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鐵
第四周期過渡金屬元素
鐵（英文：Iron），一種常見的金屬元素，化學(xué)符號為Fe，原子系數(shù)為26，相對原子質(zhì)量為55.85，位于元素周期表第四周期第Ⅷ族，價電子層結(jié)構(gòu)為[Ar]3d4s。純鐵通常為銀白色或灰色，有一定的韌性和延展性，粉末狀的鐵是黑到灰色的。鐵最高的氧化態(tài)為+6，在一些配合化合物中也能呈現(xiàn)其他更低的氧化態(tài)，其中以+2，+3價最為常見。鐵元素在自然界是廣泛存在的，占地殼含量的4.75%，僅次于氧、硅、鋁，位于所有元素的第四位。
基本信息
中文名
鐵
英文名
Iron
元素符號
Fe
原子序數(shù)
26
CAS編號
7439-89-6
相對分子質(zhì)量
55.85
物理性質(zhì)
密度
7.87 g/cm
熔點
1538 ℃（1atm）
沸點
2861 ℃（1atm）
比熱容
0.45 KJ/g*K
原子性質(zhì)
原子半徑
117 pm
發(fā)現(xiàn)、命名及使用
鐵礦石是地殼的主要組成部分，所以鐵在自然界中的分布是十分廣泛的。但是人類發(fā)現(xiàn)和使用鐵卻比黃金和銅遲，這主要是因為天然的純鐵在地球上幾乎不存在，不像自然金和自然銅那樣容易被人發(fā)現(xiàn)。而且鐵容易氧化生銹，只有和鎳混合的鐵才能持久不銹，但是含鎳的自然鐵又極少。
因地球上很難找到自然鐵，人類最早發(fā)現(xiàn)鐵來源于天空中落下來的隕石，隕石中有些成分是鐵鎳合金，稱為隕鐵。埃及或美索不達米亞地區(qū)的古文明國家所發(fā)現(xiàn)的最早的鐵器都是由隕鐵加工制成的。在埃及的前王朝時期（公元前3500年），曾用含鎳7.5%的隕鐵制成鐵珠；在埃及十一王朝（公元前2000年）的一個古墓里，出土了含鎳0.5%的隕鐵制成的鑲銀辟邪護符。而中國目前發(fā)現(xiàn)最早的鐵器是甘肅省臨潭縣磨溝寺洼文化墓葬出土的兩個鐵條，距今3500年（公元前1500年）左右。由于鐵早期特殊的來源方式，古埃及人把鐵叫做“天石”，在西亞古蘇美爾語中，鐵被叫做“安爾巴”，意為“天降之火”。在古代人們發(fā)現(xiàn)鐵時，由于其堅硬的特性，被命名為“Iron”，該詞來源于拉丁語，有“堅固、剛強”之意。鐵的元素符號“Fe”，源于拉丁文“Ferrum”，意指“鐵”，系該詞的縮寫。
同時由于隕石的來源稀少，只靠隕石來獲得鐵難以滿足人們生產(chǎn)生活的需求，隨著冶煉青銅器技術(shù)的逐漸成熟，鐵的冶煉技術(shù)應(yīng)運而生。鐵的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模使用，是人類發(fā)展史上的一個里程碑，它把人類從石器時代、青銅器時代帶到了鐵器時代，推動了人類文明的發(fā)展。恩格斯曾經(jīng)指出鐵器的使用在古代人類社會發(fā)展史上具有重大意義，認為“鐵已經(jīng)為人類服務(wù)，這是在歷史上起了革命作用的各種原料當(dāng)中最后者（直到馬鈴薯的出現(xiàn)為止）和最重要者”。至今鐵仍然是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，人類進步所必不可少的金屬材料。
分布與開采
全球鐵礦資源豐富，分布較為集中。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局數(shù)據(jù)，2018年全球鐵礦儲量為1700億噸，和2017年保持一致；鐵金屬儲量940億噸，比2017年上升1.2%。其中澳大利亞、巴西、俄羅斯、中國和印度五國鐵儲量合計占全球的77.5%，巴西、澳大利亞的鐵礦資源品質(zhì)較高，大部分在60%以上；中國以平礦為主，原礦平均品味只有34.5%，低于49.4%的全球平均水平。在礦石的種類上澳大利亞、巴西等國生產(chǎn)的鐵礦石多為赤鐵礦，由于礦石中有害雜質(zhì)較少，可直接入高爐，礦石燒結(jié)、冶煉性能都比較好；而中國的鐵礦石又多為含鐵品味較低的磁鐵礦石，需要提純燒結(jié)制球后才能入爐，使得生產(chǎn)成本相對較高。
隨著開采技術(shù)的不斷提升和生產(chǎn)需求的不斷提高，近年來全球鐵礦石的開采量穩(wěn)步增長，2021年全球鐵礦石產(chǎn)量達26億噸，較2020年增加了1.3億噸，同比增長了5.26%。全球高品位易開采的鐵礦資源主要分布在澳大利亞、巴西、中國、印度、俄羅斯等國，因此澳大利亞、巴西、中國、印度、俄羅斯也成為全球鐵礦石重要的生產(chǎn)國，2021年澳大利亞鐵礦石產(chǎn)量完成9.00億噸，占全球鐵礦石總產(chǎn)量的34.6%，全球排名第一。這些鐵礦石在開采后，經(jīng)過破碎、篩分、球磨等步驟后多直接用于生鐵冶煉，并進一步生產(chǎn)粗鋼和鋼材等產(chǎn)品。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
鐵是一種銀白色或灰色的金屬，純鐵質(zhì)地柔軟，密度為7.87g/cm，熔點為1538 ℃（1atm），沸點為2861 ℃（1atm），通常不溶于水和堿，溶于酸，有良好的延展性和導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。鐵和鐵的合金有很強的鐵磁性，屬于磁性材料。室溫下鐵是體心立方結(jié)構(gòu)，發(fā)生相變時也有面心立方結(jié)構(gòu)的鐵存在，在干燥的空氣中鐵是很穩(wěn)定的。將鐵和其他金屬元素合金化能增大鐵的硬度，降低熔點，甚至有的能解決鐵的生銹問題。
同素異形體
大多數(shù)金屬在結(jié)晶完成的后續(xù)冷卻過程中，其晶體結(jié)構(gòu)就不發(fā)生變化，即固態(tài)時只有一種晶格，如銅、鋁等。而鐵在固態(tài)下隨著溫度的改變，會由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格，這種現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。
鐵在912 ℃以下為體心立方結(jié)構(gòu)，稱為α-Fe，與碳的固溶體稱為α鐵素體；在912 ℃-1394 ℃時轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)，稱為γ-Fe，與碳的固溶體稱為奧氏體；溫度在1394 ℃至熔點間又變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，稱為δ-Fe,與碳的固溶體稱為δ鐵素體。純鐵在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，其體積和力學(xué)性能也隨之發(fā)生改變。正因為如此，生產(chǎn)中才有可能對鐵碳合金等進行熱處理，以改變其性能。
同位素
鐵有四個穩(wěn)定的同位素，按照自然豐度由低到高分別為：Fe、Fe、Fe 和Fe，具體數(shù)值如下圖表格所示。此外鐵還有一些放射性同位素，例如Fe、Fe等，它們的半衰期分別為2.7年和44.5天。由于相對于H、O、S等輕元素而言，F(xiàn)e同位素間的相對質(zhì)量差較小，受到測試技術(shù)的制約，傳統(tǒng)的質(zhì)譜技術(shù)無法將之分辨出來。直至多接收器等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICP-MS）的出現(xiàn)和發(fā)展，使得高精度測量Fe等金屬同位素的組成成了現(xiàn)實。同時為了將Fe同位素與H、O、S等輕元素穩(wěn)定同位素相區(qū)別，將Fe、Cu等過渡族元素的同位素稱之為重元素穩(wěn)定同位素或非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素。
元素符號 | 原子序數(shù) | 質(zhì)量數(shù) | 中子數(shù) | 同位素 | 原子質(zhì)量數(shù) | 同位素豐度（%） | 原子質(zhì)量 |
Fe | 26 | 54 | 28 | Fe | 53.93961 | 5.84 | 55.847 |
56 | 30 | Fe | 55.93494 | 91.76 | |||
57 | 31 | Fe | 56.93540 | 2.12 | |||
58 | 32 | Fe | 57.93328 | 0.28 |
鐵穩(wěn)定同位素的參數(shù)
化學(xué)性質(zhì)
鐵和鈷鎳類似都是中等活潑的金屬。在沒有水汽存在時，一般溫度下，和氧、硫、氯和磷等非金屬幾乎不起作用，但在高溫下可以發(fā)生猛烈反應(yīng)。鐵與氮雖然不直接化合，但卻與氨作用形成Fe2N。此外碳溶解在熔融的鐵中形成 Fe3C。
鐵是一種變價金屬，最高的氧化態(tài)為+6，其他氧化態(tài)有+5、+4、+3、+2和0，在某些配合物中，也呈現(xiàn)更低的氧化態(tài)。鐵常見的氧化態(tài)是+2和+3，其中+3價的鐵有很強的氧化作用，高價態(tài)的鐵通常都是以高鐵酸鹽或配合物等形式存在。
在酸性溶液中，F(xiàn)e 是鐵的最穩(wěn)定狀態(tài)，高氧化態(tài)的鐵在酸性溶液中是很強的氧化劑?？諝庵械难鯕饽軐⑺嵝匀芤褐械腇e氧化為Fe。鐵和鹽酸作用生產(chǎn)FeCl2，但在干態(tài)，因為Fe的第三電離勢較小，F(xiàn)e和氯氣反應(yīng)產(chǎn)物是FeCl3。當(dāng)鐵和熱的稀硝酸反應(yīng)則有一部分 Fe 由 Fe氧化為 Fe。所以濃硝酸或含有重鉻酸鹽的酸可以使鐵鈍化，生成一層致密的氧化膜。堿性介質(zhì)中，鐵最穩(wěn)定的氧化態(tài)是+3，在堿性介質(zhì)中將低氧化態(tài)的鐵氧化為高氧化態(tài)比在酸性介質(zhì)中容易。例如，向含有的溶液中加入強堿，能生產(chǎn)白色 Fe(OH)2 沉淀，但在空氣中的氧氣又立刻把白色 Fe(OH)2 氧化成紅棕色 Fe(OH)3。
鐵與非氧化性稀酸反應(yīng)：Fe+2H = Fe+H2↑
3Fe + 4H2SO4(濃) = Fe3O4 + 4SO2↑ + 4H2O
3Fe + 8HNO3(濃) = Fe3O4 + 8NO2↑ + 4H2O
將水蒸氣通過燒熱的鐵，可以得到H2和 Fe3O4：
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑
Fe + 2OH = Fe(OH)2↓
4Fe(OH)2 +O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3↓
制備方法
工業(yè)制法
鐵礦石中的鐵，一般呈氧化物狀態(tài)，如赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4）、褐鐵礦（含結(jié)晶水的 Fe2O3)、菱鐵礦(FeCO3熱分解后成為FeO）等。約在500℃-600℃左右，鐵礦石中的氧化鐵與還原劑（木炭及其他燃燒物所產(chǎn)生的一氧化碳）接觸時，便可逐漸還原成鐵，到1000 ℃左右才能得到含碳量很低的固體黑塊。
煉鐵反應(yīng)方程式，以磁鐵礦為例：
4CO + Fe3O4 = 3Fe + 4CO2↑
這種煉鐵技術(shù)，曾被稱為“塊煉法”或“低溫固體還原法”，其產(chǎn)品通常被稱為“塊煉鐵”或“海綿鐵”。這樣的煉鐵法，產(chǎn)量低、勞動強度大、浪費原料多，且產(chǎn)品不夠堅固耐用。
實驗室制法
實驗室制鐵可以通過鋁熱法煉鐵，在高溫條件下利用金屬鋁還原氧化鐵可以得到鐵，反應(yīng)方程式如下所示：
高溫條件下，氫氣和氧化鐵反應(yīng)可以制取純度較高的鐵，反應(yīng)方程式如下：
工業(yè)上也叫這種方法為直接還原煉鐵工藝，與工業(yè)制鐵的高爐煉鐵相比，直接還原煉鐵工藝可以擺脫對焦煤資源的依賴，并減少二氧化碳的排放，而且直接還原鐵在元素純凈性方面有天然的優(yōu)勢，是生產(chǎn)高品質(zhì)鋼鐵產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料。
此外還可以通過羰基合鐵熱分解來得到純鐵。羰基合鐵在300℃時可以分解為鐵和一氧化碳，但是由于這個反應(yīng)通常引入氨氣為保護氣，會導(dǎo)致制得的鐵粉中不可避免的有氮元素存在，后續(xù)可用氫氣還原進一步提高鐵的純度。
應(yīng)用領(lǐng)域
顏料
氧化鐵是一種多用途的黑色顏料，具有良好的耐候性、耐堿性和耐光性，因而在建筑行業(yè)的地面、墻壁、人造大理石和混凝土等領(lǐng)域廣泛用作涂料和著色劑，在混凝土中的用量可達5%-8%。防銹性能好、防腐蝕佳、遮蓋力和著色力強，與涂料其它成分的相容性好，能吸收紫外線，廣泛用于各種戶外用漆、交通用漆、金屬防銹底漆及面漆中，若進行超細處理制成透明鐵黑，還適用于汽車面漆、木材著色、光頭涂料和醫(yī)藥包裝器著色。
污染物降解
納米零價鐵是一種綠色原位的新興環(huán)境友好型材料。多年來的研究表明，納米零價鐵對重金屬、有機染料、藥品及有機氯化物等均有較高的去除效果，作為環(huán)境納米材料在地下水污染修復(fù)領(lǐng)域中已被廣泛應(yīng)用。納米零價鐵通常是通過吸附、離子交換、氧化還原、共沉淀、絡(luò)合等反應(yīng)來達到去除污染物的作用。南開大學(xué)展思輝團隊利用氮空位調(diào)節(jié)鐵單原子局部電子密度實現(xiàn)高效光分頓過程，他們將單個鐵原子分散在具有豐富氮空位的氮化碳上并在可見光照射下激活過氧化氫，且優(yōu)化后的材料展現(xiàn)出高的環(huán)丙沙星降解活性，是原來氮化碳的18倍。
催化劑
費托合成可以高效將煤、天然氣和生物質(zhì)等轉(zhuǎn)化為液體燃料和高價值化學(xué)品。與常規(guī)的貴金屬釕或鉑基催化劑相比，鐵基催化劑因其價格低廉，產(chǎn)物分布廣而被廣泛研究。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的包信和研究組設(shè)計了一種將鐵納米粒子封裝于碳納米管中的納米材料，并發(fā)現(xiàn)這種材料有出色的催化一氧化碳加氫反應(yīng)的活性。除此之外，單原子鐵基催化劑在氧還原反應(yīng)中已經(jīng)展現(xiàn)出了超過貴金屬鉑的催化活性；來自馬里蘭大學(xué)和羅切斯特大學(xué)的研究者們開發(fā)了一種通用的鐵催化多組分環(huán)化-交叉偶聯(lián)方案，該方案適用于廣泛應(yīng)用于各種烷基或雜環(huán)取代烯烴的功能化和生物活性分子的后期功能化，且催化反應(yīng)產(chǎn)率高、區(qū)域選擇性好。將來有可能應(yīng)用藥物、材料和農(nóng)藥的合成領(lǐng)域。
鐵基超導(dǎo)
超導(dǎo)現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來已有一百多年的歷史，是凝聚態(tài)物理中的一個重要分支，蘊含著巨大的應(yīng)用前景。最早是在2006年，日本東京工業(yè)大學(xué)的Hosono研究組發(fā)現(xiàn)在氟摻雜的LaFeAsO體系中存在高達26 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。由于鐵離子帶有磁性，會破壞超導(dǎo)，因此在含鐵的化合物里找到了超導(dǎo)電性突破了人們的認知。中國科學(xué)院電工研究所的研究人員通過對鐵基超導(dǎo)線材制備工程中涉及的相組分與微結(jié)構(gòu)控制、界面復(fù)合體均勻加工等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究，解決了鐵基超導(dǎo)線規(guī)模化制備中的均性、穩(wěn)定性和重復(fù)性等技術(shù)難點，并于2016年成功制備出長度達到115 m的鐵基超導(dǎo)線材，這項工作被認為是鐵基超導(dǎo)材料從實驗室研究走向產(chǎn)業(yè)化進程的里程碑，奠定了鐵基超導(dǎo)材料在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。
鐵合金
鐵是最重要的基本結(jié)構(gòu)材料，由鐵為原料制取的鐵合金在工業(yè)上多種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。[20]以硅鐵合金為例，硅鐵合金是以焦炭、鋼屑、石英為原料，用電爐冶煉制成的。硅和氧很容易化合成二氧化硅，所以硅鐵常用于煉鋼過程中的脫氧劑，同時由于二氧化硅生成時放出大量的熱，所以在脫氧的同時也能提高鋼水的溫度。硅鐵合金廣泛用于低合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼及電工硅鋼之中。
土壤修復(fù)
土壤污染物涉及面廣，治理難度大，具有隱蔽性、滯后性，因此土壤污染及其修復(fù)技術(shù)的研究具有很強的現(xiàn)實意義和遠期價值。納米零價鐵原位還原修復(fù)技術(shù)屬于原位還原法的范疇，具有設(shè)備簡單、實施成本低、適用的污染物范圍廣、修復(fù)速度快、效率高、適用深度大等優(yōu)點。
鐵與健康
缺鐵是困擾全球的微量營養(yǎng)素缺乏問題，當(dāng)前全球面臨缺鐵困擾的人多達數(shù)億。缺鐵導(dǎo)致人體疲勞、虛弱、勞動能力下降，尤其對孕婦和學(xué)齡前兒童的生長發(fā)育帶來嚴重影響，此外還有多達一半的貧血是由缺鐵造成的。缺鐵現(xiàn)象的存在一直對世界各地人民的健康生活造成嚴重挑戰(zhàn)。中國政府一直高度重視此類問題，一直致力于將鐵等微量營養(yǎng)元素引入食物中。上世紀90年代的多項研究數(shù)據(jù)表明中國農(nóng)村6個月嬰兒貧血率高達50%，育齡婦女的貧血率為41.1%。到了2002年全國營養(yǎng)調(diào)查結(jié)果顯示中國人群貧血率為20.1%，到了2010-2013年全國營養(yǎng)監(jiān)測顯示中國6歲以上人群貧血率降低到了9.7%。據(jù)衛(wèi)健委2020年發(fā)布的《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告》顯示，這一數(shù)據(jù)在2015-2019年為6.1%。
雖然外源補鐵被認為是預(yù)防和改善缺鐵的有效途徑，然而鐵極易誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，補鐵可能會使動物機體出現(xiàn)副作用，長時間或高劑量的補鐵能夠?qū)е聶C體沉積過量的鐵并誘導(dǎo)多種疾病。例如，鐵代謝調(diào)控蛋白相關(guān)基因的突變或其它疾病容易導(dǎo)致腸道無限制地吸收鐵，誘導(dǎo)機體出現(xiàn)鐵過載及相關(guān)疾病。有研究表明，服用鐵制劑膠囊過量的患者胃腸道粘膜有大量鐵沉積現(xiàn)象，胃腸道出現(xiàn)侵蝕性損傷。
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尚可名片
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作者
