鉄（Iron）は、地球上でもっとも広く利用されている金属のひとつであり、産業、建築、輸送、医療、さらには生体内の重要な構成要素としても欠かせない存在である。周期表では第8族に属し、原子番号26、化学記号Fe（ラテン語のferrumに由来）として知られる鉄は、その特異な物理的・化学的性質ゆえに、古代から現代に至るまで人類の文明の発展を支えてきた。本記事では、鉄の科学的特徴、生成と採取、精錬技術、応用分野、生物学的重要性、経済的影響、環境との関係などを包括的に解説する。
鉄の科学的性質と分類
鉄は遷移金属に分類され、銀白色の光沢を持ち、柔軟で加工がしやすい。常温では固体であり、密度は約7.87 g/cm³、融点は1538°C、沸点は2862°Cと高い耐熱性を誇る。電気および熱の伝導性も良好であり、磁性を持つという特徴もある。この磁性は常磁性と強磁性の性質を持ち、磁石の材料としても多用される。
鉄には同位体が数種類存在し、安定同位体としては⁵⁶Fe、⁵⁴Fe、⁵⁷Fe、⁵⁸Feが知られている。宇宙規模では⁵⁶Feが最も安定的な元素のひとつであり、恒星内部の核融合過程の終着点ともなる。この性質から、鉄は宇宙全体でも非常に豊富な元素であり、地球の中心核の主成分でもあると考えられている。
鉄鉱石と採掘
鉄は自然界では単体で産出することは稀であり、ほとんどが鉱石として存在する。主要な鉄鉱石には以下の種類がある。
| 鉱石名 | 化学式 | 鉄分含有率（理論値） |
|---|---|---|
| 磁鉄鉱（マグネタイト） | Fe₃O₄ | 約72.4% |
| 赤鉄鉱（ヘマタイト） | Fe₂O₃ | 約69.9% |
| 褐鉄鉱（リモナイト） | FeO(OH)・nH₂O | 約55〜60% |
| 菱鉄鉱（シデライト） | FeCO₃ | 約48.2% |
これらの鉱石は、主に露天掘りや坑内掘りで採掘される。主な産出国としてはオーストラリア、ブラジル、中国、インド、ロシアなどがあり、これらの国は世界的な鉄鋼産業の基盤を支えている。
鉄の精錬と製鋼プロセス
鉄鉱石を鉄として使用するためには、まず酸素との結合を外す還元反応が必要である。これが精錬の工程であり、主に高炉（ブラストファーネス）で行われる。
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原料の投入：鉄鉱石、石炭から得られるコークス、石灰石が高炉に投入される。
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還元反応：コークスが燃焼し、一酸化炭素が発生。これが鉄鉱石の酸素と反応し、鉄が還元される。
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スラグの形成：石灰石が鉱石中の不純物と反応し、スラグ（かす）として分離される。
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銑鉄の生成：還元された鉄は溶融状態で炉底に溜まり、これが銑鉄（pig iron）である。
銑鉄は炭素含有量が多く硬くてもろいため、さらに転炉（BOF）や電気炉（EAF）を用いて不純物を除去し、炭素量を調整して鋼（スチール）へと変換する。これを製鋼（せいこう）という。
鉄の用途と工業的重要性
鉄とその合金は非常に広範な用途を持つ。特に鋼としての利用は社会基盤のあらゆる場面に及んでおり、その用途は以下の通りである。
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建築資材：鉄筋コンクリート構造、橋梁、ビルのフレームなど。
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輸送機器：自動車、船舶、鉄道車両、航空機部品。
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機械工業：エンジン、ギア、工具、ベアリング。
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家電・電子機器：洗濯機、冷蔵庫、電子レンジの部品。
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その他：缶詰や鋼板、パイプライン、鋲などの日用品。
また、特殊鋼としての応用も多岐にわたり、クロムやニッケルを添加したステンレス鋼や、タングステンを含む工具鋼など、高性能で耐食性、耐熱性を高めた製品群も開発されている。
生体内での鉄の役割
鉄は生命にとっても不可欠な元素であり、ヒトを含む多くの生物の代謝機能において中心的役割を果たしている。特に以下の点が重要である。
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ヘモグロビンの構成要素：赤血球中のヘモグロビンは鉄を含み、酸素の運搬を担っている。
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ミオグロビン：筋肉中の酸素貯蔵タンパク質であり、これも鉄を含む。
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酵素活性中心：鉄はカタラーゼやシトクロムなど多くの酵素の活性中心として重要。
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免疫機能とDNA合成：鉄は免疫系の維持、細胞増殖、DNA複製にも寄与する。
鉄欠乏は貧血を引き起こし、特に成長期の子ども、妊婦、慢性疾患を持つ人々において深刻な健康問題となる。一方、過剰な鉄はヘモクロマトーシスのような鉄過剰症を引き起こし、肝臓や心臓に障害をもたらす。
鉄の経済的影響と国際貿易
鉄鋼産業は、多くの国にとって経済の柱であり、鉄鉱石の輸出入、鉄鋼製品の生産量は国家経済に大きな影響を及ぼす。以下の表は、2024年の主要国別の鉄鉱石生産量（単位：百万トン）を示したものである。
| 国名 | 鉄鉱石生産量（2024年推定） |
|---|---|
| オーストラリア | 約930百万トン |
| ブラジル | 約420百万トン |
| 中国 | 約240百万トン |
| インド | 約210百万トン |
| ロシア | 約100百万トン |
このように、鉄の生産と輸出は国際市場においても重要な指標となっており、価格変動、需要動向、地政学的要因（例：戦争、関税政策、環境規制など）は鉄鋼業界全体に波及する。
環境と鉄鋼業
鉄鋼業はエネルギー多消費型産業であり、CO₂排出量の多さが課題となっている。世界の産業部門におけるCO₂排出の約7〜9％は鉄鋼業由来とされる。特に高炉を用いた製鉄は多量のコークスを消費するため、炭素排出が不可避である。
環境配慮の観点からは、次のような技術革新が進められている。
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水素還元製鉄（Hybrit技術）：水素ガスで鉄鉱石を還元し、CO₂排出を抑制。
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電気炉の導入拡大：スクラップ鋼を再利用することで資源効率と環境性を高める。
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カーボンキャプチャー技術：排出されるCO₂を捕集