鉄

鉄、  ₂₆ Fe

鉄
発音	/ ˈ aɪ ə r n /
同素体	鉄の同素体を参照
外観	灰色がかった光沢のある金属
標準原子量 A r °(Fe)
	55.845 ± 0.002 [1] 55.845 ± 0.002  （要約）[2]
周期表における鉄
水素 ヘリウム リチウム ベリリウム ボロン 炭素 窒素 酸素 フッ素 ネオン ナトリウム マグネシウム アルミニウム シリコン リン 硫黄 塩素 アルゴン カリウム カルシウム スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン 鉄 コバルト ニッケル 銅 亜鉛 ガリウム ゲルマニウム 砒素 セレン 臭素 クリプトン ルビジウム ストロンチウム イットリウム ジルコニウム ニオブ モリブデン テクネチウム ルテニウム ロジウム パラジウム 銀 カドミウム インジウム 錫 アンチモン テルル ヨウ素 キセノン セシウム バリウム ランタン セリウム プラセオジム ネオジム プロメチウム サマリウム ユーロピウム ガドリニウム テルビウム ジスプロシウム ホルミウム エルビウム ツリウム イッテルビウム ルテチウム ハフニウム タンタル タングステン レニウム オスミウム イリジウム 白金 金 水銀（元素） タリウム 鉛 ビスマス ポロニウム アスタチン ラドン フランシウム ラジウム アクチニウム トリウム プロトアクチニウム ウラン ネプツニウム プルトニウム アメリシウム キュリウム バークリウム カリホルニウム アインシュタイニウム フェルミウム メンデレビウム ノーベリウム ローレンシウム ラザホーディウム ドブニウム シーボーギウム ボーリウム ハッシウム マイトネリウム ダルムシュタディウム レントゲン コペルニシウム ニホニウム フレロビウム モスコビウム リバモリウム テネシン オガネソン – ↑ 鉄 ↓ ル マンガン←鉄→コバルト
原子番号 ( Z )	26
グループ	グループ8
期間	期間4
ブロック	dブロック
電子配置	[ Ar ] 3d 6 4s 2
殻あたりの電子数	2、8、14、2
物理的特性
STPでの フェーズ	固体
融点	1811  K (1538 °C、2800 °F)
沸点	3134 K (2861 °C、5182 °F)
密度（20℃）	7.874 g/cm3 [  3]
液体の場合（  mp）	6.98グラム/ cm3
融解熱	13.81  kJ/モル
気化熱	340kJ/モル
モル熱容量	25.10 J/(モル·K)
蒸気圧 パ （Pa） 1 10 100 1k 10k 10万 T （K）で  1728 1890 2091 2346 2679 3132
原子特性
酸化状態	−4、−2、−1、0、+1、[4] +2、+3、+4、+5、[5] +6、+7 [6]（ 両性酸化物）
電気陰性度	ポーリングスケール: 1.83
イオン化エネルギー	1位: 762.5 kJ/mol 2位: 1561.9 kJ/mol 3位: 2957 kJ/mol （もっと）
原子半径	経験的: 午後126時
共有結合半径	低スピン: 132±3 pm 高スピン: 152±6 pm
ファンデルワールス半径	194 [1] 午後
鉄のスペクトル線
その他のプロパティ
自然発生	原始的な
結晶構造	α-Fe:体心立方(bcc) ( cI2 )
格子定数	a  = 286.65 pm （20℃）[3]
結晶構造	γ-Fe (912–1394 °C):面心立方(fcc) ( cF4 )
格子定数	a  = 364.68 pm（916℃）[7]
熱膨張	12.07 × 10 -6 /K (20 °C 時) [3]
熱伝導率	80.4 W/(m⋅K)
電気抵抗率	96.1 nΩ⋅m（20℃）
キュリー点	1043 キロ
磁気秩序	強磁性
ヤング率	211 万気圧
せん断弾性係数	82GPa
体積弾性率	170GPa
音速の 細い棒	5120 m/s ( 室温で) (電解)
ポアソン比	0.29
モース硬度	4
ビッカース硬度	608MPa
ブリネル硬度	200～1180MPa
CAS番号	7439-89-6
歴史
発見	紀元前5000年以前
シンボル	「Fe」: ラテン語のferrumから
鉄の同位体 ヴ e
主な同位体[8] 減衰 豊富 半減期 （t 1/2） モード 製品 54鉄 5.85% 安定した 55鉄 シンセ 2.73年 ε 55 百万 56鉄 91.8% 安定した 57鉄 2.12% 安定した 58鉄 0.28% 安定した 59鉄 シンセ 44.6日 β − 59コー 60鉄 トレース 2.6 × 10 6 年 β − 60共同
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鉄は化学元素であり、記号は Fe (ラテン語の ferrum  「鉄」に由来)、原子番号は26 です。鉄は周期表の第 1 遷移系列および第 8 族に属する金属です。質量で見ると、鉄は地球上で最も一般的な元素であり、地球の外核と内核の大部分を形成しています。鉄は地球の地殻で4 番目に豊富な元素であり、主に金属状態で 隕石によって堆積します。

鉄鉱石から使用可能な金属を抽出するには、1,500 °C (2,730 °F) まで加熱できる窯や炉が必要です。これは銅を精錬するのに必要な温度よりも約 500 °C (932 °F) 高い温度です。人類は 紀元前 2 千年紀にユーラシアでそのプロセスを習得し始め、鉄の道具や武器の使用が銅合金に取って代わり始めました。一部の地域では、紀元前 1200 年頃にようやくそうなりました。この出来事は、青銅器時代から鉄器時代への移行と考えられています。現代の世界では、鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、特殊鋼などの鉄合金は、その機械的特性と低コストにより、圧倒的に最も一般的な工業用金属です。したがって、鉄鋼産業は経済的に非常に重要であり、鉄は 1 キログラムまたは 1 ポンドあたり数ドルの価格で最も安価な金属です。

清潔で滑らかな純鉄の表面は、鏡のような銀灰色です。鉄は酸素や水と容易に反応して、茶色から黒色の水和 鉄酸化物（一般にサビと呼ばれます）を生成します。不動態化層を形成する他の金属の酸化物とは異なり、サビは金属よりも体積が大きいため剥がれ落ち、腐食しやすい新鮮な表面が増えます。化学的に、鉄の最も一般的な酸化状態は鉄(II)と鉄(III)です。鉄は、他の第 8 族元素、ルテニウム、オスミウムなど、他の遷移金属と多くの特性を共有しています。鉄は、-4 から +7 までの広範囲の酸化状態で化合物を形成します。鉄は多くの配位化合物も形成します。フェロセン、フェリオキサレート、プルシアンブルーなど、その一部は工業、医療、研究に大きく応用されています。

成人の体内には約4グラム（体重の0.005％）の鉄が含まれており、そのほとんどはヘモグロビンとミオグロビンに含まれています。これら2つのタンパク質は、血液による酸素輸送と筋肉への酸素貯蔵に重要な役割を果たしています。必要なレベルを維持するために、人間の鉄代謝には食事からの鉄の摂取が最小限で済みます。鉄はまた、植物や動物の細胞呼吸や酸化還元に関わる多くの重要な酸化還元酵素の活性部位にある金属でもあります。^[9]

鉄には少なくとも 4 つの同素体（固体中の原子配列が異なる）が知られており、慣例的にα、γ、δ、εで表されます。

最初の3つの形態は常圧で観察される。溶融鉄が凝固点の1538℃を超えて冷却されると、体心立方（bcc）結晶構造を持つδ同素体に結晶化する。さらに1394℃まで冷却すると、面心立方（fcc）結晶構造のγ鉄同素体、つまりオーステナイトに変化する。912℃以下では、結晶構造は再びbcc α鉄同素体になる。^[10]

非常に高い圧力と温度における鉄の物理的性質も、地球や他の惑星の核に関する理論との関連性から、広範囲に研究されてきました^。約10GPa以上、数百ケルビン以下の温度では、α-鉄は別の六方最密充填（hcp）構造に変化し^、ε-鉄としても知られています。より高温のγ相もε-鉄に変化しますが、より高い圧力で変化します。

50 GPa以上の圧力と少なくとも1500 Kの温度で安定したβ相が存在するという議論の余地のある実験的証拠がいくつか存在する。これは斜方晶系または二重hcp構造を持つと考えられている。^[13]（紛らわしいことに、「β鉄」という用語は、結晶構造が変化していなくても、キュリー点を超えると強磁性から常磁性に変化するα鉄を指すために使用されることもある。^[10]）

地球の内核は一般的にε（またはβ）構造の鉄ニッケル合金で構成されていると推定されている。 ^[14]

鉄の融点と沸点、および原子化エンタルピーは、スカンジウムからクロムまでの以前の3d元素よりも低く、3d電子が原子核によって不活性コアに引き寄せられるにつれて金属結合への3d電子の寄与が減少することを示している。^{[15]しかし、以前の元素}マンガンの値よりも高いのは、この元素の3dサブシェルが半分満たされているため、d電子が非局在化しにくいためである。この同じ傾向はルテニウムには見られるが、オスミウムには見られない。^[16]

鉄の融点は、50GPa未満の圧力では実験的に明確に定義されています。より高い圧力の場合、公表されたデータ（2007年現在）は、数十ギガパスカルと1000ケルビン以上も変化します。^[17]

キュリー点770℃（1,420℉、1,040K）以下では、α鉄は常磁性から強磁性に変化します。各原子の2つの不対電子のスピンは、一般的に隣接する電子のスピンと整列し、全体として磁場を形成します_{。[19] これは、2つの電子の軌道（dz2とdx2-y2}）が^格子内_の隣接_{する原子^に向か}ないため、金属結合に関与しないために発生します。 [ ^{₁₀ ]}

外部からの磁場源がない場合、原子は自発的に幅約10マイクロメートルの磁気ドメインに分割され、^[20]各ドメイン内の原子は平行スピンを持ちますが、一部のドメインは他の方向を持ちます。したがって、巨視的な鉄片は全体的にほぼゼロの磁場を持ちます。

外部磁場を加えると、同じ方向に磁化されたドメインが、他の方向を向く隣接するドメインを犠牲にして成長し、外部磁場が強化されます。この効果は、電気変圧器、磁気記録ヘッド、電気モーターなど、設計機能を果たすために磁場を導く必要があるデバイスで利用されています。不純物、格子欠陥、または粒界と粒子の境界は、ドメインを新しい位置に「固定」できるため、外部磁場が除去された後でも効果が持続し、鉄の物体が（永久）磁石に変わります。^[19]

同様の挙動は、鉱物磁鉄鉱を含むフェライトなどの一部の鉄化合物でも見られます。磁鉄鉱は、混合鉄(II,III)酸化物Fe ₃ O ₄の結晶形態です(ただし、原子レベルのメカニズムであるフェリ磁性は多少異なります)。天然の永久磁化を持つ磁鉄鉱の破片 (天然磁石) は、最も初期の航海用コンパスを提供しました。磁鉄鉱の粒子は、コアメモリ、磁気テープ、フロッピーディスク、ディスクなどの磁気記録媒体に広く使用されていましたが、コバルトベースの材料に置き換えられました。

鉄には4つの安定同位体がある：⁵⁴ Fe（天然鉄の5.845%）、⁵⁶ Fe（91.754%）、⁵⁷ Fe（2.119%）、⁵⁸ Fe（0.282%）。24の人工同位体も作られている。これらの安定同位体のうち、^{57 Feのみが核}スピン（− 1 ⁄ 2 ）を持っている。核種 ^{54 Feは理論的には54} Crへの二重電子捕獲を受けることができるが、このプロセスはこれまで観測されておらず、半減期の下限値である4.4×10 ²⁰年しか確立されていない。^[21]

⁶⁰ Fe は半減​​期の長い（260 万年）絶滅した放射性核種である。 ^[22]地球上には存在しないが、その最終的な崩壊生成物は、その孫である安定核種⁶⁰ Niである。^[8]鉄の同位体組成に関する過去の研究の多くは、隕石と鉱石形成の研究による⁶⁰ Feの核合成に焦点を当ててきた。過去 10 年間で、質量分析法の進歩により、鉄の安定同位体の比率の微細で自然に発生する変動を検出し、定量化できるようになった。この研究の多くは地球惑星科学コミュニティによって推進されているが、生物系や産業システムへの応用も現れつつある。^[23]

セマルコナ隕石とチェルヴォニー・クート隕石の相では、 ⁶⁰ Feの孫である⁶⁰ Niの濃度と安定鉄同位体の存在量との相関関係が見られ、太陽系形成時に^{60 Feが存在していた証拠となった。おそらく、 60} Feの崩壊によって放出されたエネルギーは、 ²⁶ Alによって放出されたエネルギーとともに、46億年前に形成された小惑星の再溶融と分化に寄与したと考えられる。地球外物質中に存在する⁶⁰ Niの豊富さは、太陽系の起源と初期の歴史に関するさらなる洞察をもたらすかもしれない。^[24]

最も豊富な鉄同位体である^{56 Fe は、}元素合成の最も一般的な終点を表すため、原子核科学者にとって特に興味深いものです。^{[25] 56} Ni (14 個のアルファ粒子) は、超新星の核反応におけるアルファ過程でより軽い原子核から容易に生成されるため(シリコン燃焼過程を参照)、極めて質量の大きい恒星内部での核融合連鎖の終点となります。アルファ粒子をさらに追加することも可能ですが、恒星内部の条件により光崩壊とアルファ過程が競合し、 ^{56 Ni 付近で光崩壊が優先されるため、連鎖は実質的に56} Ni で終了します。^{[26] [27]}半減期が約 6 日であるこの^{56 Ni は、これらの恒星で大量に生成されますが、すぐに}超新星残骸ガス雲内の超新星崩壊生成物内で 2 回の連続した陽電子放出によって崩壊し、最初は放射性の⁵⁶ Coに、次に安定した⁵⁶ Fe になります。そのため、鉄は赤色巨星の中心核で最も豊富な元素であり、鉄隕石や地球などの惑星の高密度金属中心核で最も豊富な金属です。^[28]また、ほぼ同じ原子量の他の安定した金属と比較して、宇宙では非常に一般的です。^{[28] [29]鉄は}宇宙で6番目に豊富な元素であり、最も一般的な難融点元素です。^[30]

⁵⁶ Feよりもわずかに高い結合エネルギーを持つ⁶² Niを合成することで、さらにわずかなエネルギーを得ることもできるが、恒星の状態はこのプロセスには適していない。超新星での元素生成はニッケルよりも鉄の方がはるかに有利であり、いずれにしても、⁵⁶ Feは軽い陽子の割合が高いため、⁶² Niよりも核子あたりの質量が低い。 ^[31]そのため、鉄よりも重い元素は、 ⁵⁶ Fe核による急速な中性子捕獲を伴う超新星爆発によって形成される必要がある。 ^[28]

宇宙の遠い未来では、陽子崩壊が起こらないと仮定すると、量子トンネル効果による常温核融合により、通常の物質中の軽い原子核が⁵⁶ Fe原子核に融合する。その後、核分裂とアルファ粒子の放出により重い原子核が鉄に崩壊し、恒星質量の物体はすべて純粋な鉄の冷たい球体になる。^[32]

地球のような岩石惑星に鉄が豊富に存在するのは、 Ia型超新星の暴走核融合と爆発の際に鉄が大量に生成され、宇宙に散乱するためである。 ^{[33] [34]}

金属鉄や天然の鉄は酸化しやすいため、地球の表面ではほとんど見つかりません。しかし、地球全体の質量の 35% を占める地球の内核と外核は、どちらも主に鉄合金（おそらくニッケルを含む）でできていると考えられています。液体の外核の電流が、地球の磁場の起源であると考えられています。他の地球型惑星（水星、金星、火星）と月は、主に鉄からなる金属核を持っていると考えられています。M型小惑星も、部分的または大部分が金属鉄合金でできていると考えられています。

希少な鉄隕石は、地球表面の天然金属鉄の主な形態である。冷間加工された隕石鉄で作られた品々は、鉄の製錬がまだ開発されていなかった時代のさまざまな考古学的遺跡で発見されており、グリーンランドのイヌイットはケープヨーク隕石の鉄を道具や狩猟用の武器に使用していたと報告されている。 ^[35]隕石の約20分の1は、鉄ニッケル鉱物であるテーナイト（鉄35～80％）とカマサイト（鉄90～95％）で構成されている。^[36]天然鉄は、炭素に富む堆積岩と接触したマグマから形成された玄武岩にもまれに見られる。堆積岩は、鉄が結晶化するのに十分な酸素のフガシティを低下させた。これは地鉄として知られ、西グリーンランドのディスコ島、ロシアのヤクート、ドイツのビュールなど、いくつかの産地で発見されている。 ^[37]

フェロペリクレース (Mg,Fe)O は、ペリクレース(MgO) とウスタイト(FeO)の固溶体であり、地球の下部マントルの体積の約 20% を占め、この地域ではケイ酸塩ペロブスカイト(Mg,Fe)SiO ₃に次いで 2 番目に豊富な鉱物相です。また、下部マントルの鉄の主なホストでもあります。^{[38]マントル}遷移層の底では、反応 γ- (Mg,Fe) ₂ [SiO ₄ ] ↔ (Mg,Fe)[SiO ₃ ] + (Mg,Fe)Oにより、γ-オリビンがケイ酸塩ペロブスカイトとフェロペリクレースの混合物に変換され、その逆も同様です。文献では、下部マントルのこの鉱物相はマグネシオウスタイトとも呼ばれることがあります。^[39]ケイ酸塩ペロブスカイトは下部マントルの最大93％を占めていると考えられており、^[40]マグネシウム鉄形態（Mg、Fe）SiO ₃は地球上で最も豊富な鉱物であると考えられており、地球の体積の38％を占めています。^[41]

鉄は地球上で最も豊富な元素であるが、そのほとんどは内核と外核に集中している。^{[42] [43]}地球の地殻に含まれる鉄の割合は、地殻全体の質量の約5％に過ぎず、したがってその層で4番目に豊富な元素である（酸素、ケイ素、アルミニウムに次ぐ）。^[44]

地殻中の鉄のほとんどは、さまざまな他の元素と結合して多くの鉄鉱物を形成します。重要なクラスは、鉄の主要鉱石であるヘマタイト（Fe ₂ O ₃）、マグネタイト（Fe ₃ O ₄）、シデライト（FeCO ₃ ）などの酸化鉄鉱物です。多くの火成岩には、硫化鉱物の磁硫鉄鉱とペントランド鉄鉱も含まれています。^{[45] [46]}風化の過程で、鉄は硫化物鉱床からは硫酸塩として、ケイ酸塩鉱床からは重炭酸塩として浸出する傾向があります。これらは両方とも水溶液中で酸化され、わずかに pH が上昇しただけでも酸化鉄(III)として沈殿します。^[47]

鉄の大きな鉱床は縞状鉄鉱床であり、鉄酸化物の薄い層と鉄分の少ない頁岩やチャートの帯が交互に重なった岩石の一種である。縞状鉄鉱床は37億年前から18億年前の間に堆積した。^{[48] [49]}

黄土などの細かく粉砕された鉄(III)酸化物または酸化水酸化物を含む物質は、先史時代から黄色、赤色、茶色の顔料として使用されてきました。これらはまた、オレゴン州のペインテッドヒルズやブンツサンドシュタイン（「有色砂岩」、英国ブンター）などの地質学的形成全体を含むさまざまな岩石や粘土の色にも貢献しています。^[50]アイゼンサンドシュタイン（ジュラ紀の「鉄砂岩」、たとえばドイツのドンツドルフ産） ^[51]や英国のバースストーンを通じて、鉄化合物は多くの歴史的建造物や彫刻の黄色がかった色の原因となっています。^[52]火星の表面の有名な赤い色は、鉄酸化物を豊富に含むレゴリスに由来しています。^[53]

硫化鉄鉱物である黄鉄鉱（FeS 2 ）には相当量の鉄が含まれていますが、_そこから鉄を抽出するのは困難であるため、採掘されていません。^[54]実際、鉄は非常に一般的なので、生産は通常、非常に多くの鉄を含む鉱石にのみ焦点を当てています。^[55]

国際資源パネルの「社会における金属の備蓄」報告書によると、社会で使用されている世界の鉄の備蓄量は1人当たり2,200kgである。この点で先進国と発展途上国は異なっている（1人当たり7,000～14,000kg対2,000kg）。^[56]

海洋科学は、古代の海における鉄が海洋生物と気候の両方において役割を果たしていたことを実証した。^[57]

鉄は遷移金属の特徴的な化学的性質、すなわち、1段階ずつ異なる可変酸化状態を形成する能力と、非常に大きな配位および有機金属化学を示す。実際、 1950年代に後者の分野に革命をもたらしたのが、鉄化合物フェロセンの発見であった。 ^[59]鉄は、その豊富さと人類の技術的進歩において果たしてきた計り知れない役割のために、遷移金属ブロック全体のプロトタイプと見なされることがある。^[60]鉄の26個の電子は[Ar]3d ⁶ 4s ^2の構成で配置されており、そのうち3d電子と4s電子はエネルギー的に比較的近いため、多くの電子がイオン化される可能性がある。^[16]

鉄は主に酸化状態+2 (鉄(II)、"第一鉄") および +3 (鉄(III)、"第三鉄") の化合物を形成します。鉄はより高い酸化状態でも存在し、例えば紫色の鉄酸カリウム(K ₂ FeO ₄ ) には +6 の酸化状態の鉄が含まれています。鉄が +7 の酸化状態にあるアニオン [FeO ₄ ]^は、鉄(V)-ペルオキソ異性体とともに、レーザーアブレーションされた Fe 原子と O ₂ /Ar の混合物との共凝縮後に 4 K で赤外分光法によって検出されました。^{[61]鉄(IV) は、多くの生化学的}酸化反応で一般的な中間体です。[ ^{62] [63]}多くの有機鉄化合物には、+1、0、-1、さらには -2 の形式酸化状態が含まれます。^[64]混合原子価化合物の多くは、鉄(II)_中心と鉄(III)中心の両方を含み、例えば磁鉄鉱やプルシアンブルー( Fe4 (Fe[CN] ₆ ) ₃ )などがある。^[63]後者は、設計図では伝統的に「青」として使われている。^[65]

鉄は遷移金属の中で最初に+8のグループ酸化状態に達することができないが、より重い同族元素であるルテニウムとオスミウムは+8に達することができるが、ルテニウムはオスミウムよりも困難である。^[10]ルテニウムは鉄と同様に低酸化状態で水性陽イオン化学を示すが、オスミウムはこれを示さず、陰イオン錯体を形成する高酸化状態を好む。^[10] 3d遷移系列の後半では、グループを下る垂直方向の類似性が、鉄と周期表で隣接するコバルトやニッケルとの水平方向の類似性と競合する。これらも室温で強磁性を示し、同様の化学的性質を共有している。そのため、鉄、コバルト、ニッケルは鉄三元素としてグループ化されることがある。^[60]

他の多くの金属とは異なり、鉄は水銀とアマルガムを形成しません。そのため、水銀は標準化された76ポンド（34kg）の鉄製フラスコで取引されています。^[66]

鉄は同族元素の中で最も反応性が高い元素である。細かく砕くと自然発火し、希酸に容易に溶解してFe ²⁺となる。しかし、不浸透性の酸化層を形成するため濃硝酸やその他の酸化酸とは反応しないが、塩酸とは反応する。^[10]電解鉄と呼ばれる高純度の鉄は、その酸化層により錆びにくいと考えられている。

鉄は様々な酸化物や水酸化物化合物を形成する。最も一般的なものは、鉄(II,III)酸化物(Fe ₃ O ₄ ) と鉄(III)酸化物(Fe ₂ O ₃ ) である。鉄(II)酸化物も存在するが、室温では不安定である。名前にもかかわらず、実際にはすべて非化学量論的化合物であり、その組成は変化する可能性がある。^[67]これらの酸化物は、鉄の生産のための主要な鉱石である (塊鉄鉱と高炉を参照)。これらは、フェライト、コンピューターの有用な磁気記憶媒体、および顔料の製造にも使用される。最もよく知られている硫化物は黄鉄鉱(FeS ₂ ) で、その金色の光沢から愚者の黄金としても知られている。^[63]これは鉄(IV)化合物ではなく、実際にはFe ²⁺とSを含む鉄(II)多硫化物である。²⁻²
_...歪んだ塩化ナトリウム構造中のイオン。^[67]

二成分のハロゲン化第一鉄と第二鉄はよく知られています。ハロゲン化第一鉄は通常、鉄金属を対応するハロゲン化水素酸で処理して対応する水和塩を生成することで生成されます。^[63]

Fe + 2 HX → FeX ₂ + H ₂ (X = F、Cl、Br、I)

鉄はフッ素、塩素、臭素と反応して対応するハロゲン化鉄（III）を生成するが、最も一般的なのは塩化鉄（III）である。 ^[68]

2 Fe + 3 X ₂ → 2 FeX ₃ (X = F、Cl、Br)

ヨウ化鉄は例外で、Fe ^{3+の酸化力とI −}の高い還元力のために熱力学的に不安定である：^[68]

2 I ⁻ + 2 Fe ³⁺ → I ₂ + 2 Fe ²⁺ (E ⁰ = +0.23 V)

ヨウ化鉄は黒色の固体で、通常の条件下では安定していないが、ヘキサンと光の存在下で、酸素と水を排除し、温度-20℃で鉄ペンタカルボニルとヨウ素および一酸化炭素を反応させることで製造することができる。 ^[68]ヨウ化鉄といくつかの軟塩基との錯体は安定した化合物であることが知られている。^{[69] [70]}

いくつかの一般的な鉄イオンの酸性水溶液中の標準還元電位は以下の通りである: [ 10 ^]

赤紫色の四面体鉄酸（VI）陰イオンは非常に強力な酸化剤であり、アンモニアを窒素（N2）に_、水を酸素に酸化する。^[68]

4FeO​²⁻⁴
_...+ 34時間
₂O → 4 [Fe(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ + 20 OH⁻
+ 3 酸素₂

淡紫色の六価アクオ錯体 [Fe(H ₂ O) ₆ ] ^3+は酸であり、pH 0以上では完全に加水分解される。^[71]

pHが0を超えると上記の黄色の加水分解種が形成され、2～3を超えると赤褐色の含水酸化鉄(III)が溶液から沈殿する。Fe ^3+はd ⁵配置であるが、その吸収スペクトルは弱いスピン禁制のd-dバンドを持つMn ²⁺の吸収スペクトルとは異なり、Fe ^3+はより高い正電荷を持ち、より分極し、配位子から金属への電荷移動吸収のエネルギーを低下させる。したがって、上記の錯体はすべて、ヘキサクオイオンを除いてかなり強く着色されている。ヘキサクオイオンでさえ、近紫外線領域での電荷移動が支配的なスペクトルを持っている。^[71]一方、淡い緑色のヘキサクオ鉄(II)イオン[Fe(H ₂ O) ₆ ] ^2+は、顕著な加水分解を受けない。炭酸アニオンを添加しても二酸化炭素は発生せず、代わりに白い炭酸鉄(II)が沈殿する。過剰な二酸化炭素では、わずかに溶ける重炭酸塩が形成されます。これは地下水中によく見られますが、空気中で急速に酸化されて酸化鉄(III)を形成し、これが多くの河川に存在する茶色の沈殿物の原因となります。^[72]

鉄はその電子構造により、非常に大きな配位性と有機金属化学を持っています。

鉄の配位化合物は数多く知られている。典型的な6配位アニオンはヘキサクロロ鉄(III)酸(III) [FeCl ₆ ] ³⁻で、混合塩 テトラキス(メチルアンモニウム)ヘキサクロロ鉄(III)酸(III)塩化物中に見られる。^{[73] [74]}複数の二座配位子を持つ錯体には幾何異性体がある。例えば、トランス-クロロヒドリドビス(ビス-1,2-(ジフェニルホスフィノ)エタン)鉄(II)錯体は、 Fe( dppe ) ₂部分を持つ化合物の出発物質として使用される。^{[75] [76] 3つの}シュウ酸配位子を持つ鉄シュウ酸イオンは、 IUPACの慣例に従って、左巻きのねじ軸にはΛ (ラムダ)、右巻きのねじ軸にはΔ (デルタ)とラベル付けされた2つの重ね合わせることのできない形状を持つらせん状のキラリティーを示す。^[71]鉄シュウ酸カリウムは化学光量測定に使用され、そのナトリウム塩とともに旧式の写真プロセスで適用される光還元を受ける。鉄(II)シュウ酸二水和物は、以下に示すように、共平面のシュウ酸イオンが鉄中心間を架橋し、結晶水が各八面体のキャップを形成するポリマー構造を有する。^[77]

鉄(III)錯体はクロム(III)錯体と非常によく似ているが、鉄(III)はN供与性配位子ではなくO供与性配位子を好むという点が異なる。後者は鉄(II)錯体よりも不安定な傾向があり、水中で解離することが多い。多くのFe-O錯体は強い色を示し、フェノールやエノールの検査に用いられる。例えば、フェノールの存在を判定するために使用される塩化鉄試験では、塩化鉄(III)はフェノールと反応して濃い紫色の錯体を形成する: ^[71]

3 ArOH + FeCl ₃ → Fe(OAr) ₃ + 3 HCl (Ar =アリール)

ハロゲン化物および擬ハロゲン化物錯体のうち、鉄(III)のフッ素錯体が最も安定しており、無色の[FeF ₅ (H ₂ O)] ²⁻が水溶液中で最も安定しています。クロロ錯体は安定性が低く、[FeCl ₄ ] ⁻のように四面体配位を好みます。 [FeBr ₄ ] ⁻および[FeI ₄ ] ^{− は}容易に鉄(II)に還元されます。チオシアン酸塩は血のように赤い[Fe(SCN)(H ₂ O) ₅ ] ²⁺を形成するため、鉄(III)の存在を調べる一般的な検査法です。マンガン(II)と同様に、ほとんどの鉄(III)錯体は高スピンですが、シアン化物などの分光化学系列で高い位にある配位子を持つものは例外です。低スピン鉄(III)錯体の例としては、[Fe(CN) ₆ ] ³⁻があります。鉄は、dブロック元素のあらゆるスピン量子数（0（反磁性）から5 ⁄ 2 （不対電子5個）まで）を含む、非常に多様な電子スピン状態を示す。この値は常に不対電子数の半分である。不対電子が0～2個の錯体は低スピン、4～5個の錯体は高スピンとみなされる。^[67]

鉄(II)錯体は鉄(III)錯体よりも安定性が低いが、O供与性配位子に対する選択性はそれほど顕著ではないため、例えば[Fe(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺は知られているが、[Fe(NH ₃ ) ₆ ] ^3+は知られていない。これらは鉄(III)に酸化される傾向があるが、これは低pHと使用される特定の配位子によって緩和される可能性がある。^[72]

有機鉄化学は、炭素原子が金属原子に共有結合している鉄の有機金属化合物の研究分野です。有機金属化合物には、シアン化物錯体、カルボニル錯体、サンドイッチ化合物、ハーフサンドイッチ化合物など、多種多様な化合物があります。

プルシアンブルーまたは「フェリシアン化鉄」、Fe ₄ [Fe(CN) ₆ ] _{3 は}、古くからよく知られている鉄シアン化物錯体であり、顔料やその他の用途に広く使用されています。プルシアンブルーの形成は、Fe ²⁺と Fe ^{3+の水溶液がそれぞれ}フェリシアン化カリウムとフェロシアン化カリウムと反応してプルシアンブルーを形成するため、それらの水溶液を区別するための簡単な湿式化学試験として使用できます。^[63]

有機鉄化合物の古い例としては、鉄ペンタカルボニル（Fe(CO) ₅）がある。これは、中性鉄原子が5つの一酸化炭素分子の炭素原子に結合している化合物である。この化合物は、金属鉄の反応性の高い形態であるカルボニル鉄粉の製造に使用できる。鉄ペンタカルボニルを熱分解すると、 3つの鉄原子のクラスターを中心とする錯体である三鉄ドデカカルボニル（Fe ₃ (CO) _{12 ）}が得られる。コルマン試薬であるテトラカルボニル鉄酸二ナトリウムは、有機化学に有用な試薬であり、-2の酸化状態の鉄を含む。シクロペンタジエニル鉄ジカルボニル二量体には、まれな+1の酸化状態の鉄が含まれる。^[78]

この分野における画期的な発見は、1951年にPausonとKealy ^[79]およびMillerと同僚によって独立に発見された、驚くほど安定したサンドイッチ化合物 フェロセン Fe(C ₅ H ₅ ) _2でし^{た。 [80]}その驚くべき分子構造は、わずか1年後にWoodwardとWilkinson ^[81]とFischerによって決定されました。^[82] フェロセンは今でもこのクラスで最も重要なツールとモデルの1つです。^[83]

鉄を中心とする有機金属種は触媒として用いられる。例えば、クノルカー錯体はケトンの移動水素化触媒である。^[84]

工業的に最も大規模に生産されている鉄化合物は硫酸鉄(II)（FeSO ₄ ·7 H ₂ O）と塩化鉄(III)（FeCl ₃）である。前者は最も入手しやすい鉄(II)源の一つであるが、モール塩（(NH ₄ ) ₂ Fe(SO ₄ ) ₂ ·6H ₂ O）よりも空気酸化に対して安定性が低い。鉄(II)化合物は空気中で鉄(III)化合物に酸化される傾向がある。^[63]

鉄は古代世界で間違いなく知られていた元素の一つです。^[85]鉄は何千年もの間加工されてきました。しかし、鉄は腐食しやすいため、大昔の鉄の工芸品は金や銀で作られたものよりはるかに希少です。^[86]技術の発展は遅く、製錬法の発見後も、道具や武器に選ばれる金属として鉄が青銅に取って代わるまでには何世紀もかかりました。

紀元前3500年かそれ以前に隕石から作られたビーズが、エジプトのゲルゼでGAウェインライトによって発見された。^[87]ビーズには7.5%のニッケルが含まれており、地球の地殻で見つかった鉄には通常ごくわずかなニッケル不純物しか含まれていないため、これは隕石起源の特徴である。

隕鉄は天空起源であることから高く評価されており、武器や道具の鍛造によく使われた。^[87]例えば、ツタンカーメンの墓からは隕鉄製の短剣が発見されたが、その短剣には、古代の流星群によって堆積した、その地域で発見された隕石と同様の鉄、コバルト、ニッケルの含有率が含まれていた。^{[88] [89] [90]}エジプト人が鉄で作ったと思われる品物は、紀元前3000年から2500年頃のものである。^[86]

隕石鉄は比較的柔らかく延性があり、冷間鍛造が容易であるが、ニッケル含有量が多いため加熱すると脆くなる可能性がある。^[91]

最初の鉄の生産は中期青銅器時代に始まりましたが、鉄が青銅に取って代わるまでには数世紀を要しました。アスマル、メソポタミア、シリア北部のタル・チャガル・バザールで精錬された鉄のサンプルは、紀元前3000年から2700年の間に作られたものです。^[92]ヒッタイト人は紀元前1600年頃にアナトリア中央北部に帝国を築きました。彼らは鉄鉱石から鉄を生産することを理解し、それを社会で高く評価した最初の人々のようです。^[93]ヒッタイト人は紀元前1500年から1200年の間に鉄の精錬を始め、紀元前1180年に彼らの帝国が崩壊した後、その慣習は近東の他の地域に広まりました。^{[92]その後の時代は}鉄器時代と呼ばれています。

精錬された鉄の遺物はインドで紀元前1800年から1200年頃のものとされ、^[94]レバントでは紀元前1500年頃のもの（アナトリアまたはコーカサスで精錬が行われていたことを示唆）が見つかっている。^{[95] [96]}インド・ヴェーダにおける鉄への言及（南アジアの冶金史を参照）は、インドで鉄がかなり早い時期に使用されていたという主張に使用され、テキストの年代を特定するのに利用されてきた。リグ・ヴェーダの用語「アヤス（金属）」は銅を指し、鉄は「黒銅」を意味する「シャマ・アヤス」と呼ばれ、リグ・ヴェーダ以降の「アタルヴァ・ヴェーダ」で初めて言及されている。^[97]

いくつかの考古学的証拠は、紀元前8世紀にはすでにジンバブエと南東アフリカで鉄が製錬されていたことを示唆している。 ^{[98]鉄の加工は紀元前11世紀後半に}ギリシャに導入され、そこからヨーロッパ全土に急速に広まった。^[99]

中央ヨーロッパと西ヨーロッパにおける鉄細工の普及は、ケルト人の拡大と関連している。大プリニウスによれば、ローマ時代には鉄の使用は一般的であった。 ^[87]現在中国とされて​​いる地域では、鉄は紀元前700～500年頃に出現している。^[100]鉄の製錬は中央アジアを通じて中国に伝わった可能性がある。^{[101]中国で}高炉が使用された最も古い証拠は紀元後1世紀にまで遡り、^[102]キューポラ炉は早くも戦国時代（紀元前403～221年）に使用されていた。^[103]高炉とキューポラ炉の使用は唐代と宋代にも広く残っていた。^[104]

イギリスの産業革命の間、ヘンリー・コートは革新的な生産システムを用いて銑鉄から錬鉄（または棒鉄）への鉄の精製を始めた。 1783年に彼は鉄鉱石を精錬するためのパドリング法の特許を取得した。これは後にジョセフ・ホールを含む他の人々によって改良された。^[105]

鋳鉄は紀元前5世紀に中国で初めて生産されましたが、 ^[106]中世までヨーロッパではほとんど見られませんでした。^{[107] [108]}最も古い鋳鉄製の工芸品は、現在の中国江蘇省鹿河県で考古学者によって発見されました。鋳鉄は古代中国で戦争、農業、建築に使用されていました。^[109]中世には、ヨーロッパで精錬炉を使用して鋳鉄（この文脈では銑鉄として知られています）から錬鉄を生産する手段が発見されました。これらすべてのプロセスでは、燃料として木炭が必要でした。^[110]

中世の高炉は高さ約10フィート（3.0メートル）で耐火レンガで作られており、強制空気は通常手動で操作するふいごによって供給されていました。^[108]現代の高炉ははるかに大きくなり、炉床の直径は14メートルで、毎日何千トンもの鉄を生産することができますが、基本的には中世とほぼ同じように動作します。^[110]

1709年、アブラハム・ダービー1世は、高炉の使用は継続したものの、木炭に代えて鋳鉄を生産するためのコークス燃焼高炉を建設した。その結果、安価な鉄が利用できるようになったことが、産業革命につながる要因の1つとなった。18世紀末には、鋳鉄の方が安価であったため、特定の用途で錬鉄に取って代わるようになった。鉄の炭素含有量が、錬鉄、鋳鉄、鋼の特性の違いの原因であるとは、18世紀まで指摘されていなかった。^[92]

鉄はより安価で豊富になってきたため、1778年に革新的な最初の鉄橋が建設されて以来、主要な構造材料としても使われるようになりました。この橋は、産業革命で鉄が果たした役割の記念碑として今日でも立っています。その後、鉄はレール、ボート、船舶、水道、建物、蒸気機関の鉄シリンダーに使用されました。^[110]鉄道は近代化と進歩の思想の形成において中心的な存在であり、 ^{[111]さまざまな言語で鉄道は}鉄の道と呼ばれています（例：フランス語のchemin de fer、ドイツ語のEisenbahn、トルコ語のdemiryolu、ロシア語のжелезная дорога、中国語、日本語、韓国語の鐵道、ベトナム語のđường sắt）。

鋼（炭素含有量は銑鉄より少ないが、錬鉄よりは多い）は、古代に初めて塊鉄炉で生産された。ペルシャ西部のルリスタンの鍛冶屋は、紀元前1000年までに良質の鋼を製造していた。^[92]その後、改良版として、インドのウーツ鋼とダマスカス鋼がそれぞれ紀元前300年頃と西暦500年頃に開発された。これらの方法は特殊化されていたため、鋼が主要な商品になったのは1850年代になってからであった。^[112]

17世紀には、セメント化工程で鉄棒を炭化して鉄を製造する新しい方法が考案された。産業革命では、木炭を使わずに鉄棒を製造する新しい方法が考案され、後に鋼鉄の製造に応用された。1850年代後半、ヘンリー・ベッセマーは、溶融した銑鉄に空気を吹き込んで軟鋼を製造する新しい製鋼法を発明した。これにより鋼鉄ははるかに経済的になり、錬鉄は大量生産されなくなった。^[113]

1774年、アントワーヌ・ラボアジエは白熱鉄管内で水蒸気と金属鉄を反応させて水素を生成する実験を行い、質量保存則を実証しました。これは化学を定性的科学から定量的科学へと変えるのに役立ちました。^[114]

鉄は神話の中で一定の役割を果たしており、比喩や民間伝承の中で様々な用途で使われてきました。ギリシャの詩人ヘシオドスの『仕事と日々』（109-201行目）には、人類の時代を順に説明するために、金、銀、青銅、鉄などの金属にちなんで名付けられた様々な時代の人々が列挙されています。 ^[115]鉄器時代はローマと密接に関連しており、オウィディウスの『変身物語』では、鉄器時代はローマと密接に関連しており、

美徳は絶望して地上を去り、人間の堕落は普遍的かつ完全なものとなった。その時、硬い鋼鉄が成功した。

— オウィディウス『変身物語』第一巻、鉄器時代、160行目以降

鉄の象徴的役割の重要性を示す例は、1813年のドイツ戦役に見ることができる。フリードリヒ・ヴィルヘルム3世は、軍の装飾として最初の鉄十字章を発注した。ベルリンの鉄製宝飾品の生産は、プロイセン王室が軍資金として金銀の宝飾品を寄付するよう国民に促した1813年から1815年の間にピークに達した。「鉄と引き換えに金を与えた」という碑文は、後の戦争でも使用された。^[116]

限られた目的のために、純粋な鉄は、純粋な酸化物または水酸化物を水素で還元するか、ペンタカルボニル鉄を形成して250℃に加熱し、分解して純粋な鉄粉を形成することによって、実験室で少量生産されます。^[47]別の方法は、塩化鉄を鉄陰極上で電気分解することです。^[117]

今日、鉄鋼の工業生産は主に2つの段階に分かれています。第一段階では、高炉で鉄鉱石をコークスで還元し、溶融金属をケイ酸塩鉱物などの不純物から分離します。この段階で、比較的多量の炭素を含む合金（銑鉄）が生成されます。第二段階では、銑鉄の炭素量が酸化によって低下し、錬鉄、鋼、鋳鉄が生成されます。^[119]この段階で他の金属を加えて合金鋼を作ることもできます。

高炉には鉄鉱石（通常はヘマタイト Fe ₂ O ₃またはマグネタイトFe ₃ O ₄ ）が、コークス（揮発性成分を除去するために別に焼かれた石炭）とフラックス（石灰石またはドロマイト）とともに投入される。900 °C に予熱された空気（酸素を豊富に含む場合もある）の「ブラスト」が混合物に吹き込まれ、炭素が一酸化炭素に変わるのに十分な量になる。^[119]

2 C + O ₂ → 2 CO

この反応により温度が約2000℃まで上昇し、一酸化炭素が鉄鉱石を金属鉄に還元する。^[119]

Fe ₂ O ₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO ₂

炉内の高温下部にある鉄の一部はコークスと直接反応する。^[119]

2 Fe ₂ O ₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO ₂

フラックスは、炉を詰まらせる可能性のある鉱石中の珪質鉱物を除去する。炉の熱により炭酸塩が酸化カルシウムに分解され、これが余分なシリカと反応して珪酸カルシウムCaSiO ₃などの生成物からなるスラグを形成する。炉の温度では、金属とスラグは両方とも溶融している。それらは底に2つの混ざらない液体層（スラグが上）として集まり、その後簡単に分離される。^{[119]スラグは}道路建設の材料として、または農業用のミネラルの少ない土壌を改良するために使用できる。^[108]

このように、製鉄業は依然として世界最大のCO2排出産業の一つである。_[ 120 ^]

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  17世紀中国で描かれた、銑鉄から錬鉄を作る高炉の労働者の絵^[121]
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  19世紀に鉄がどのように採掘されたか
• 
  オハイオ州コロンバスの製鉄炉、1922年

高炉法で生産される銑鉄には、最大4～5%の炭素（質量比）が含まれており、硫黄、マグネシウム、リン、マンガンなどの不純物も少量含まれています。炭素含有量が多いため、銑鉄は比較的弱く脆くなります。炭素量を0.002～2.1%に減らすと、純鉄よりも最大1000倍硬い鋼が生成されます。その後、冷間加工、熱間圧延、鍛造、機械加工などにより、多種多様な鋼製品が製造されます。銑鉄から不純物を取り除き、 2 ～ 4%の炭素を残すと鋳鉄となり、鋳物工場でストーブ、パイプ、ラジエーター、街灯柱、レールなどの製品に鋳造されます。^[119]

鉄鋼製品は、鍛造された後にさまざまな熱処理を受けることが多い。焼きなましは、 700～800℃で数時間加熱し、その後徐々に冷却する処理である。これにより、鉄鋼は柔らかくなり、加工しやすくなる。^[122]

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  この鉄鉱石ペレットの山は鉄鋼生産に使用されます。
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  鋼鉄を作るために使われる溶けた鉄の鍋

環境問題への懸念から、鉄を処理する代替方法が開発されてきた。「直接鉄還元」は、鉄鉱石を「スポンジ」鉄または「直接」鉄と呼ばれる鉄塊に還元し、製鋼に適したものにする。^[108]直接還元プロセスは、主に2つの反応から構成される。

天然ガスは部分的に酸化される（熱と触媒によって）：^[108]

2 CH ₄ + O ₂ → 2 CO + 4 H ₂

鉄鉱石は炉の中でこれらのガスで処理され、固体のスポンジ鉄が生成されます。^[108]

Fe ₂ O ₃ + CO + 2 H ₂ → 2 Fe + CO ₂ + 2 H ₂ O

シリカは、前述のように石灰石フラックスを加えることによって除去されます。 ^[108]

アルミニウム粉末と酸化鉄の混合物を点火すると、テルミット反応によって金属鉄が生成されます。

Fe ₂ O ₃ + 2 Al → 2 Fe + Al ₂ O ₃

あるいは、銑鉄は鋼（炭素含有量が最大約2％）または錬鉄（商業的に純粋な鉄）に加工される。これには精錬炉、パドリング炉、ベッセマー転炉、平炉、塩基性酸素炉、電気アーク炉など、さまざまなプロセスが使用されてきた。すべての場合において、目的は炭素の一部またはすべてを他の不純物とともに酸化することである。一方、他の金属を加えて合金鋼を作ることもできる。^[110]

溶融酸化物電解（MOE）は、溶融した酸化鉄を電気分解して金属鉄を生成する。実験室規模の実験で研究されており、二酸化炭素を直接排出しない工業用鉄生産方法として提案されている。この方法では、クロム、アルミニウム、鉄の合金から形成された陽極である液体鉄陰極^[123]を使用し、電解質は鉄鉱石が溶解した溶融金属酸化物の混合物である。電流によって電解質が溶融状態を保ち、酸化鉄を還元する。液体鉄に加えて酸素ガスが生成される。二酸化炭素の排出は、金属を加熱して還元するために使用される化石燃料発電による電気からのみ発生する。 ^{[124] [125] [126]}

鉄はすべての金属の中で最も広く使用されており、世界中の金属生産の90％以上を占めています。低コストで強度が高いため、機械や工作機械、レール、自動車、船体、コンクリート鉄筋、建物の荷重支持フレームなどの構造物で、応力に耐えたり力を伝達したりするための材料として選ばれることが多いです。純鉄は非常に柔らかいため、鋼鉄を作るには合金元素と組み合わせるのが最も一般的です。^[129]

鉄とその合金の機械的特性は、その構造用途に非常に関連しています。これらの特性は、ブリネル試験、ロックウェル試験、ビッカース硬度試験など、さまざまな方法で評価できます。

純鉄の特性は、測定値の較正や試験の比較によく使用されます。^{[128] [130]}しかし、鉄の機械的特性はそのサンプルの純度によって大きく左右されます。純粋な単結晶の鉄は実際にはアルミニウムよりも柔らかく、^[127]工業的に生産される最も純粋な鉄（99.99%）の硬度は20～30ブリネルです。^[131]純鉄（99.9%～99.999%）は、特に電解鉄と呼ばれ、電解精錬によって工業的に生産されます。

炭素含有量が増加すると、鉄の硬度と引張強度が大幅に増加します。炭素含有量が0.6%の場合、最大硬度65 Rc_が^{達成されますが、合金の引張強度は低くなります。 [132]鉄は柔らかいため、より重い}同族元素である ルテニウムやオスミウムよりも加工がはるかに簡単です。^[16]

α-鉄はかなり柔らかい金属で、少量の炭素しか溶解できません（910℃で質量の0.021%以下）。^[133] オーステナイト（γ-鉄）も同様に柔らかく金属的ですが、かなり多くの炭素を溶解できます（1146℃で質量の2.04%まで）。この形態の鉄は、カトラリーや病院や食品サービス機器の製造に使用されるステンレス鋼に使用されています。 ^[20]

市販の鉄は、純度と添加物の量に基づいて分類されます。銑鉄には3.5～4.5%の炭素が含まれており^{[134] 、}硫黄、シリコン、リンなどのさまざまな量の汚染物質が含まれています。銑鉄は販売可能な製品ではなく、鋳鉄や鋼の製造における中間段階です。硫黄やリンなど、材料特性に悪影響を与える銑鉄の汚染物質を減らすと、2～4%の炭素、1～6%のシリコン、少量のマンガンを含む鋳鉄が得られます。^[119]銑鉄の融点は1420～1470 Kの範囲で、2つの主成分のどちらよりも低く、炭素と鉄を一緒に加熱すると最初に溶ける製品になります。^[10]その機械的特性は大きく異なり、合金中の炭素の形によって異なります。^[16]

「白」鋳鉄は、炭素をセメンタイト、つまり炭化鉄（Fe ₃ C）の形で含んでいます。^[16]この硬くて脆い化合物が白鋳鉄の機械的性質を支配し、白鋳鉄を硬くしますが、衝撃には弱いものにします。白鋳鉄の破断面は、非常に青白く銀色に輝く物質である炭化鉄の破片の細かい面でいっぱいで、これがこの名称の由来です。0.8% の炭素を含む鉄の混合物を 723 °C 未満で室温までゆっくりと冷却すると、セメンタイトと α 鉄が交互に層状に分離します。α 鉄は柔らかく展性があり、その外観からパーライトと呼ばれます。一方、急速冷却ではこの分離に時間がかからず、硬くて脆いマルテンサイトが生成されます。その後、鋼を中間の温度に再加熱して焼き戻しを行うと、パーライトとマルテンサイトの割合が変わります。炭素含有量が0.8％未満の最終製品はパーライト-αFe混合物であり、炭素含有量が0.8％を超える最終製品はパーライト-セメンタイト混合物である。^[16]

ねずみ鋳鉄では、炭素はグラファイトの細かい薄片として存在し、また、材料内に応力集中箇所を生成する鋭い角のあるグラファイトの薄片のために材料を脆くします。 ^[135]ダクタイル鋳鉄と呼ばれる新しいタイプのねずみ鋳鉄は、微量のマグネシウムで特別に処理され、グラファイトの形状を球状または結節に変えることで応力集中を減らし、材料の靭性と強度を大幅に高めます。^[135]

錬鉄には0.25％未満の炭素が含まれていますが、繊維状の特徴を与える大量のスラグが含まれています。 ^[134]錬鉄は鋼鉄よりも耐食性があります。錬鉄は軟鋼にほぼ完全に置き換えられました。軟鋼は錬鉄よりも腐食しやすいですが、より安価で広く入手できます。炭素鋼には2.0％以下の炭素が含まれており、^[136]少量のマンガン、硫黄、リン、およびシリコンが含まれています。合金鋼には、さまざまな量の炭素に加えて、クロム、バナジウム、モリブデン、ニッケル、タングステンなどの他の金属が含まれています。合金の含有量が多いとコストが高くなるため、通常は特殊な用途にのみ使用されます。ただし、一般的な合金鋼の1つはステンレス鋼です。鉄冶金学の最近の発展により、微量添加物を含む「 HSLA 」または高強度低合金鋼とも呼ばれるマイクロアロイ鋼の種類が増えており、最小限のコストで高い強度と驚異的な靭性を実現しています。^{[136] [137] [138]}

高純度の元素組成を持つ合金（電解鉄合金など）は、延性、引張強度、靭性、疲労強度、耐熱性、耐腐食性 などの特性が特に強化されています。

伝統的な用途の他に、鉄は電離放射線からの保護にも使用されます。鉄は他の伝統的な保護材料である鉛よりも軽量ですが、機械的にははるかに強力です。^[139]

鉄鋼の主な欠点は、純鉄とその合金のほとんどが、何らかの方法で保護しないとひどく錆びてしまうことです。そのコストは世界経済の1％以上に達します。 ^[140] 塗装、亜鉛メッキ、不動態化、プラスチックコーティング、ブルーイングはすべて、水と酸素を排除するか、陰極保護によって鉄を錆から保護するために使用されます。鉄が錆びるメカニズムは次のとおりです。^[140]

陰極: 3 O ₂ + 6 H ₂ O + 12 e ⁻ → 12 OH ⁻

陽極: 4 Fe → 4 Fe ²⁺ + 8 e ⁻ ; 4 Fe ²⁺ → 4 Fe ³⁺ + 4 e ⁻

全体：4 Fe + 3 O ₂ + 6 H ₂ O → 4 Fe ³⁺ + 12 OH ⁻ → 4 Fe(OH) ₃または 4 FeO(OH) + 4 H ₂ O

電解質は通常、都市部では硫酸鉄(II)（大気中の二酸化硫黄が鉄を攻撃して形成される）であり、海岸地域では大気中の塩粒子である。^[140]

鉄は安価で無毒であるため、鉄ベースの触媒や試薬の開発に多大な努力が払われてきた。しかし、鉄はより高価な金属に比べて商業的なプロセスの触媒としてはあまり一般的ではない。^[141] 生物学では、鉄を含む酵素が広く普及している。^[142]

鉄触媒は、伝統的にハーバー・ボッシュ法によるアンモニア製造やフィッシャー・トロプシュ法による一酸化炭素から燃料や潤滑油用の炭化水素への変換に使用されている。 ^{[143]酸性媒体中の粉末鉄は}、ベシャン還元、つまりニトロベンゼンからアニリンへの変換に使用されている。^[144]

酸化鉄(III)をアルミニウム粉末と混ぜると発火してテルミット反応を起こし、大きな鉄部品(レールなど)の溶接や鉱石の精製に使用されます。酸化鉄(III)とオキシ水酸化鉄は、赤みがかった色や黄土色の顔料として使用されます。

塩化鉄(III)は、浄水や下水処理、布の染色、塗料の着色剤、動物飼料の添加物、プリント基板の製造における銅のエッチング剤として使用されています。^{[145]また、アルコールに溶かして鉄チンキを作ることができ、}カナリアの止血薬として使用されています。^[146]

硫酸鉄(II)は他の鉄化合物の原料として使用される。また、セメント中のクロム酸塩を還元するためにも使用される。食品の栄養強化や鉄欠乏性貧血の治療にも使用される。硫酸鉄(III)はタンク水中の微細な汚水粒子を沈殿させるのに使用される。塩化鉄(II)は還元凝集剤として、鉄錯体や磁性酸化鉄の形成、有機合成における還元剤として使用される。^[145]

ニトロプルシドナトリウムは血管拡張剤として使用される薬剤であり、世界保健機関の必須医薬品リストに掲載されています。^[147]

鉄は生命維持に必須である。^{[9] [148] [149]}鉄硫黄クラスターは広く存在し、窒素固定を司る酵素であるニトロゲナーゼも含まれる。鉄含有タンパク質は酸素の輸送、貯蔵、利用に関与している。^{[9]鉄タンパク質は}電子伝達に関与している。^[150]

高等生物に含まれる鉄含有タンパク質の例としては、ヘモグロビン、シトクロム（高原子価鉄を参照）、カタラーゼなどがある。^{[9] [151]}平均的な成人の鉄含有量は体重の約0.005%、つまり約4グラムで、そのうち4分の3はヘモグロビンに含まれており、1日に吸収される鉄の量はわずか1ミリグラムであるにもかかわらず、その量は一定に保たれている。 ^[150]これは、人体がヘモグロビンを鉄分として再利用するためである。^[152]

微生物の増殖は鉄(II)の酸化または鉄(III)の還元によって促進される可能性がある。^[153]

鉄の獲得は好気性生物にとって問題となる。なぜなら、中性pH付近では鉄(III)は溶けにくいからである。そのため、これらの生物は鉄を複合体として吸収する手段を発達させ、時には鉄(III)を取り込み、それを再び鉄(III)に酸化する。^{[9]特に、細菌は}シデロフォアと呼ばれる非常に親和性の高い隔離剤を進化させてきた。^{[154] [155] [156]}

ヒト細胞に取り込まれた後、鉄の貯蔵は厳密に制御される。^{[9] [157]}この制御の主要構成要素はタンパク質トランスフェリンであり、十二指腸から吸収された鉄イオンと結合し、血液中で細胞に運ぶ。^{[9] [158]}トランスフェリンは歪んだ八面体の中央にFe ^{3+ を}含み、1つの窒素、3つの酸素、およびFe ^{3+イオンを捕捉するキレート}炭酸アニオンと結合している。トランスフェリンは安定定数が非常に高いため、最も安定した複合体からでも Fe ³⁺イオンを非常に効率的に取り込むことができる。骨髄では、トランスフェリンは Fe ³⁺からFe ²⁺に還元され、ヘモグロビンに組み込まれるフェリチンとして貯蔵される。 ^[150]

最もよく知られ研究されている生体無機鉄化合物（生物学的鉄分子）はヘムタンパク質で、例としてはヘモグロビン、ミオグロビン、シトクロムP450がある。^[9]これらの化合物はガスの輸送、酵素の構築、電子の移動に関与している。^[150] 金属タンパク質は金属イオン補因子を持つタンパク質のグループである。鉄金属タンパク質の例としては、フェリチンやルブレドキシンがある。^[150]カタラーゼ、^[159] リポキシゲナーゼ、^[160] IRE-BPなど、生命に不可欠な多くの酵素に鉄が含まれている。^[161]

ヘモグロビンは赤血球中に存在する酸素運搬体で、赤血球の色に寄与し、動脈を通って肺から筋肉へ酸素を運び、そこで酸素はミオグロビンに移され、ミオグロビンはそれをグルコースの代謝酸化に必要なときまで蓄え、エネルギーを生成する。^[9]ここでヘモグロビンはグルコースが酸化されるときに生成される二酸化炭素と結合し、ヘモグロビン（主に重炭酸イオンとして）によって静脈を通って肺へ運ばれ、そこで吐き出される。^[150]ヘモグロビンでは、鉄は4つのヘム基の1つに属し、6つの配位部位が可能である。4つはポルフィリン環の窒素原子によって占められ、5つ目はヘム基に結合したタンパク質鎖の1つにあるヒスチジン残基のイミダゾール窒素によって占められ、6つ目は可逆的に結合できる酸素分子のために予約されている。^[150]ヘモグロビンが酸素と結合していない場合（脱酸素ヘモグロビンと呼ばれる）、ヘム基の中心（疎水性タンパク質内部）にある Fe ^{2+イオンは}高スピン配置になっている。そのため、ポルフィリン環の中に収まるには大きすぎるため、ポルフィリン環はドーム状に曲がり、その約 55 ピコメートル上に Fe ²⁺イオンが位置する。この配置では、酸素のために確保されている 6 番目の配位部位が別のヒスチジン残基によってブロックされている。^[150]

脱酸素ヘモグロビンが酸素分子を拾うと、このヒスチジン残基は離れていき、酸素がしっかりと結合して水素結合を形成すると元に戻ります。その結果、Fe ²⁺イオンは低スピン構成に切り替わり、イオン半径が 20% 減少してポルフィリン環に収まるようになり、ポルフィリン環は平面になります。^[150]さらに、この水素結合により酸素分子が傾き、Fe–O–O 結合角が約 120° になり、電子移動、Fe ²⁺から Fe ³⁺への酸化、ヘモグロビンの破壊につながるFe–O–Fe または Fe–O ₂ –Fe ブリッジの形成が回避されます。これにより、すべてのタンパク質鎖が移動し、ヘモグロビンの他のサブユニットの形状が、より大きな酸素親和性を持つ形に変化します。したがって、脱酸素ヘモグロビンが酸素を取り込むと、より多くの酸素に対する親和性が増加し、逆もまた同様です。^[150]一方、ミオグロビンにはヘム基が1つしか含まれていないため、この協力効果は発生しません。したがって、肺内の高酸素分圧ではヘモグロビンは酸素でほぼ飽和していますが、その酸素に対する親和性は、筋肉組織内の低酸素分圧でも酸素化するミオグロビンよりもはるかに低いです。^[150]ボーア効果（ニールス・ボーアの父であるクリスチャン・ボーアにちなんで名付けられた）で説明されているように、二酸化炭素の存在下ではヘモグロビンの酸素親和性は低下します。^[150]

一酸化炭素と三フッ化リンは、ヘモグロビンと酸素と同様に結合しますが、より強力に結合し、酸素が体全体に運ばれなくなるため、人体にとって有毒です。一酸化炭素と結合したヘモグロビンは、カルボキシヘモグロビンとして知られています。この効果はシアン化物の毒性にも少し影響していますが、主な影響は、電子伝達タンパク質シトクロム aの適切な機能の妨害です。^[150]シトクロムタンパク質にはヘム基も含まれており、酸素によるグルコースの代謝酸化に関与しています。6番目の配位部位は、別のイミダゾール窒素またはメチオニン硫黄によって占められているため、これらのタンパク質は酸素に対してほぼ不活性です。ただし、シトクロム a は例外で、シトクロム a は酸素と直接結合するため、シアン化物によって非常に簡単に中毒になります。^[150]ここでは、鉄が低スピンのままで +2 と +3 の酸化状態の間で変化するため、電子移動が起こります。各段階の還元電位は前の段階よりもわずかに高いため、エネルギーは段階的に放出され、アデノシン三リン酸に蓄えられる。シトクロムaはミトコンドリア膜に存在し、酸素と直接結合し、電子だけでなく陽子も輸送するという点でやや独特である。^[150]

4 シトシン²⁺ + O ₂ + 8H⁺
_内部→ 4 シトシン³⁺ + 2 H ₂ O + 4H⁺
_外側

ヘムタンパク質は鉄含有タンパク質の中で最も重要なクラスであるが、鉄硫黄タンパク質もまた非常に重要であり、電子移動に関与している。これは鉄が +2 または +3 のどちらの酸化状態でも安定して存在できるため可能である。これらには 1、2、4、または 8 個の鉄原子があり、それぞれが 4 個の硫黄原子とほぼ四面体状に配位している。この四面体配位のため、これらには常に高スピン鉄が存在する。このような化合物の中で最も単純なのはルブレドキシンで、これは周囲のペプチド鎖のシステイン残基の 4 個の硫黄原子と配位している鉄原子が 1 個だけである。鉄硫黄タンパク質のもう 1 つの重要なクラスはフェレドキシンで、複数の鉄原子を持つ。トランスフェリンはこれらのクラスのいずれにも属さない。^[150]

ムール貝が海の岩につかまり続ける能力は、タンパク質を豊富に含むクチクラにおける有機金属鉄ベースの結合によって促進される。合成レプリカに基づくと、これらの構造に鉄が存在すると、弾性率は770倍、引張強度は58倍、靭性は92倍に増加した。永久的な損傷を与えるのに必要な応力の量は76倍に増加した。^[163]

鉄分はあらゆるところに含まれていますが、特に豊富な食物鉄源としては、赤身の肉、カキ、豆、鶏肉、魚、葉野菜、クレソン、豆腐、黒糖蜜などがあります。^[9] パンや朝食用シリアルには、鉄分が特別に強化されていることもあります。^{[9] [164]}

栄養補助食品で摂取される鉄は、フマル酸鉄(II)として摂取されることが多いが、硫酸鉄(II)の方が安価で、吸収率も同じくらい良い。^[145]元素鉄、または還元鉄は、硫酸鉄に比べて吸収率が3分の1から3分の2しかないにもかかわらず^[165] 、朝食用シリアルや強化小麦粉などの食品によく添加される。鉄は、アミノ酸にキレート化されたときに最も体内で利用されやすくなり^{[166] 、一般的な}鉄サプリメントとしても利用できる。最も安価なアミノ酸であるグリシンは、グリシン酸鉄サプリメントの製造に最もよく使用される。^[167]

米国医学研究所（IOM）は、2001年に鉄の推定平均必要量（EAR）と推奨食事摂取量（RDA）を更新しました。 ^[9]現在の鉄のEARは、14～18歳の女性で7.9 mg/日、19～50歳で8.1 mg/日、それ以降（閉経後）で5.0 mg/日です。男性の場合、EARは19歳以上で6.0 mg/日です。RDAは、15～18歳の女性で15.0 mg/日、19～50歳で18.0 mg/日、それ以降で8.0 mg/日です。男性の場合、19歳以上で8.0 mg/日です。RDAはEARよりも高く設定されており、平均より高い必要量を持つ人にも対応できる量となっています。妊娠中のRDAは27 mg/日、授乳中は9 mg/日です。^[9] 1～3歳の子供には7 mg/日、4～8歳には10 mg/日、9～13歳には8 mg/日です。安全性に関しては、IOMは十分な証拠がある場合、ビタミンとミネラルの許容上限摂取量（UL）も設定しています。鉄の場合、ULは45 mg/日に設定されています。EAR、RDA、ULを総称して食事摂取基準と呼びます。^[168]

欧州食品安全機関（ EFSA ）は、これらの情報を食事摂取基準値と呼び、RDAの代わりに人口基準摂取量（PRI）、EARの代わりに平均必要量と呼んでいる。AIとULは米国と同様に定義されている。女性のPRIは15～17歳で13 mg/日、閉経前18歳以上の女性で16 mg/日、閉経後11 mg/日である。妊娠中および授乳中の場合は16 mg/日。男性のPRIは15歳以上で11 mg/日である。1～14歳の子供の場合、PRIは7～11 mg/日に増加する。妊娠を除き、PRIは米国のRDAよりも高い。^[169] EFSAは同じ安全性の質問を検討したが、ULは設定しなかった。^[170]

哺乳瓶で牛乳を飲んでいる乳児には鉄分のサプリメントが必要になる場合があります。^[171]頻繁に献血をしている人は鉄分不足になるリスクがあるため、鉄分のサプリメントを摂取するよう勧められることが多いです。^[172]

米国の食品および栄養補助食品の表示目的では、1食分あたりの量は1日の摂取量のパーセント（％DV）として表されます。鉄分の表示目的では、1日の摂取量の100％は18 mgであり、2016年5月27日時点で^[update]18 mgのまま変更されていません。^{[173] [174]}成人の新旧1日摂取量の表は、Reference Daily Intakeに掲載されています。

鉄欠乏症は世界で最も一般的な栄養失調症です。 ^{[9] [175] [176] [177]鉄の損失が適切な食事からの鉄摂取によって十分に補われない場合、}潜在的な鉄欠乏状態が発生し、放置すると時間の経過とともに鉄欠乏性貧血につながり、赤血球数とヘモグロビンの量が不足する特徴があります。^[178]子供、閉経前女性（出産可能年齢の女性）、および食生活の悪い人がこの病気に最もかかりやすいです。鉄欠乏性貧血のほとんどの症例は軽度ですが、治療しないと心拍数の上昇や不整、妊娠中の合併症、乳児や子供の成長遅延などの問題を引き起こす可能性があります。^[179]

脳は血液脳関門を通る鉄の輸送が遅いため、急性鉄欠乏症に抵抗性がある。^[180]鉄状態の急激な変動（血清フェリチン値で示される）は脳の鉄状態を反映するものではないが、長期にわたる栄養性鉄欠乏症は時間の経過とともに脳の鉄濃度を低下させると考えられている。^{[181] [182]}脳では、鉄は酸素輸送、ミエリン合成、ミトコンドリア呼吸、神経伝達物質合成および代謝の補因子として役割を果たしている。^[183]​​ 栄養性鉄欠乏症の動物モデルは、パーキンソン病やハンチントン病で見られるものと似た生体分子の変化を報告している。^{[184] [185]}しかし、加齢に伴う脳内の鉄の蓄積はパーキンソン病の発症にも関連している。^[186]

鉄の摂取は人体によって厳密に制御されており、人体には鉄を排泄する生理学的手段が規制されていない。粘膜や皮膚上皮細胞の剥離により毎日少量の鉄が失われるため、鉄レベルの制御は主に摂取を調節することによって達成される。^{[187]鉄の摂取調節は、}染色体6のHLA-H遺伝子領域に位置する遺伝子欠陥の結果として、一部の人々で損なわれており、哺乳類の循環器系への鉄の流入の主要な調節因子であるヘプシジンの異常な低レベルにつながる。 ^{[188]これらの人々では、過剰な鉄摂取が医学的には}ヘモクロマトーシスとして知られる鉄過剰症を引き起こす可能性がある。^{[9]多くの人々は、診断されていない鉄過剰症の遺伝的感受性を持っており、家族歴があることに気づいていない。このため、}鉄欠乏症を患っていて医師に相談していない限り、鉄サプリメントを摂取すべきではない。ヘモクロマトーシスは白人の全代謝性疾患の0.3～0.8％の原因であると推定されている。^[189]

摂取した鉄の過剰摂取は、血中の遊離鉄濃度の過剰を引き起こす可能性がある。血中の遊離鉄濃度が高いと過酸化物と反応して反応性の高いフリーラジカルを生成し、 DNA、タンパク質、脂質、その他の細胞成分に損傷を与える可能性がある。鉄中毒は細胞に遊離鉄が含まれる場合に発生し、これは通常、鉄濃度が鉄を結合するトランスフェリンの利用可能性を超えた場合に発生する。消化管の細胞が損傷すると、鉄の吸収を調節できなくなり、血中濃度がさらに上昇する可能性がある。鉄は通常、心臓、肝臓、その他の場所の細胞に損傷を与え、昏睡、代謝性アシドーシス、ショック、肝不全、凝固障害、長期の臓器障害、さらには死などの悪影響を引き起こす。^{[190]人間は、体重1キログラムあたり鉄が20ミリグラムを超えると鉄中毒を経験し、1キログラムあたり60ミリグラムが}致死量と見なされている。^[191]鉄分の過剰摂取は、多くの場合、成人向けの硫酸鉄錠剤を子供が大量に摂取した結果であり、6歳未満の子供の最も一般的な毒性死亡原因の1つです。 ^[191]食事摂取基準（DRI）では、成人の許容上限摂取量（UL）を1日45mgと定めています。14歳未満の子供のULは1日40mgです。^[192]

鉄中毒の医学的管理は複雑であり、体内の余分な鉄を結合して排出するためにデフェロキサミンと呼ばれる特定のキレート剤を使用することもあります。 ^{[190] [193] [194]}

いくつかの研究では、視床鉄濃度の低下がADHDの病態生理に関与している可能性が示唆されている。^{[195]一部の研究者は、鉄補給が特にADHDの}不注意型サブタイプに効果的であることを発見した。^[196]

2000年代には、血中の鉄分の低さとADHDの間に関連があると示唆する研究者もいた。2012年の研究では、そのような相関関係は認められなかった。^[197]

鉄のガン防御における役割は、非病理学的プロセスに広く存在するため、「諸刃の剣」と表現される。^[198]化学療法を受けている人は鉄欠乏症や貧血を発症することがあり、その場合は静脈内鉄療法で鉄レベルを回復させる。^[199]赤身の肉を大量に摂取すると起こる鉄過剰症^[9]は、腫瘍の成長を促し、特に大腸がんの場合、がん発症の感受性を高める可能性がある^[199]。^[9]

鉄は海洋システムにおいて重要な役割を果たしており、プランクトンの活動を制限する栄養素として作用する可能性がある。^[200]このため、鉄が過度に減少すると、珪藻類などの植物プランクトン生物の成長率が低下する可能性がある。^[201]また、鉄は、鉄分が多く酸素が少ない条件下では、海洋微生物によって酸化される可能性がある。^[202]

鉄は、隣接する河川や大気から直接海洋系に入り込む可能性があります。鉄が海洋に入ると、海洋混合や細胞レベルでのリサイクルを通じて水柱全体に分布する可能性があります。^[203]北極では、海氷が海洋における鉄の貯蔵と分布に大きな役割を果たしており、冬に凍結すると海洋の鉄が枯渇し、夏に解凍すると海に放出されます。^[204]鉄の循環により、鉄の形態が水性から粒子状まで変動し、一次生産者への鉄の利用可能性が変わります。^[205]光と温度が増加すると、一次生産者が利用できる形態の鉄の量が増加します。^[206]

• 経済的に重要な鉄鉱床には以下のものがあります。
  • ブラジルのパラ州にあるカラジャス鉱山は、世界最大の鉄鉱床であると考えられています。
  • ボリビアのエル・ムトゥンには、世界で採掘可能な鉄鉱石の 10% が埋蔵されています。
  • ハマーズリー盆地はオーストラリア最大の鉄鉱石鉱床です。
  • 世界最大級の鉄鉱石の鉱床があるスウェーデンのキルナヴァーラ
  • メサビ鉄鉱山地帯は、アメリカ合衆国の主要な鉄鉱石採掘地域です。
• 鉄鋼業界
• 鉄の循環
• 鉄ナノ粒子
• 鉄-白金ナノ粒子
• 鉄肥料–植物プランクトンの成長を刺激するために海洋に肥料を与える提案
• 鉄酸化細菌
• 鉄生産量による国別リスト
• ペレタイジング– 鉄鉱石ペレットの製造プロセス
• 錆びない鉄
• 鋼鉄

• It's Elemental – Iron
• Iron at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Metallurgy for the non-Metallurgist
• Iron by J. B. Calvert