鉄（Fe）について【解説】 - ITとCFD入門サイト

1. はじめに

鉄（Fe）は、周期表の第8族に属する金属元素で、原子番号26を持ちます。鉄は地球上で非常に豊富に存在し、人類の歴史においても極めて重要な役割を果たしてきました。本記事では、鉄の科学的な基礎理論を重視し、その物理的性質、生成過程、役割、そして関連する現象について解説します。

2. 鉄の基本的性質

2.1 原子構造と電子配置

鉄の原子は、26個の陽子と通常30個の中性子を含む原子核から成り、その周りを26個の電子が取り巻いています。電子の配置は$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6$で表され、最外殻の電子は4s軌道に2個、3d軌道に6個配置されています。この電子配置は鉄の化学的性質や磁性に大きく関与しています。

2.2 物理的性質

鉄は、室温で固体の状態をとり、金属光沢を持つ銀白色の金属です。密度は約7.87 g/cm³、融点は1538℃、沸点は2862℃と比較的高い融点を持つため、様々な環境下で使用可能です。鉄はまた、硬度と靱性（じんせい：割れにくさ）を兼ね備えており、これが建設材料としての広範な利用を支えています。

2.3 同位体と核反応

鉄には主に4つの同位体が存在します。これらは$^{54}$Fe、$^{56}$Fe、$^{57}$Fe、$^{58}$Feであり、この中で$^{56}$Feが最も豊富で、鉄の約91.7%を占めています。鉄の核反応においては、特に$^{56}$Feが安定な核を持つため、星の核融合過程で最終生成物として現れることが多いです。

3. 鉄の生成と存在

3.1 宇宙における鉄の生成

鉄は、宇宙の星々の中で起こる核融合反応の最終段階で生成されます。恒星の内部での核融合は、軽い元素を重い元素へと変化させていきますが、$^{56}$Feは核融合によって生成される最も重い元素のひとつです。これは、$^{56}$Feが核融合反応においてエネルギーを放出しなくなる点であり、それ以上重い元素を生成するにはエネルギーを投入する必要があるためです。

超新星爆発は、鉄を宇宙に散布する主要なプロセスです。超新星爆発では、恒星の外層が爆発的に吹き飛び、内部で生成された鉄が宇宙空間に放出されます。こうして放出された鉄は、宇宙塵や星間ガスとして存在し、新しい恒星や惑星の材料となります。

3.2 地球における鉄の分布

地球の地殻やマントルにも大量の鉄が含まれています。地球全体での鉄の質量割合は約35%に達し、これは地球内部の主要な成分であることを示しています。鉄は地球の核を構成する主要元素でもあり、地球の磁場を生成するための重要な役割を果たしています。

4. 鉄の物理的性質

4.1 鉄の結晶構造

鉄の結晶構造は温度に依存して変化します。室温付近では、鉄は体心立方格子（Body-Centered Cubic, BCC）構造を取りますが、912℃を超えると面心立方格子（Face-Centered Cubic, FCC）構造に変わり、1394℃を超えると再びBCC構造に戻ります。

このような結晶構造の変化は、鉄の強度や延性に影響を与えます。例えば、BCC構造の鉄は強度が高く、延性が低いため、冷間加工が困難です。一方、FCC構造では、原子がより密に詰まっており、延性が高くなります。

4.2 鉄の磁性

鉄は強磁性材料であり、これは外部磁場がない状態でも自発的に磁化を持つ性質を意味します。強磁性は、鉄原子の未対電子がスピンを揃えることによって生じ、これが隣接する原子にも影響を与えてドメインと呼ばれる領域を形成します。

外部から磁場を加えると、これらのドメインが一方向に揃い、鉄全体が強い磁性を持つようになります。この性質は、磁石や電磁石の材料としての鉄の利用を支えています。

4.3 鉄の熱物性

鉄の熱伝導率は約80 W/m・Kで、金属としては中程度の熱伝導性を持っています。また、比熱容量は約0.45 J/g・Kで、熱容量が大きいため温度変化に対して比較的安定した挙動を示します。このような性質は、鉄を含む合金が耐熱性材料として利用される理由の一つです。

5. 鉄の化学的性質

5.1 酸化還元反応

鉄は化学的に活性な金属であり、容易に酸化還元反応を起こします。特に、酸素との反応によって鉄は酸化され、鉄(III)酸化物（錆）を生成します。この反応は以下のように表されます。

$$
4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3
$$

この反応は、鉄が露出した大気中で自然に進行し、鉄を劣化させる主要な要因となります。錆は鉄の表面を覆う酸化物層であり、内部への酸素や水の侵入を防ぐことができないため、鉄のさらなる腐食を促進します。

5.2 鉄の酸化状態

鉄は主に+2価（Fe²⁺）および+3価（Fe³⁺）の酸化状態を取ります。Fe²⁺は鉄(II)イオンとして知られ、硫酸鉄(II)や塩化鉄(II)などの化合物に見られます。これに対して、Fe³⁺は鉄(III)イオンとして存在し、酸化鉄(III)や塩化鉄(III)などの化合物を形成します。

これらの酸化状態は、鉄の化学的反応性やその化合物の性質に大きく影響を与えます。例えば、鉄(II)は比較的弱い酸化剤であるのに対して、鉄(III)は強い酸化剤として働くことができます。

6. 鉄の工業的製造と利用

6.1 鉄鉱石からの製鉄プロセス

鉄は自然界では純粋な形ではなく、鉄鉱石として存在します。鉄鉱石は主に酸化鉄を含んでおり、これを還元して純粋な鉄を取り出す必要があります。鉄の製造過程で最も広く用いられているのが高炉プロセスです。

高炉では、鉄鉱石、コークス（炭素）、および石灰石を層状に積み重ね、熱風を吹き込んでこれらの材料を化学反応させます。このプロセスで発生する一酸化炭素が酸化鉄を還元し、鉄が生成されます。反応は以下のように進行します。

$$
Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2
$$

この反応により生成された鉄は、溶けた状態で高炉の底部に集まり、高炉の底部に集まり、「銑鉄」と呼ばれる状態で取り出されます。銑鉄は炭素含有量が高いため、非常に硬く脆い性質を持っています。銑鉄をさらに精錬することで、炭素や不純物を取り除き、鋼鉄（スチール）を製造します。このプロセスは転炉や電気炉を用いて行われ、得られる鋼鉄はその用途に応じてさらに加工されます。

6.2 鉄の合金とその特性

鉄は、他の元素と混ぜることで多様な合金を作り出すことができます。代表的な合金には、鋼鉄（スチール）、ステンレス鋼、鋳鉄などがあります。これらの合金は、それぞれ特定の特性を持つため、用途に応じて使い分けられます。

鋼鉄（スチール）: 鋼鉄は鉄と炭素の合金であり、炭素の含有量により硬さや延性が調整されます。構造材として広く利用されており、建築物や橋梁、自動車など多岐にわたる分野で使用されています。
ステンレス鋼: ステンレス鋼は、鉄にクロムやニッケルを加えた合金で、耐食性が非常に高い特徴があります。台所用品や医療器具、化学プラントなど、腐食に対する耐性が求められる環境で使用されます。
鋳鉄: 鋳鉄は炭素含有量が非常に高い鉄の合金で、硬く脆いが加工しやすい特徴を持っています。主にエンジンブロックや鍋、パイプなどの製造に用いられています。