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鐵   26Fe
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-



外觀
金屬:淺灰色至銀白色


鐵的光譜線
概況
名稱·符號·序數鐵(Iron)·Fe·26
元素類別過渡金屬
·週期·8 ·4·d
標準原子質量55.845(2)
電子排布[] 3d6 4s2
2, 8, 14, 2
歷史
物理性質
物態固體
密度(接近室溫
7.874 g·cm−3
熔點時液體密度6.98 g·cm−3
熔點1811 K,1538 °C,2800 °F
沸點3134 K,2862 °C,5182 °F
熔化熱13.81 kJ·mol−1
汽化熱340 kJ·mol−1
比熱容25.10 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1728 1890 2091 2346 2679 3132
原子性質
氧化態(({oxidation states))}
(兩性)
電負性1.83(鮑林標度)
電離能第一:762.5 kJ·mol−1

第二:1561.9 kJ·mol−1
第三:2957 kJ·mol−1

更多
原子半徑126 pm
共價半徑132±3(低自旋),152±6(高自旋) pm
雜項
晶體結構體心立方
磁序鐵磁性
居里點1043 K
電阻率(20 °C)96.1n Ω·m
熱導率80.4 W·m−1·K−1
膨脹系數(25 °C)11.8 µm·m−1·K−1
聲速(細棒)(室溫)(電解)
5120 m·s−1
楊氏模量211 GPa
剪切模量82 GPa
體積模量170 GPa
泊松比0.29
莫氏硬度4
維氏硬度608 MPa
布氏硬度490 MPa
CAS號7439-89-6
最穩定同位素
主條目:鐵的同位素
同位素 豐度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
54Fe 5.8% >3.1×1022 y β+β+ 0.6800 54Cr
55Fe syn 2.73 y ε 0.231 55Mn
56Fe 91.72% 穩定,帶30個中子
57Fe 2.2% 穩定,帶31個中子
58Fe 0.28% 穩定,帶32個中子
59Fe syn 44.503 d β 1.565 59Co
60Fe syn 2.6×106 y β 3.978 60Co

Iron)是一個化學元素化學符號是Fe (源自拉丁語 ferrum),原子序數26,是一種金屬,是第一列過渡元素,位在週期表的第8族。依質量計,是在地球上是佔比最多的元素,為地球外核內核的主要成分。它也是地殼中含量第四多的元素

地殼中的純鐵十分稀少,基本上只存在於隕石中。鐵礦的蘊藏量相當豐富,但要提煉出可用的鐵金屬,需要可以達到1500 °C以上的火爐,比冶煉的溫度還要高500 °C。僅在公元前2000年左右,人類開始在歐亞大陸導入這一製程,大約在公元前1200年,鐵在某些地區開始取代銅合金,作為工具或武器,這個事件被認為是從銅器時代過渡為鐵器時代。由於其機械性能和低成本,鐵合金(如不銹鋼合金鋼)是到目前為止最常見的工業金屬。

平滑的純鐵表面為如鏡般的銀灰色。但鐵容易與反應,產生棕色或黑色的水合鐵離子,就是俗稱的鐵鏽。不同於其他金屬會產生鈍化層的氧化物,鐵鏽擁有的體積大於原本的金屬,因而容易剝落,露出新的表面繼續鏽蝕。

一個成年人的身體含有約4公克(0.005%的體重)的鐵,主要分佈在血紅蛋白肌紅蛋白。這兩種蛋白質脊椎動物代謝中扮演極為重要的角色,前者負責在血液中運送氧氣,而後者則承擔起在肌肉中儲藏氧氣的責任。為了維持人體中鐵的恆定及代謝,需要從飲食中攝取足量的鐵。鐵也是許多氧化還原的活性位置上的金屬,其涉及細胞呼吸作用及植物和動物的氧化還原反應。

在化學上,鐵最常見的氧化態為亞鐵三價鐵離子。鐵具有其他過渡金屬的特性,包括了其他第8族元素。鐵可形成各種氧化態的化合物(-2到+7)。鐵也可形成多種錯合物,例如:二茂鐵草酸鐵離子普魯士藍,具有大量的工業、醫學及研究應用。

性質

物理性質

鐵是有光澤的銀白色金屬,硬而有延展性熔點為1538沸點為2750℃,有很強的鐵磁性,並有良好的可塑性和導熱性晶體結構體心立方結構晶格常數a=2.87。日常生活中的鐵通常含有因而暴露在氧氣中容易在遇到的情況下發生電化學腐蝕,而純度較高的鐵則不易腐蝕[1]

化學性質

具有金屬單質的通性,能與非金屬單質、等反應。

鐵在氧氣中燃燒後生成四氧化三鐵

在高溫下,鐵可以與水蒸汽反應,生成四氧化三鐵和氫氣

鐵元素可以形成3種氧化物,分別是氧化亞鐵FeO),氧化鐵Fe
2
O
3
),和四氧化三鐵Fe
3
O
4
)(FeO·Fe
2
O
3
)。

鐵和非氧化性酸反應得到Fe2+(亞鐵離子,淺綠色),和氧化性酸反應得到Fe3+(鐵離子,黃色),鐵在濃硫酸濃硝酸中鈍化。

鐵加熱、加壓下可以和一氧化碳反應得到羰基化合物:

鐵和氯氣反應(點燃)得到三氯化鐵,而和反應(加熱)只能得到硫化亞鐵:

[2]

鐵和Fe3+反應得到Fe2+

[3]

化合物

鐵可以形成多種價態的化合物,其中以+2價和+3價的化合物最為典型。常溫下+3價的化合物較為穩定,高溫下+2價的化合物較為穩定。鐵有多種氧化物,如氧化亞鐵氧化鐵四氧化三鐵

氧化態 代表性化合物
−2 四羰基鐵酸二鈉(Collman試劑)
−1 Fe
2
(CO)2−
8
0 五羰基鐵
1 二羰基環戊二烯基鐵二聚物英語Cyclopentadienyliron dicarbonyl dimer ("Fp2")、[Fe(CN)5(NH3)]4-
2 硫酸亞鐵二茂鐵
3 氯化鐵四氟硼酸二茂鐵
4 Fe(diars英語1,2-Bis(dimethylarsino)benzene)
2
Cl2+
2
5 FeO3−
4
6 高鐵酸鉀

發現

鐵是古代就已知的金屬之一。鐵礦石是地殼主要組成成分之一,鐵在自然界中分佈極為廣泛,但人類發現和利用鐵卻比黃金要遲。首先是由於天然的單質狀態的鐵在地球上非常稀少,而且鐵容易氧化生鏽,加上鐵的熔點(1812K)又比銅(1356K)高得多,使得鐵比銅難於熔煉。

人類最早發現的鐵是從天空落下來的隕石隕石中含鐵的百分比很高,是鐵和等金屬的混合物,在融化鐵礦石的方法尚未問世,人類無法大量獲得生鐵的時候,鐵一直被視為一種帶有神秘性的最珍貴的金屬。

鐵的發現和大規模使用,是人類發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展。至今鐵仍然是現代化學工業的基礎,人類進步所必不可少的金屬材料。

名稱由來

鐵,化學符號Fe的來源是拉丁文名稱Ferrum。

說文解字》:「鐵,黑金也。从金,𢧤聲。銕,古文鐵,从夷。」

分佈

鐵是宇宙中第六豐富的元素,也是最常見的耐火元素。[4]它是因為大質量恆星的矽燃燒過程恆星核合成的最後放熱階段形成的。

鐵是地球上分佈最廣的金屬之一。約佔地殼質量的5.1%,居元素分佈序列中的第四位,僅次於

在自然界,游離態的鐵只能從隕石中找到,而分佈在地殼中的鐵都以化合物的狀態存在。鐵的主要礦石有:赤鐵礦(Fe2O3),含鐵量在50%~60%之間;磁鐵礦(Fe3O4),含鐵量60%以上,有亞鐵磁性,此外還有褐鐵礦(Fe2O3·nH2O)、菱鐵礦(FeCO3)和黃鐵礦(FeS2),它們的含鐵量低一些,但比較容易冶煉。

製備

單質鐵的製備一般採用冶煉法。以赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)為原料,與焦炭和助溶劑在熔礦爐內反應,焦炭燃燒產生二氧化碳(CO2),二氧化碳與過量的焦炭接觸就生成一氧化碳(CO),一氧化碳和礦石內的氧化鐵作用就生成金屬鐵。

以上反應都是可逆反應,所產生的一氧化碳濃度越大越好,要使反應進行完全必須在800度以上進行。

化學純的鐵是用氣還原純氧化鐵來製取,也可由五羰基鐵來製取,通過其熱分解來得到純鐵。

鐵也可以通過鋁熱反應得到:

[5]

用途

在日常生活裏,鐵可以算是最有用、最廉價、最豐富、最重要的金屬。工農業生產中,鐵是最重要的基本結構材料,鐵合金用途廣泛,例如就是鐵和碳及其他金屬的合金;國防和戰爭更是鋼鐵的較量,鋼鐵的年產量代表一個國家的現代化水準,被稱作工業之母。

對於人體,鐵是不可缺少的微量元素[6]。在十多種人體必需的微量元素中,鐵無論在重要性上還是在數量上,都居於首位。

一個正常的成年人全身含有3多鐵,相當於一顆小鐵釘的質量。人體血液中的血紅蛋白就是鐵的配合物,它具有固定氧和輸送氧的功能。人體缺鐵會引起貧血症。只要不偏食,不大出血,成年人一般不會缺鐵。但由於女生會來月經等而造成血液流失,導致女性的鐵質流失,所以女性宜食的食品中很多都含有豐富的鐵質。(但是體內鐵濃度過高會導致鐵過載

所謂煤氣中毒(一氧化碳中毒),也是由於血紅素中鐵離子(II)上原本氧氣的連接位被一氧化碳佔據,喪失了吸收氧分子的能力,使人窒息中毒而死亡[7]

鐵還是植物合成葉綠素所必需的元素,缺鐵會導致葉綠素合成受到抑制,使植物新長出的葉子變黃。[8]一般土壤中也含有不少鐵的化合物。

世界10大鐵消費國之消費量

單位:千公噸

國家/地區 2016年
中國 808.4
日本 104.8
印度 95.6
美國 78.5
俄羅斯 70.8
韓國 68.6
德國 42.1
土耳其 33.2
巴西 31.3
烏克蘭 24.2
國家/地區 1977 1982 1987 1992
中國 125812.0 110772.0 173528.0 209593.0
前蘇聯 198160.0 201574.0 205434.0 171912.0
日本 115240.0 122172.0 112451.0 127413.0
美國 111901.0 47505.0 58747.0 64810.0
德國 47503.0 42935.0 44126.0 43177.0
巴西 18001.0 12703.0 39368.0 36497.0
南韓 4376.0 12334.0 16487.0 28730.0
法國 36691.0 28776.0 22882.0 22492.0
英國 19693.0 11041.0 18290.0 18578.0
比利時 24200.0 18613.0 18382.0 19420.0
10大國總計 701577.0 608425.0 709695.0 742662.0
全球總計 891288.0 818067.0 880515.0 959609.0

參考文獻

  1. ^ 超高純度鐵(日文):http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20060317/115050/
  2. ^ 《化學 必修1》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第四章 非金屬及其化合物.2 富集在海水中的元素——氯.P83.ISBN 978-7-107-17648-7
  3. ^ 《化學 必修1》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第三章 金屬及其化合物.2 幾種重要的金屬化合物.三、鐵的重要化合物.P61.ISBN 978-7-107-17648-7
  4. ^ McDonald, I.; Sloan, G. C.; Zijlstra, A. A.; Matsunaga, N.;; Matsuura, M.; Kraemer, K. E.; Bernard-Salas, J.; Markwick, A. J. Rusty Old Stars: A Source of the Missing Interstellar Iron?. The Astrophysical Journal Letters. 2010, 717 (2): L92–L97. Bibcode:2010ApJ...717L..92M. arXiv:1005.3489. doi:10.1088/2041-8205/717/2/L92. 
  5. ^ 《化學 必修2》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第四章 化學與自然資源的開發利用.1 開發利用金屬礦物和海水資源.一、金屬礦物的開發利用.P89.ISBN 978-7-107-17649-4
  6. ^ 徐素萍. 微量元素铁与人体健康的关系. 國家食物與營養諮詢委員會. 2008-09-25 [2013-08-01]. (原始內容存檔於2014-09-20). 
  7. ^ 一氧化碳中毒. [2013-08-01]. [永久失效連結]
  8. ^ 黃勇等. 蓬勃发展的现代农业. 延邊大學出版社. [2017-10-13]. 

外部連結

延伸閱讀

[在維基數據]

維基文庫中的相關文本:欽定古今圖書集成·經濟彙編·食貨典·鐵部》,出自《古今圖書集成

參見

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