,800℃になる石炭の燃焼によって溶融します。液体になると、銑鉄と呼ばれ、オーブンの底に溜まります。

銑鉄は炉から取り出され、新しい鋳造所に輸送されるためにコンテナに注がれます。銑鉄の表面にある不純物であるスラグは廃棄されます。

銑鉄は、取鍋を使用して転炉にフラックスとしての石灰石と共に注がれ、高温で酸素が導入されます。これにより、炭素含有量が減少し、銑鉄を精製して鋼に変えることができます。

その後、特殊鋼を製造するために鋼が電気炉を通過します。

用途

-金属鉄

イギリスの鉄橋。鉄またはその合金で作られた多くの建造物の1つ。出典：機械可読の著者は提供されていません。Jasonjsmithが想定した（著作権の主張に基づく）。

それは低コストで可鍛性のある延性金属であり、腐食に耐性を持つようになったため、鍛造品、鋳造品、鋼鉄のさまざまな形態で、人間にとって最も有用な金属になりました。

鉄は次の建設に使用されます：

-ブリッジ

-建物の基本

-ドアと窓

-ボートの船体

-異なるツール

-飲料水の配管

-廃水を収集するためのチューブ

-庭園用の家具

-ホームセキュリティ用のグリル

また、鍋、フライパン、ナイフ、フォークなどの家庭用品の製造にも使用されます。さらに、冷蔵庫、ストーブ、洗濯機、食器洗い機、ブレンダー、オーブン、トースターの製造に使用されます。

要するに、鉄は人間を取り巻くすべての物体に存在しています。

ナノ粒子

金属鉄もナノ粒子として準備されます。これは反応性が高く、巨視的な固体の磁気特性を保持します。

これらのFeの球体（およびそれらの複数の追加の形態）は、有機塩素化合物の水を浄化するために使用されます。また、磁場を適用して体の特定の領域に送達される薬物担体としても使用されます。

それらはまた、炭素結合、CCが切断される反応における触媒担体として機能することができます。

-鉄化合物

酸化物

酸化第一鉄FeOは、結晶の顔料として使用されます。酸化第二鉄、Fe ₂ O ₃は、ベネチアンレッドとして知られている黄色から赤色までの多くの顔料のベースです。ルージュと呼ばれる赤い形は、貴金属やダイヤモンドの研磨に使用されます。

酸化鉄（Fe ₃ O ₄）は、特定のコンピュータメモリや磁気テープのコーティングで使用可能な、磁気アクセス性と電気抵抗率が高い物質であるフェライトに使用されています。また、顔料や研磨剤としても使用されています。

硫酸塩

硫酸第一鉄七水和物、FeSO ₄・7H ₂ Oは、硫酸第一鉄の最も一般的な形態で、緑色のビトリオールまたはカッパーとして知られています。それは還元剤としてそしてインク、肥料および殺虫剤の製造で使用されます。また、鉄の電気めっきにも使用できます。

硫酸第二鉄、Fe ₂（SO ₄）_3は、鉄ミョウバンおよび他の第二鉄化合物を得るために使用されます。それは廃水の浄化の凝固剤として、そして織物の染色の媒染剤として機能します。

塩化物

塩化第一鉄、FeCl ₂は、媒染剤および還元剤として使用されます。一方、塩化第二鉄FeCl _3は、金属（銀、銅）や一部の有機化合物の塩素化剤として使用されています。

Fe ³⁺をhexocyanoferrateイオン^-4で処理すると、塗料やラッカーで使用されるプルシアンブルーと呼ばれる青い沈殿物が生成されます。

鉄食品

アサリは鉄分の豊富な食料源です。出典：Pxhere。

一般的に、鉄の摂取量は18 mg /日が推奨されています。毎日の食事でそれを提供する食品の中には次のものがあります：

貝は鉄をヘムの形で提供するので、腸の吸収を阻害することはありません。アサリは、100 gあたり最大28 mgの鉄を提供します。したがって、この量のアサリは、鉄分の毎日の必要量を供給するのに十分でしょう。

ほうれん草には100 gあたり3.6 mgの鉄が含まれています。牛の内臓肉、たとえば子牛の肝臓には、100 gあたり6.5 mgの鉄が含まれています。ブラッドソーセージの貢献はやや高いようです。ブラッドソーセージは、牛の血を詰めた小腸の一部で構成されています。

レンズ豆などの豆類には、198 gあたり6.6 mgの鉄が含まれています。赤身の肉には、100 gあたり2.7 mgの鉄が含まれています。カボチャの種には、28 gあたり4.2 mgが含まれています。キノアは185 gあたり2.8 mgの鉄を含んでいます。七面鳥の濃い肉には、100 gあたり2.3 mgが含まれています。ブロッコリーは156 mgあたり2.3 mgを含んでいます。

豆腐には126 gあたり3.6 mgが含まれています。一方、ダークチョコレートには、28 gあたり3.3 mgが含まれています。

生物学的役割

特に脊椎動物の生き物において、鉄が果たす機能は無数にあります。300以上の酵素がそれらの機能のために鉄を必要とすると推定されています。それを使用する酵素とタンパク質の中で、次の名前が付けられています：

-ヘムグループを持ち、酵素活性を持たないタンパク質：ヘモグロビン、ミオグロビン、ニューログロビン。

-電子輸送に関与するヘムグループを持つ酵素：チトクロームa、b、f、およびチトクロームオキシダーゼおよび/またはオキシダーゼ活性; 亜硫酸オキシダーゼ、チトクロームP450オキシダーゼ、ミエロペルオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、カタラーゼなど

-エネルギー生産に関与する、オキシレダクターゼ活性に関連する鉄硫黄を含むタンパク質：コハク酸デヒドロゲナーゼ、イソクエン酸デヒドロゲナーゼおよびアコニターゼ、またはDNA複製および修復に関与する酵素：DNAポリメラーゼおよびDNAヘリカーゼ。

-触媒活性の補因子として鉄を使用する非ヘム酵素：フェニルアラニンヒドロラーゼ、チロシンヒドロラーゼ、トリプトファンヒドロラーゼ、リジンヒドロラーゼ。

-鉄の輸送と貯蔵に関与する非ヘムタンパク質：フェリチン、トランスフェリン、ハプトグロビンなど

リスク

毒性

過剰な鉄への曝露によるリスクは、急性の場合と慢性の場合があります。急性鉄中毒の原因の1つは、グルコン酸、フマル酸などの形の鉄錠剤の過剰摂取です。

鉄は腸粘膜の炎症を引き起こす可能性があり、その不快感は摂取直後に現れ、6〜12時間後には消えます。吸収された鉄はさまざまな器官に沈着します。この蓄積は代謝障害を引き起こす可能性があります。

摂取した鉄の量が有毒である場合、腹膜炎を伴う腸穿孔を引き起こす可能性があります。

循環器系では、消化管出血や鉄によるセロトニンやヒスタミンなどの血管作用物質の放出によって引き起こされる血液量減少を引き起こします。最終的には、肝臓の大規模な壊死と肝不全が発生する可能性があります。

血色素症

血色素症は、鉄の血中濃度の増加とさまざまな臓器への蓄積に現れる、体の鉄調節機構に変化をもたらす遺伝性疾患です。肝臓、心臓、膵臓を含みます。

病気の初期症状は次のとおりです：関節痛、腹痛、疲労感、脱力感。次の症状とそれに続く疾患の兆候：糖尿病、性欲の喪失、インポテンツ、心不全、肝不全。

ヘモジデローシス

ヘモシデローシスは、その名前が示すように、組織内のヘモシデリンの蓄積によって特徴付けられます。これは組織の損傷を引き起こしませんが、血色素症で見られるものと同様の損傷に発展する可能性があります。

ヘモジデローシスは、食事からの鉄の吸収の増加、赤血球から鉄を放出する溶血性貧血、および過剰な輸血によって引き起こされます。

ヘモジデローシスとヘモクロマトシアは、体の鉄の調節に関与している肝臓によって分泌されるホルモンであるヘプシジンというホルモンの機能が不十分であることが原因である可能性があります。

参考文献

1. 震えとアトキンス。（2008）。無機化学。（第4版）。Mc Graw Hill。
2. Foist L.（2019）。鉄の同素体：タイプ、密度、用途、および事実。調査。回収元​​：study.com
3. Jayanti S.（nd）。鉄の同素体：熱力学と結晶構造。冶金。からの回復：engineeringenotes.com
4. ナノシェル。（2018）。鉄ナノパワー。回収元​​：nanoshel.com
5. ウィキペディア。（2019）。鉄。から回復：en.wikipedia.org
6. シュロップシャーの歴史。（sf）。鉄の特性。回収元​​：shropshirehistory.com
7. ドウ・スチュワート博士。（2019）。鉄元素の事実。回収元​​：chemicool.com
8. フランジスカ・スプリッツラー。（2018年7月18日）。鉄分が豊富な11の健康食品。回復元：healthline.com
9. レンテック。（2019）。周期表：鉄。から回復：lenntech.com
10. 百科事典ブリタニカの編集者。（2019年6月13日）。鉄。百科事典ブリタニカ。リカバリー元：britannica.com