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原子序数为26的化学元素

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,為地球外核內地核的主要成分。它也是地殼中含量第四多的元素

铁   26Fe
氫(非金屬)
氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬)
鈹(鹼土金屬)
硼(類金屬)
碳(非金屬)
氮(非金屬)
氧(非金屬)
氟(鹵素)
氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬)
鎂(鹼土金屬)
鋁(貧金屬)
矽(類金屬)
磷(非金屬)
硫(非金屬)
氯(鹵素)
氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬)
鈣(鹼土金屬)
鈧(過渡金屬)
鈦(過渡金屬)
釩(過渡金屬)
鉻(過渡金屬)
錳(過渡金屬)
鐵(過渡金屬)
鈷(過渡金屬)
鎳(過渡金屬)
銅(過渡金屬)
鋅(過渡金屬)
鎵(貧金屬)
鍺(類金屬)
砷(類金屬)
硒(非金屬)
溴(鹵素)
氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬)
鍶(鹼土金屬)
釔(過渡金屬)
鋯(過渡金屬)
鈮(過渡金屬)
鉬(過渡金屬)
鎝(過渡金屬)
釕(過渡金屬)
銠(過渡金屬)
鈀(過渡金屬)
銀(過渡金屬)
鎘(過渡金屬)
銦(貧金屬)
錫(貧金屬)
銻(類金屬)
碲(類金屬)
碘(鹵素)
氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬)
鋇(鹼土金屬)
鑭(鑭系元素)
鈰(鑭系元素)
鐠(鑭系元素)
釹(鑭系元素)
鉕(鑭系元素)
釤(鑭系元素)
銪(鑭系元素)
釓(鑭系元素)
鋱(鑭系元素)
鏑(鑭系元素)
鈥(鑭系元素)
鉺(鑭系元素)
銩(鑭系元素)
鐿(鑭系元素)
鎦(鑭系元素)
鉿(過渡金屬)
鉭(過渡金屬)
鎢(過渡金屬)
錸(過渡金屬)
鋨(過渡金屬)
銥(過渡金屬)
鉑(過渡金屬)
金(過渡金屬)
汞(過渡金屬)
鉈(貧金屬)
鉛(貧金屬)
鉍(貧金屬)
釙(貧金屬)
砈(類金屬)
氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬)
鐳(鹼土金屬)
錒(錒系元素)
釷(錒系元素)
鏷(錒系元素)
鈾(錒系元素)
錼(錒系元素)
鈽(錒系元素)
鋂(錒系元素)
鋦(錒系元素)
鉳(錒系元素)
鉲(錒系元素)
鑀(錒系元素)
鐨(錒系元素)
鍆(錒系元素)
鍩(錒系元素)
鐒(錒系元素)
鑪(過渡金屬)
𨧀(過渡金屬)
𨭎(過渡金屬)
𨨏(過渡金屬)
𨭆(過渡金屬)
䥑(預測為過渡金屬)
鐽(預測為過渡金屬)
錀(預測為過渡金屬)
鎶(過渡金屬)
鉨(預測為貧金屬)
鈇(貧金屬)
鏌(預測為貧金屬)
鉝(預測為貧金屬)
鿬(預測為鹵素)
鿫(預測為惰性氣體)
-



外觀
金屬:淺灰色至銀白色


鐵的光譜線
概況
名稱·符號·序數 铁(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

铁的电子層(2, 8, 14, 2)
歷史
物理性質
物態 固體
密度 (接近室温
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(鲍林标度)
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
膨脹係數 (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

主条目:铁的同位素

同位素 丰度 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

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,主要分布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。


目录

性质编辑

物理性质编辑

鐵是有光澤的銀白色金屬,硬而有延展性熔點為1538沸點为2750℃,有很強的鐵磁性,並有良好的可塑性導熱性晶体结构体心立方结构晶格常数a=2.87。日常生活中的铁通常含有因而暴露在氧气中容易在遇到的情况下发生电化学腐蚀,而纯度较高的铁则不易腐蚀[1]

化学性质编辑

具有金属单质的通性,能与非金属单质、等反应。

铁在氧气中燃烧后生成四氧化三铁

 

在高温下,铁可以与水蒸汽反应,生成四氧化三铁和氢气

 

铁元素可以形成3种氧化物,分别是氧化亚铁FeO),氧化铁Fe2O3),和四氧化三铁Fe3O4)(FeO·Fe2O3)。

铁和非氧化性酸反应得到Fe2+(亚铁离子,浅绿色),和氧化性酸反应得到Fe3+(铁离子,黄色),铁在浓硫酸浓硝酸中钝化。

铁加热、加压下可以和一氧化碳反应得到羰基化合物:

 

铁和氯气反应(点燃)得到三氯化铁,而和反应(加热)只能得到硫化亚铁:

 [2]
 

铁和Fe3+反应得到Fe2+

 [3]

化合物编辑

铁可以形成多种价态的化合物,其中以+2价和+3价的化合物最为典型。常温下+3价的化合物较为稳定,高温下+2价的化合物较为稳定。铁有多种氧化物,如氧化亚铁氧化铁四氧化三铁

氧化態 代表性化合物
−2 四羰基铁酸二钠(Collman試劑)
−1 Fe2(CO)2−
8
0 五羰基铁
1 二羰基环戊二烯基铁二聚物英语Cyclopentadienyliron dicarbonyl dimer ("Fp2")
2 硫酸亚铁二茂铁
3 氯化铁四氟硼酸二茂铁
4 Fe(diars)2Cl2+
2
5 FeO3−
4
6 高铁酸钾

发现编辑

铁是古代就已知的金属之一。铁矿石是地壳主要组成成分之一,铁在自然界中分布极为广泛,但人类发现和利用铁却比黄金要迟。首先是由于天然的单质状态的铁在地球上非常稀少,而且它容易氧化生锈,加上它的熔点(1812K)又比铜(1356K)高得多,就使得它比铜难于熔炼。

人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石陨石中含铁的百分比很高,是铁和等金属的混合物,在融化铁矿石的方法尚未问世,人类无法大量获得生铁的时候,铁一直被视为一种带有神秘性的最珍贵的金属。

铁的发现和大规模使用,是人类发展史上的一个里程碑,它把人类从石器时代、青铜器时代带到了铁器时代,推动了人类文明的发展。至今铁仍然是现代化学工业的基础,人类进步所必不可少的金属材料。

名称由来编辑

铁,化学符号Fe的来源是拉丁文名称Ferrum。

說文解字》:「鐵,黑金也。从金,𢧤聲。銕,古文鐵,从夷。」

分布编辑

铁是宇宙中第六丰富的元素,也是最常见的耐火元素。[4]它是因为大质量恒星的硅燃烧过程恆星核合成的最后放热阶段形成的。

铁是地球上分布最广的金属之一。约占地壳质量的5.1%,居元素分布序列中的第四位,仅次于

在自然界,游离态的铁只能从陨石中找到,而分布在地壳中的铁都以化合物的状态存在。铁的主要矿石有:赤铁矿(Fe2O3),含铁量在50%~60%之间;磁铁矿(Fe3O4),含铁量60%以上,有亚铁磁性,此外还有褐铁矿(Fe2O3·nH2O)、菱铁矿(FeCO3)和黄铁矿(FeS2),它们的含铁量低一些,但比较容易冶炼。

制备编辑

单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)为原料,与焦炭和助溶剂在熔矿炉内反应,焦炭燃烧产生二氧化碳(CO2),二氧化碳与过量的焦炭接触就生成一氧化碳(CO),一氧化碳和礦石內的氧化铁作用就生成金属铁。

 
 
 
 
 

以上反应都是可逆反应,所产生的一氧化碳浓度越大越好,要使反应进行完全必须在800度以上进行。

化学纯的铁是用气还原纯氧化铁来制取,也可由五羰基铁来制取,通过其热分解来得到纯铁。

铁也可以通过铝热反应得到:

 [5]

用途编辑

在日常生活裡,铁可以算是最有用、最廉價、最丰富、最重要的金属。工農業生产中,铁是最重要的基本结构材料,铁合金用途广泛,例如就是鐵和碳及其他金屬的合金;国防和战争更是钢铁的较量,钢铁的年产量代表一个国家的现代化水準,被稱作工業之母。

对于人体,铁是不可缺少的微量元素[6]。在十多种人体必需的微量元素中,铁無論在重要性上還是在數量上,都居於首位。

一个正常的成年人全身含有3多铁,相当于一颗小铁钉的质量。人体血液中的血红蛋白就是铁的配合物,它具有固定氧和输送氧的功能。人体缺铁会引起贫血症。只要不偏食,不大出血,成年人一般不会缺铁。但由于女生会来月经等而造成血液流失,导致女性的铁质流失,所以女性宜食的食品中很多都含有丰富的铁质。(但是体内铁浓度过高会导致铁过载

所谓煤气中毒(一氧化碳中毒),也是由于血红素中铁離子(II)上原本氧气的连接位被一氧化碳占据,丧失了吸收氧分子的能力,使人窒息中毒而死亡[7]

铁还是植物合成叶绿素所必需的元素,缺铁会导致叶绿素合成受到抑制,使植物新长出的叶子变黄。[8]一般土壤中也含有不少铁的化合物。

世界10大鐵消費國之消費量编辑

單位:千公噸

国家/地区 2016年
中國 808.4
日本 104.8
印度 95.6
美国 78.5
俄罗斯 70.8
韩国 68.6
德国 42.1
土耳其 33.2
巴西 31.3
乌克兰 24.2
国家/地区 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

參考文獻编辑

  1. ^ 超高純度鐵(日文):http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20060317/115050/
  2. ^ 《化学 必修1》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第四章 非金属及其化合物.2 富集在海水中的元素——氯.P83.ISBN 978-7-107-17648-7
  3. ^ 《化学 必修1》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第三章 金属及其化合物.2 几种重要的金属化合物.三、铁的重要化合物.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. ^ 《化学 必修2》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第四章 化学与自然资源的开发利用.1 开发利用金属矿物和海水资源.一、金属矿物的开发利用.P89.ISBN 978-7-107-17649-4
  6. ^ 徐素萍. 微量元素铁与人体健康的关系. 国家食物与营养咨询委员会. 2008-09-25 [2013-08-01]. (原始内容存档于2014-09-20). 
  7. ^ 一氧化碳中毒. [2013-08-01]. [永久失效連結]
  8. ^ 黄勇等. 蓬勃发展的现代农业. 延边大学出版社. [2017-10-13]. 

外部链接编辑

参见编辑