鉄

通常の圧力下では、固体鉄中の鉄原子の3つの異なる配列が観察される。これらの同素体は慣習的にα、γ、δ、εと表記される。溶融鉄が凝固点である1538℃を下回ると、体心立方格子（bcc）結晶構造 を持つδ同素体に結晶化する。さらに1394℃まで冷却されると、面心立方格子（fcc）結晶構造を持つγ鉄同素体、すなわち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鉄同素体となる。^{[ 11 ]}  

約 10 GPa を超える高圧と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、これは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、これはより高い圧力で起こります。^{[ 12 ]}非常に高い圧力と温度での鉄の物理的性質は、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。^{[ 13 ] [ 12 ]}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想定されています。^{[ 14 ]}

50 GPaを超える圧力と少なくとも1500 Kの温度で安定なβ相が存在するという、議論の余地のある実験的証拠が存在する。β相は斜方晶系または二重hcp構造を持つと考えられている。^{[ 15 ]}（紛らわしいことに、「β鉄」という用語は、結晶構造は変化していないにもかかわらず、キュリー点を超えて強磁性から常磁性に変化するα鉄を指す場合にも使用されることがある。^{[ 11 ]}）

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ますます引き寄せられるにつれて金属結合への寄与が減少することを示している。^{[ 16 ]}しかし、マンガンには半満殻の 3d 副殻があり、その結果、d 電子が容易に非局在化しないため、前の元素の値よりも高い。この同じ傾向はルテニウムにも見られるが、オスミウムには見られない。^{[ 17 ]}

鉄の融点は、50 GPa 未満の圧力では実験的に明確に定義されています。それ以上の圧力では、公表されているデータ (2007 年時点) は依然として数十ギガパスカルと 1000 ケルビン以上のばらつきがあります。^{[ 18 ]}

770 °C (1,420 °F; 1,040 K)のキュリー点以下では、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、一般的に隣接する原子のスピンと整列し、全体的な磁場を生成します。^{[ 20 ]}これは、これらの 2 つの電子の軌道 (d _{z ²}および d _{x ² − y ²} ) が格子内の隣接する原子の方向を向いていないため、金属結合に関与していないためです。^{[ 11 ]}   

外部磁場源がない場合、原子は自発的に約10マイクロメートルの磁気ドメインに分割され^{[ 21 ]} 、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向いています。したがって、巨視的な鉄片は全体としてほぼゼロの磁場を持ちます。

外部磁場を印加すると、同じ方向に磁化されているドメインが、他の方向を向いている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誘導する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、または粒界や粒子境界がドメインを新しい位置に「固定」するため、外部磁場が除去された後も効果が持続し、鉄の物体が（永久）磁石になります。^{[ 20 ]}

_{同様の挙動は}、鉱物マグネタイトを含むフェライトなどの鉄化合物にも見られます。マグネタイト_は、混合鉄(II,III)酸化物Fe3O4の結晶形です（ただし、原子スケー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マグネタイトの破片（磁石）は、初期の航海用羅針盤として利用されました。マグネタイトの粒子は、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、コバルト系材料に取って代わられました。

鉄には、^54Fe（天然鉄の5.845%）、^56Fe（91.754%）、^57Fe（2.119%）、^{58Fe （0.282%）}の4つの安定同位体があります。また、24の人工同位体も作られています。これらの安定同位体のうち、核スピン（-1/2）を持つのは57Feだけです。核種54Feは理論^的には^二重電子捕獲を起こして54Crになる可能性がありますが、このプロセス^はこれまで観測されておらず、半減期の下限値として4.4×10²⁰^年しか確立されていません。^{[ 22 ]}

^60Feは半減期が長い（260万年）消滅した放射性核種です。 ^{[ 23 ]}地球上には存在しませんが、その最終崩壊生成物は孫娘核種である安定核種^60Niです。^{[ 9 ]}鉄の同位体組成に関する過去の研究の多くは、隕石や鉱石形成の研究を通して^60Feの核合成に焦点を当ててきました。過去10年間、質量分析法の進歩により、鉄の安定同位体の比率の微弱な自然発生的な変動を検出および定量化することが可能になりました。この研究の多くは地球および惑星科学コミュニティによって推進されていますが、生物および産業システムへの応用も現れつつあります。^{[ 24 ]}

セマルコナ隕石とチェルヴォニー・クート隕石の各段階では、 ^60Feの孫である^60Niの濃度と安定鉄同位体の存在量との相関関係が、太陽系形成時に^{60Feが存在していた証拠となった。おそらく、 60Fe}の崩壊によって放出されたエネルギーは、 ^26Al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後の小惑星の再溶解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^60Niの存在量は、太陽系の起源と初期の歴史についてさらなる洞察をもたらす可能性がある。^{[ 25 ]}

最も豊富な鉄同位体である^{56 Fe は、}核合成の最も一般的な終点であるため、核科学者にとって特に興味深いものです。^{[ 26 ] 56} Ni (14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星の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は可能ですが、それでも、恒星内部の条件により、光崩壊とアルファ過程の競合が^{56 Ni 付近で光崩壊を優先するため、このシーケンスは実質的に56} Ni で終了します。^{[ 27 ] [ 28 ]}半減期が約 6 日であるこの^{56 Ni は、これらの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、まず放射性⁵⁶ Coに、次に安定⁵⁶ Fe になります。そのため、鉄は赤色巨星の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核で最も豊富な金属です。^{[ 29 ]}また、ほぼ同じ原子量の他の安定金属と比較して、宇宙では非常に一般的です。^{[ 29 ] [ 30 ]}鉄は宇宙で6番目に豊富な元素であり、最も一般的な難揮発性元素です。^{[ 31 ]}

⁵⁶ Feよりわずかに結合エネルギーが高い⁶² Niを合成することで、さらにわずかなエネルギー利得が得られる可能性があるが、恒星内の条件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を圧倒的に優先し、いずれにしても⁵⁶ Fe はより軽い陽子の割合が高いため、核子あたりの質量は⁶² Niより低い。 ^{[ 32 ]}したがって、鉄より重い元素の形成には、開始^{56 Fe 原子核による}急速な中性子捕獲を伴う超新星が必要である。^{[ 29 ]}

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低温核融合によって、通常の物質中の軽い原子核が融合して⁵⁶ Fe 原子核になる。その後、核分裂とアルファ粒子の放出によって重い原子核が鉄に崩壊し、すべての恒星質量天体が純鉄の冷たい球体になる。^{[ 33 ]}

地球のような岩石惑星に鉄が豊富にあるのは、 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、宇宙空間に散乱するためである。^{[ 34 ] [ 35 ]}

金属鉄、すなわち天然鉄は酸化しやすい性質があるため、地球の表面ではほとんど見られません。しかし、地球の内核と外核は合わせて地球全体の質量の35%を占めており、ニッケルを含む可能性のある鉄合金が大部分を占めていると考えられています。液状の外核における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）や月も、主に鉄からなる金属核を持つと考えられています。M型小惑星も、一部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、地球表面における天然金属鉄の主な形態である。冷間加工された隕鉄製の物品は、製鉄技術がまだ開発されていなかった時代の様々な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武器に使用していたと報告されている。 ^{[ 36 ]}隕石の約20個に1個は、独特な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。^{[ 37 ]}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。これは、鉄が結晶化するのに十分な酸素分圧の低下を引き起こした。これは地中鉄として知られており、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、いくつかの地域で報告されている。^{[ 38 ]}

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、ケイ酸塩ペロブスカイト(Mg,Fe)SiO ₃に次いでその領域で 2 番目に豊富な鉱物相となっています。また、下部マントルにおける鉄の主要な宿主でもあります。^{[ 39 ]}マントルの遷移帯の底では、γ- (Mg, Fe) ₂ [ SiO ₄ ] ↔ (Mg,Fe) [ SiO ₃ ] + (Mg,Fe)O の反応により、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化し、またその逆も起こります。文献では、この下部マントルの鉱物相は、マグネシオウスタイトとも呼ばれています。^{[ 40 ]}ケイ酸塩ペロブスカイトは下部マントルの最大93%を占める可能性があり、^{[ 41 ]}マグネシウム鉄形態の(Mg,Fe)SiO3_は地球上で最も豊富な鉱物と考えられており、その体積の38%を占めている。^{[ 42 ]}

鉄は地球上で最も豊富な元素ですが、そのほとんどは内核と外核に集中しています。^{[ 43 ] [ 44 ]}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、そのため地殻層では4番目に豊富な元素にすぎません（酸素、ケイ素、アルミニウムに次ぐ）。^{[ 45 ]}

地殻中の鉄の大部分は、他のさまざまな元素と結合して多くの鉄鉱物を形成します。重要な分類は、鉄の主要鉱石である赤鉄鉱（Fe ₂ O ₃）、磁鉄鉱（Fe ₃ O ₄）、菱鉄鉱（FeCO ₃ ）などの酸化鉄鉱物です。多くの火成岩には、硫化物鉱物である磁硫鉄鉱とペントランダイトも含まれています。^{[ 46 ] [ 47 ]}風化の過程で、鉄は硫酸塩として硫化物鉱床から、重炭酸塩としてケイ酸塩鉱床から溶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、わずかに高いpHでも酸化鉄(III)として沈殿します。^{[ 48 ]}

鉄の大規模な鉱床は縞状鉄鉱層であり、鉄の少ない頁岩やチャートの層と交互に繰り返される薄い酸化鉄の層からなる岩石の一種である。縞状鉄鉱層は37 億年前から18 億年前の間に形成された。^{[ 49 ] [ 50 ]}

黄土などの微粉末状の酸化鉄(III)または酸化水酸化物を含む物質は、先史時代から黄色、赤、茶色の顔料として使用されてきました。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（「着色砂岩」、イギリスではバンター）などの地質構造全体を含む、さまざまな岩石や粘土の色にも寄与しています。^{[ 51 ]}アイゼンサンドシュタイン（ドイツのドンツドルフなどから産出されるジュラ紀の「鉄砂岩」 ） ^{[ 52 ]}やイギリスのバースストーンを通して、鉄化合物は多くの歴史的建造物や彫刻の黄色っぽい色の原因となっています。 ^{[ 53 ]}火星の表面の有名な赤色は、酸化鉄を豊富に含むレゴリスに由来しています。^{[ 54 ]}

鉄は硫化鉄鉱物である黄鉄鉱（FeS ₂ ）に相当量含まれていますが、そこから鉄を抽出するのは困難なため、採掘されていません。^{[ 55 ]}実際、鉄は非常にありふれた鉱物であるため、一般的に生産は鉄を非常に多く含む鉱石にのみ集中しています。^{[ 56 ]}

国際資源パネルの「社会における金属ストック」報告書によると、社会で使用されている鉄の世界的ストックは一人当たり2,200kgである。先進国はこの点において発展途上国と異なっている（一人当たり7,000～14,000kg対2,000kg）。^{[ 57 ]}

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果たした役割を明らかにした。^{[ 58 ]}

酸性水溶液中におけるいくつかの一般的な鉄イオンの標準還元電位を以下に示す。^{[ 11 ]}

赤紫色の四面体型フェライト（VI）アニオンは非常に強力な酸化剤であり、アンモニアを窒素（N ₂）に、水を酸素に酸化します。^{[ 69 ]}

4 FeO ²⁻ ₄ + 34 H₂ O→ 4[Fe(H₂O)₆]³⁺+ 20OH ⁻+ 3 O ₂

淡紫色のヘキサアクア錯体[ 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。^{[ 72 ]}

pHが0を超えると上記の黄色の加水分解種が形成され、pHが2～3を超えると赤褐色の水酸化鉄(III)が溶液から沈殿する。Fe ³⁺はad ⁵配置であるが、その吸収スペクトルは、弱いスピン禁制d–dバンドを持つMn ²⁺のスペクトルとは異なり、Fe ^3+はより高い正電荷を持ち、より分極するため、配位子から金属への電荷移動吸収のエネルギーが低下する。したがって、上記の錯体はすべてかなり濃い色をしているが、唯一の例外はヘキサアクアイオンであり、そのスペクトルでさえ近紫外領域での電荷移動が支配的である。^{[ 72 ]}一方、淡緑色の鉄(II)ヘキサアクアイオン[ Fe(H ₂ O) ₆ ] ²⁺は顕著な加水分解を受けない。炭酸アニオンが添加されても二酸化炭素は発生せず、代わりに白色の炭酸鉄(II)が沈殿する。過剰な二酸化炭素では、これはわずかに溶解する重炭酸塩を形成し、これは地下水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、これがかなりの数の河川に存在する褐色の沈殿物の原因となります。^{[ 73 ]}

鉄はその電子構造のため、非常に大きな配位数と有機金属化学特性を持つ。

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)酸イオン[FeCl ₆ ] ^3−で、テトラキス(メチルアンモニウム)ヘキサクロロ鉄(III)塩化物混合塩 中に見られる。^{[ 74 ] [ 75 ]}複数の二座配位子を持つ錯体には幾何異性体が存在する。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。^{[ 76 ] [ 77 ]} 3つのシュウ酸配位子を持つフェリオキサラートイオンは、 IUPACの慣例に従って、左巻きらせん軸をΛ (ラムダ)、右巻きらせん軸をΔ (デルタ)とラベル付けした2つの重ね合わせ不可能な幾何構造を持つらせん状キラリティを示す。^{[ 72 ]}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、昔ながらの写真プロセスで用いられる光還元反応を起こします。鉄(II)シュウ酸二水和物は、下図に示すように、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しています。^{[ 78 ]}

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-ドナー配位子ではなくO-ドナー配位子を好むという点が異なる。後者は鉄(II)錯体よりも不安定で、水中で解離することが多い。多くのFe-O錯体は鮮やかな色を示し、フェノールやエノールの試験に用いられる。例えば、フェノールの存在を判定するために用いられる塩化第二鉄試験では、塩化鉄(III)がフェノールと反応して濃い紫色の錯体を形成する。^{[ 72 ]}

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中で、鉄(III)のフッ素錯体が最も安定であり、無色の[FeF ₅ (H ₂ O)] ²⁻が水溶液中で最も安定である。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む。[FeBr ₄ ] ⁻および[FeI ₄ ] ⁻は鉄(II)に容易に還元される。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)の存在の一般的な試験である。マンガン(II)と同様に、ほとんどの鉄(III)錯体は高スピンであるが、}シアン化物などの分光化学系列で上位の配位子を持つものは例外である。低スピン鉄(III)錯体の例としては、[Fe(CN) ₆ ] ³⁻がある。鉄は、dブロック元素の可能なスピン量子数の値すべて（0（反磁性）から5/2 （5個の不対電子）まで）を含む、非常に多様な電子スピン状態を示します。この値は常に不対電子数の半分です。不対電子が0個から2個の錯体は低スピンとみなされ、4個または5個の錯体は高スピンとみなされます。^{[ 68 ]}

鉄(II)錯体は鉄(III)錯体よりも不安定ですが、Oドナー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(NH3 ₎ 6 _] 2+^は知られていますが、[ Fe(NH3 ₎ 6 _] 3+^は知られていません。鉄(III)に酸化される傾向がありますが、これは低いpHと特定の配位子の使用によって緩和できます。^{[ 73 ]}

有機鉄化学とは、炭素原子が金属原子に共有結合した鉄の有機金属化合物を研究する分野である。これらの化合物は多種多様であり、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が含まれる。

プルシアンブルー、または「フェロシアン化鉄(III)」、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、顔料として、またその他いくつかの用途で広く使用されています。その生成は、Fe} ²⁺と Fe ³⁺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。これらは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します。^{[ 64 ]}

有機鉄化合物のもう一つの古い例は、鉄ペンタカルボニル、Fe(CO) ₅であり、これは中性の鉄原子が 5 つの一酸化炭素分子の炭素原子に結合しています。この化合物は、反応性の高い金属鉄の形態であるカルボニル鉄粉の製造に使用できます。鉄ペンタカルボニルの熱分解により、中心に₃つの鉄原子のクラスターを持つ錯体である三鉄ドデカカルボニル、Fe3 (CO) ₁₂が得られます。コルマン試薬、テトラカルボニル鉄酸二ナトリウムは、有機化学で有用な試薬であり、−2 酸化状態の鉄を含んでいます。シクロペンタジエニル鉄ジカルボニル二量体は、まれな +1 酸化状態の鉄を含んでいます。^{[ 79 ]}

フェロセンの構造式と粉末試料

この分野における画期的な出来事は、1951年にパウソンとキーリー^{[ 80 ]}、そしてミラーらが独立に発見した、非常に安定なサンドイッチ化合物フェロセンFe (C5H5 ₎ 2_である^{[ 81 ]。}_その驚くべき分子構造は、わずか1年後にウッドワードとウィルキンソン^{[ 82 ]}、そしてフィッシャー^{[ 83 ]}によって決定された。 フェロセンは、このクラスにおいて今でも最も重要なツールおよびモデルの一つである^{[ 84 ] 。}

鉄を中心とする有機金属種は触媒として使用される。例えば、クノルカー錯体はケトンの水素移動触媒である。^{[ 85 ]}

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) (FeSO₄・7H₂O) と塩化鉄(III) (FeCl₃) です_。前者は_最も入手しやすい鉄( II _{)源の一つですが、}モール塩( (NH₄ ₎ ₂ _Fe (SO₄ ₎ ₂_・6H₂O )よりも空気酸化に対して不安定です。鉄(II)化合物_は空気中で鉄(III)化合物に酸化されやすい傾向があります。^{[ 64 ]}

鉄は、古代世界で間違いなく知られていた元素の1つです。^{[ 86 ]}何千年もの間、加工、つまり鍛造されてきました。しかし、鉄は腐食しやすいため、非常に古い鉄製の遺物は、金や銀で作られたものよりもはるかに希少です。 ^{[ 87 ]}技術はゆっくりと発展し、製錬法が発見された後も、鉄が道具や武器の金属として青銅に取って代わるまでには、何世紀もかかりました。

隕石鉄

紀元前3500年以前に隕鉄で作られたビーズが、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。^{[ 88 ]}これらのビーズには7.5%のニッケルが含まれており、これは隕鉄起源の特徴である。なぜなら、地殻で見つかる鉄には通常、ごくわずかなニッケル不純物しか含まれていないからである。

隕鉄は天から来たものであるため高く評価され、武器や道具の鍛造によく使われた。^{[ 88 ]}例えば、ツタンカーメン王の墓からは隕鉄製の短剣が発見されており、その鉄、コバルト、ニッケルの比率は、古代の流星群によってこの地域に運ばれてきた隕石とほぼ同じである。^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]}エジプト人が鉄で作ったと思われる品々は、紀元前3000年から2500年に遡る。^{[ 87 ]}

隕鉄は比較的柔らかく延性があり、冷間鍛造しやすいが、ニッケル含有量のため加熱すると脆くなる可能性がある。^{[ 92 ]}

錬鉄

最初の鉄の生産は中期青銅器時代に始まったが、鉄が青銅に取って代わるまでには数世紀かかった。メソポタミアのアスマールとシリア北部のタルチャガルバザールで発見された精錬鉄のサンプルは、紀元前3000年から2700年の間に作られたものである。^{[ 93 ]}ヒッタイト人は紀元前1600年頃にアナトリア中北部に帝国を築いた。彼らは鉄鉱石から鉄を生産する方法を最初に理解し、それを社会で高く評価したようだ。^{[ 94 ]}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年に帝国が崩壊した後、その習慣は近東の他の地域に広がった。^{[ 93 ]}その後の時代は鉄器時代と呼ばれている。

精錬された鉄の遺物は、紀元前 1800 年～ 1200 年頃のインドで発見されており^{[ 95 ]} 、紀元前 1500 年頃のレバントでも発見されている (アナトリアまたはコーカサスでの精錬を示唆)。^{[ 96 ] [ 97 ]}インドの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、インドにおける鉄の非常に初期の使用を主張するために、また、これらの文献をそのように年代決定するために使用されてきた。リグヴェーダの用語ayas (金属) は銅を指し、 śyāma ayas (文字通り「黒銅」) と呼ばれる鉄は、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。^{[ 98 ]}

考古学的証拠の中には、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精錬されていたことを示唆するものもある。 ^{[ 99 ]}鉄の加工技術は紀元前11世紀後半にギリシャに伝わり、そこからヨーロッパ全土に急速に広まった。^{[ 100 ]}

中央ヨーロッパと西ヨーロッパにおける鉄器製造の普及は、ケルト人の拡大と関連している。大プリニウスによれば、鉄の使用はローマ時代には一般的であった。^{[ 88 ]}現在の中国にあたる地域では、鉄は紀元前700～500年頃に出現した。^{[ 101 ]}鉄の精錬は中央アジアを経由して中国に伝わった可能性がある。^{[ 102 ]}中国における高炉使用の最古の証拠は紀元1世紀に遡り、^{[ 103 ]}坩堝炉は戦国時代（紀元前403～221年）にはすでに使用されていた。^{[ 104 ]}高炉と坩堝炉の使用は唐と宋の時代にも広く行われていた。^{[ 105 ]}

イギリスの産業革命期、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）への鉄の精錬を開始した。1783年、彼は鉄鉱石の精錬法であるパドル法の特許を取得した。この方法は後にジョセフ・ホールなどによって改良された。^{[ 106 ]}

鋳鉄

鋳鉄は紀元前5世紀に中国で初めて生産されましたが^{[ 107 ]}、ヨーロッパでは中世までほとんど普及しませんでした^{[ 108 ] [ 109 ]} 。最古の鋳鉄製品は、考古学者によって現在の中国江蘇省盧河県で発見されました。鋳鉄は古代中国で戦争、農業、建築に使用されました^{[ 110 ]} 。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る）から錬鉄を製造する方法が発見されました。これらのすべての工程で、燃料として木炭が必要でした^{[ 111 ]。}

中世の溶鉱炉は高さ約3.0メートルで耐火レンガでできており、強制送風は通常、手動のふいごで行われていました。^{[ 109 ]}現代の溶鉱炉ははるかに大きくなり、炉床の直径は14メートルにもなり、毎日数千トンの鉄を生産できるようになりましたが、基本的には中世とほぼ同じ方法で稼働しています。^{[ 111 ]} 

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、木炭に代わる鋳鉄生産のためにコークス燃焼式高炉を設立した。その結果、安価な鉄が入手可能になったことが、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、特定の用途において鋳鉄が錬鉄に取って代わり始めた。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認識されるようになったのは18世紀になってからのことである。^{[ 93 ]}

鉄は安価で豊富になったため、1778年に革新的な最初の鉄橋が建設された後、主要な構造材料にもなりました。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残っています。その後、鉄はレール、ボート、船、水道橋、建物、そして蒸気機関の鉄製シリンダーに使用されました。^{[ 111 ]}鉄道は近代と進歩の思想の形成の中心であり^{[ 112 ]} 、さまざまな言語で鉄道を鉄の道と呼んでいます（例：フランス語chemin de fer、ドイツ語Eisenbahn、トルコ語demiryolu、ロシア語железная дорога、中国語、日本語、韓国語の鐵道、ベトナム語đường sắt）。

1774年、アントワーヌ・ラヴォアジエは、白熱した鉄管の中で水蒸気と金属鉄の反応を利用して水素を生成する実験を行い、質量保存の法則を実証しました。これは、化学を定性的な科学から定量的な科学へと変える上で重要な役割を果たしました。^{[ 115 ]}

必要な限られた用途のために、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生成し、それを250  ℃に加熱して分解して純粋な鉄粉を生成することによって、実験室で少量生産されます。^{[ 48 ]}別の方法としては、塩化第一鉄を鉄陰極上で電気分解する方法があります。^{[ 118 ]}

鉄または鋼の工業生産は、主に 2 つの段階から構成されます。第 1 段階では、鉄鉱石が高炉でコークスによって還元され、溶融金属がケイ酸塩鉱物などの大きな不純物から分離されます。この段階では、比較的多くの炭素を含む合金である銑鉄が得られます。第 2 段階では、銑鉄中の炭素量が酸化によって減少し、錬鉄、鋼、または鋳鉄が得られます。^{[ 120 ]}この段階で他の金属を添加して合金鋼を形成することもできます。

環境問題への懸念から、鉄の加工方法の代替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」と呼ばれる鉄の塊に還元し、製鋼に適した状態にする。^{[ 109 ]}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）：^{[ 109 ]}

2 CH ₄ + O ₂ → 2 CO + 4 H ₂

鉄鉱石は炉内でこれらのガスで処理され、固体スポンジ鉄が生成されます。^{[ 109 ]}

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

シリカは、上記のように石灰石フラックスを添加することによって除去される。 ^{[ 109 ]}

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る。

Fe ₂ O ₃ + 2 Al → 2 Fe + Al ₂ O ₃

あるいは、銑鉄は鋼（炭素含有量が約2%まで）または錬鉄（市販の純鉄）に加工される。これには、精錬炉、パドル炉、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いる。いずれの場合も、目的は炭素の一部または全部とその他の不純物を酸化することである。一方、他の金属を添加して合金鋼を作ることもできる。^{[ 111 ]}

溶融酸化物電解（MOE）は、溶融酸化鉄の電気分解によって金属鉄を生成する方法です。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ます。この方法では、液体鉄陰極、クロム、アルミニウム、鉄の合金から形成された陽極^{[ 124 ]}、および溶融金属酸化物の混合物である電解液を使用し、その中に鉄鉱石を溶解します。電流によって電解液は溶融状態を保ち、酸化鉄を還元します。液体鉄に加えて酸素ガスも生成されます。二酸化炭素の排出は、金属を加熱および還元するために使用される化石燃料由来の電力からのみ発生します。 ^{[ 125 ] [ 126 ] [ 127 ]}

鉄はあらゆる金属の中で最も広く使用されており、世界の金属生産量の90%以上を占めています。^{[ 130 ]}低コストで高強度であるため、機械や工作機械、レール、自動車、船体、コンクリート補強棒、建物の耐荷重構造など、応力に耐えたり力を伝達したりする材料としてよく選ばれます。純鉄は非常に柔らかいため、鋼を作るために合金元素と組み合わせるのが一般的です。^{[ 131 ]}

鋼材と合金の種類

α鉄は比較的柔らかい金属で、炭素を少量しか溶解できません（910  ℃で質量比0.021%以下）。^{[ 135 ]}オーステナイト （γ鉄）も同様に柔らかく金属的ですが、炭素をかなり多く溶解できます（1146 ℃で質量比2.04%まで）。この形態の鉄は、カトラリーや病院・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。 ^{[ 21 ]}

市販の鉄は、純度と添加物の量に基づいて分類されます。銑鉄は炭素を 3.5～4.5% 含み^{[ 136 ]} 、硫黄、ケイ素、リンなどの不純物をさまざまな量で含みます。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。銑鉄中の硫黄やリンなど、材料特性に悪影響を与える不純物を減らすことで、炭素 2～4%、ケイ素 1～6%、少量のマンガンを含む鋳鉄が得られます。^{[ 120 ]}銑鉄の融点は 1420～1470 K の範囲で、これは 2 つの主成分のどちらよりも低いため、炭素と鉄を一緒に加熱すると最初に溶ける製品となります。^{[ 11 ]}その機械的特性は大きく異なり、合金中の炭素の形態に依存します。^{[ 17 ]}

「白」鋳鉄は、炭素をセメンタイト、すなわち炭化鉄（Fe ₃ C）の形で含んでいます。 ^{[ 17 ]}この硬くて脆い化合物が白鋳鉄の機械的特性を支配し、硬くはなりますが、衝撃には弱いです。白鋳鉄の破断面は、破断した炭化鉄の微細な面が多数あり、非常に淡い銀色で光沢のある物質であるため、この名前が付けられました。0.8%の炭素を含む鉄の混合物を723  ℃以下から室温までゆっくり冷却すると、セメンタイトとα鉄の層が交互に分離して形成されます。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、この分離のための時間がなく、硬くて脆いマルテンサイトが生成されます。その後、鋼を中間の温度まで再加熱することで、パーライトとマルテンサイトの割合を変えて焼き戻しすることができます。炭素含有量が0.8%未満の最終生成物はパーライト-αFe混合物であり、炭素含有量が0.8%を超える最終生成物はパーライト-セメンタイト混合物である。^{[ 17 ]}

ねずみ鋳鉄では、炭素は個別の微細な黒鉛片として存在し、また、黒鉛片の鋭利なエッジが材料内部に応力集中箇所を生み出すため、材料を脆くします。 ^{[ 137 ]}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、黒鉛の形状を球状または結節状に変化させ、応力集中を低減し、材料の靭性と強度を大幅に向上させます。^{[ 137 ]}

錬鉄は炭素含有量が0.25%未満ですが、繊維状の特徴を与えるスラグを多く含んでいます。 ^{[ 136 ]}錬鉄は鋼よりも耐食性に優れています。錬鉄は軟鋼にほぼ完全に置き換えられましたが、軟鋼は錬鉄よりも腐食しやすいものの、安価で入手しやすいです。炭素鋼は炭素含有量が2.0%以下で、^{[ 138 ]}少量のマンガン、硫黄、リン、ケイ素を含んでいます。合金鋼は、炭素のほか、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をさまざまな量で含んでいます。合金含有量が高いためコストが高くなり、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つにステンレス鋼があります。鉄冶金の最近の発展により、高強度低合金鋼（ HSLA鋼とも呼ばれる）と呼ばれる、微量添加物を含む様々な種類の鋼が、最小限のコストで高強度と、しばしば驚異的な靭性を実現している。^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}

高純度元素組成の合金（例えば電解鉄合金）は、延性、引張強度、靭性、疲労強度、耐熱性、耐食性などの特性が特に向上している。

鉄は従来の用途以外にも、電離放射線からの保護にも使用されています。鉄は従来の保護材料である鉛よりも軽量ですが、機械的強度ははるかに優れています。^{[ 141 ]}

鉄と鋼の主な欠点は、純鉄とそのほとんどの合金は、何らかの方法で保護しないとひどく錆びてしまい、そのコストは世界経済の 1% 以上に達することです。 ^{[ 142 ]}塗装、亜鉛めっき、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、水と酸素を遮断するか、陰極防食によって鉄を錆から保護するために使用されます。鉄の錆びるメカニズムは次のとおりです。^{[ 142 ]}

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 ⁻

全体反応: 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

都市部では電解質は通常硫酸鉄(II) （大気中の二酸化硫黄が鉄を攻撃して生成される）であり、沿岸部では大気中の塩粒子である。^{[ 142 ]}

Feは安価で無毒であるため、Feベースの触媒や試薬の開発に多大な努力が注がれてきた。しかし、商業プロセスでは、より高価な金属に比べて鉄は触媒としてあまり一般的ではない。^{[ 143 ]}生物学では、Feを含む酵素が広く存在している。^{[ 144 ]}

鉄触媒は、アンモニア製造のためのハーバー・ボッシュ法や、燃料や潤滑油用の炭化水素への一酸化炭素の変換のためのフィッシャー・トロプシュ法で従来から使用されている。 ^{[ 145 ]}酸性媒体中の粉末鉄は、ニトロベンゼンをアニリンに変換するベシャン還元法で使用される。^{[ 146 ]}

酸化鉄(III)とアルミニウム粉末を混合して点火するとテルミット反応が起こり、レールなどの大型鉄部品の溶接や鉱石の精製に利用される。酸化鉄(III)とオキシ水酸化鉄(III)は、赤色顔料や黄土色顔料として用いられる。

塩化鉄(III)は、水の浄化や下水処理、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。^{[ 147 ]}また、アルコールに溶解して鉄チンキを形成することもでき、これはカナリアの出血を止める薬として使用されます。^{[ 148 ]}

硫酸鉄(II)は、他の鉄化合物の前駆体として使用されます。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ます。食品の強化や鉄欠乏性貧血の治療にも使用されます。硫酸鉄(III)は、タンク水中の微細な下水粒子を沈殿させるために使用されます。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ます。^{[ 147 ]}

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す。世界保健機関の必須医薬品リストに掲載されています。^{[ 149 ]}

鉄の獲得は好気性生物にとって問題となる。なぜなら、中性付近のpHでは三価鉄の溶解度が低いからである。そのため、これらの生物は鉄を錯体として吸収する手段を発達させており、時には二価鉄を取り込んでから三価鉄に酸化し直すこともある。^{[ 10 ]}特に、細菌はシデロフォアと呼ばれる非常に高い親和性を持つ隔離剤​​を進化させてきた。^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]}

ヒト細胞に取り込まれた後、鉄の貯蔵は厳密に制御されます。^{[ 10 ] [ 159 ]}この制御の主要な構成要素は、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タンパク質であるトランスフェリンです。^{[ 10 ] [ 160 ]}トランスフェリンは、歪んだ八面体の中央にFe3 ⁺を含み、1つの窒素、3つの酸素、およびFe3 ^{+イオンを捕捉する}キレート炭酸アニオンと結合しています。非常に高い安定定数を持つため、最も安定な複合体からでもFe3 ⁺イオンを取り込むのに非常に効果的です。骨髄では、トランスフェリンはFe3 ⁺からFe2 ^{+に還元され、ヘモグロビンに組み込まれるために}フェリチンとして貯蔵されます。^{[ 152 ]}

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す。例としては、ヘモグロビン、ミオグロビン、シトクロムP450などがあります。^{[ 10 ]}これらの化合物は、ガスの輸送、酵素の構築、電子の伝達に関与しています。^{[ 152 ]}メタロプロテインは、金属イオン補因子を持つタンパク質のグループです。鉄メタロプロテインの例としては、フェリチンとルブレドキシンがあります。^{[ 152 ]}カタラーゼ^{[ 161 ]} 、リポキシゲナーゼ^{[ 162 ]}、IRE-BP ^{[ 163 ]}など、生命に不可欠な多くの酵素は鉄を含んでいます。

ヘモグロビンは赤血球に含まれる酸素運搬体であり、赤血球の色を決定づける役割を果たし、動脈で酸素を肺から筋肉に運び、そこでミオグロビンに渡され、グルコースの代謝酸化によるエネルギー生成に必要な時まで貯蔵されます。^{[ 10 ]}ここでヘモグロビンは、グルコースが酸化されたときに生成される二酸化炭素と結合し、ヘモグロビンによって（主に重炭酸アニオンとして）静脈を通って肺に運ばれ、そこで呼気として排出されます。^{[ 152 ]}ヘモグロビンでは、鉄は4つのヘム基のいずれかにあり、6つの配位部位があります。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つの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確保されています。^{[ 152 ]}ヘモグロビンが酸素に結合していない場合（この場合はデオキシヘモグロビンと呼ばれる）、ヘム基の中心にあるFe ^{2+イオン（疎水性のタンパク質内部）は}高スピン配置になっている。そのため、ポルフィリン環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、Fe ²⁺イオンはその約 55 ピコメートル上にある。この配置では、酸素用に確保されている 6 番目の配位部位は、別のヒスチジン残基によってブロックされている。^{[ 152 ]}

デオキシヘモグロビンが酸素分子を取り込むと、このヒスチジン残基は離れ、酸素がしっかりと結合して水素結合を形成すると元の位置に戻ります。これにより、Fe ²⁺イオンは低スピン配置に切り替わり、イオン半径が 20% 減少するため、平面状になるポルフィリン環に収まるようになります。^{[ 152 ]}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動き、ヘモグロビンの他のサブユニットがより大きな酸素親和性を持つ形状に変化します。したがって、デオキシ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、その逆もまた同様です。^{[ 152 ]}一方、ミオグロビンはヘム基を1つしか含まないため、このような協同効果は起こりません。したがって、ヘモグロビンは肺に見られる高酸素分圧下では酸素でほぼ飽和状態になりますが、酸素に対する親和性は、筋肉組織に見られる低酸素分圧下でも酸素化するミオグロビンよりもはるかに低いのです。^{[ 152 ]}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、ヘモグロビンの酸素親和性は二酸化炭素の存在下で低下します。^{[ 152 ]}

一酸化炭素と三フッ化リンは、酸素と同様にヘモグロビンに結合するが、その結合力ははるかに強いため、酸素が体全体に運ばれなくなることから、人間にとって有毒である。一酸化炭素が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る。この効果はシアン化物の毒性にもわずかながら関与しているが、シアン化物の場合、主な効果は電子伝達タンパク質シトクロムaの適切な機能への干渉である。^{[ 152 ]}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る。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のいずれか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ある。ただし、酸素に直接結合するシトクロムaは例外で、シアン化物によって非常に簡単に毒される。^{[ 152 ]}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、電子移動が起こる。各段階の還元電位は前の段階よりもわずかに大きいため、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、酸素に直接結合し、電子だけでなくプロトンも輸送するという点で、やや異なっている。その仕組みは以下の通りである。^{[ 152 ]}

4 Cytc ²⁺ + O ₂ + 8H ⁺_内部→ 4 Cytc ³⁺ + 2 H ₂ O + 4H ⁺_外部

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すが、鉄硫黄タンパク質も非常に重要で、電子伝達に関与しています。これは、鉄が+2または+3の酸化状態で安定して存在できるためです。これらのタンパク質は、1つ、2つ、4つ、または8つの鉄原子を持ち、それぞれが4つの硫黄原子にほぼ四面体配位しています。この四面体配位のため、鉄は常に高スピン状態です。このような化合物の中で最も単純なものはルブレドキシンで、周囲のペプチド鎖のシステイン残基から4つの硫黄原子に配位した鉄原子が1つだけあります。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、複数の鉄原子を持っています。トランスフェリンはこれらのクラスのどちらにも属しません。^{[ 152 ]}

ムール貝が海中の岩にしっかりと付着できるのは、タンパク質が豊富なクチクラに有機金属鉄結合を使用しているためである。合成レプリカに基づくと、これらの構造に鉄が存在することで、弾性率が770倍、引張強度が58倍、靭性が92倍に増加した。永久的な損傷を与えるのに必要な応力は76倍に増加した。^{[ 165 ]}

鉄欠乏症は世界で最も一般的な栄養欠乏症です。 ^{[ 10 ] [ 177 ] [ 178 ] [ 179 ]}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、潜在性鉄欠乏症の状態になり、治療せずに放置すると、赤血球数とヘモグロビン量が不足する鉄欠乏性貧血に発展します。 ^{[ 180 ]}子供、閉経前の女性（出産可能年齢の女性）、および食生活の悪い人は、この病気にかかりやすいです。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、心拍数の増加または不整脈、妊娠中の合併症、乳幼児の成長遅延などの問題を引き起こす可能性があります。^{[ 181 ]}

脳は血液脳関門を介した鉄の輸送が遅いため、急性鉄欠乏症に対して抵抗性があります。^{[ 182 ]}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しませんが、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ます。^{[ 183 ] ​​[ 184 ]}脳では、鉄は酸素輸送、ミエリン合成、ミトコンドリア呼吸、および神経伝達物質の合成と代謝の補因子として役割を果たしています。^{[ 185 ]}栄養性鉄欠乏症の動物モデルでは、パーキンソン病やハンチントン病で見られるものに似た生体分子の変化が報告されています。^{[ 186 ] [ 187 ]}しかし、加齢に伴う脳内の鉄の蓄積もパーキンソン病の発症と関連付けられています。^{[ 188 ]}

鉄の吸収は人体によって厳密に制御されており、鉄を排泄する生理的な手段は人体には存在しない。粘膜や皮膚の上皮細胞の剥離によって毎日失われる鉄の量はごくわずかであるため、鉄レベルの制御は主に吸収の調節によって行われる。^{[ 189 ]}鉄の吸収の調節は、 6番染色体のHLA-H遺伝子領域にマッピングされる遺伝的欠陥の結果として一部の人々で損なわれ、哺乳類の循環系への鉄の流入の主要な調節因子であるヘプシジンのレベルが異常に低くなる。 ^{[ 190 ]}これらの人々では、鉄の過剰摂取により、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。^{[ 10 ]}多くの人は、鉄過剰症に対する未診断の遺伝的感受性を持っており、この問題の家族歴に気づいていない。このため、鉄欠乏症に苦しみ、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。^{[ 191 ]}

鉄の過剰摂取は、血液中の遊離鉄の過剰レベルを引き起こす可能性があります。高濃度の遊離二価鉄は過酸化物と反応して、 DNA、タンパク質、脂質、およびその他の細胞成分を損傷する可能性のある非常に反応性の高いフリーラジカルを生成します。鉄毒性は、細胞内に遊離鉄が存在する場合に発生し、これは一般的に、鉄レベルが鉄に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します。消化管の細胞が損傷すると、鉄の吸収を調節できなくなることもあり、血中レベルのさらなる上昇につながります。鉄は通常、心臓、肝臓、およびその他の細胞を損傷し、昏睡、代謝性アシドーシス、ショック、肝不全、凝固障害、長期的な臓器損傷、さらには死に至るなどの悪影響を引き起こします。 ^{[ 192 ]}人間は、鉄が体重1キログラムあたり20ミリグラムを超えると鉄毒性を経験します。1キログラムあたり60ミリグラムは致死量と考えられています。^{[ 193 ]}鉄の過剰摂取は、多くの場合、子供が大人用に作られた硫酸第一鉄錠剤を大量に摂取することが原因で、6歳未満の子供における最も一般的な中毒死因の1つです。 ^{[ 193 ]}食事摂取基準（DRI）では、成人の耐容上限摂取量（UL）を45 mg/日としています。14歳未満の子供の場合、ULは40 mg/日です。^{[ 194 ]}  

鉄中毒の医学的管理は複雑であり、体内の過剰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が含まれる場合がある。 ^{[ 192 ] [ 195 ] [ 196 ]}

鉄は人間の脳の機能に不可欠です。脳内では鉄が厳密に調節されており、鉄欠乏と過剰の両方の影響が制限されています。これらのシステムが栄養不足、特に妊娠中や乳幼児期に圧倒されると、長期的な健康上の問題が生じる可能性がありますが、栄養不足は通常他の健康問題と関連しているため、直接的な関連性を確立することは困難です。鉄過剰はいくつかの神経変性疾患と相関していますが、原因は不明です。^{[ 197 ]}

鉄は非病理的プロセスにも広く存在するため、がん防御における鉄の役割は「両刃の剣」と表現できます。^{[ 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可能性があり、その場合は鉄レベルを回復するために静脈内鉄療法が用いられます。^{[ 199 ]}赤身肉の過剰摂取によって起こる可能性のある鉄過剰症^{[ 10 ]}は、腫瘍の増殖を開始させ、がん発症への感受性を高める可能性があります^{[ 199 ]} 、特に大腸がんの場合です。^{[ 10 ]}

鉄は海洋生態系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、珪藻などの植物プランクトンの成長速度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こともある。^{[ 202 ]}

鉄は、隣接する河川や大気から直接海洋系に流入する可能性がある。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によって水柱全体に分布する可能性がある。^{[ 203 ]}北極では、海氷が海洋における鉄の貯蔵と分布に重要な役割を果たしており、冬に凍結すると海洋の鉄を減少させ、夏に融解すると再び水中に放出する。^{[ 204 ]}鉄の循環は、鉄の形態を水から粒子状まで変動させ、一次生産者への鉄の利用可能性を変化させる可能性がある。^{[ 205 ]}光と温度が上昇すると、一次生産者が利用できる形態の鉄の量が増える。^{[ 206 ]}