铁

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简介

铁在地壳中以其**金属状态**存在**并不常见**，主要由陨石沉积。干净的铁板完美无瑕，呈镜面般的**银灰色**。然而，铁与氧气和水结合时，通常会形成棕色到黑色的潮湿氧化铁，有时被称为铁锈。在化学上，铁最常见的两种氧化态是**铁(II)和铁(III)**。铁与其他过渡金属具有多种共同特征。它构成了地球内外核的很大一部分，按重量计算，是仅次于氧气的**第二丰富的**元素。

什么是铁？

**铁 (Fe)** 是一种化学元素和金属，是最常见、最便宜的**金属**，代表元素周期表中的**第 (VIII) 族**。它是**金属，原子序数为 26，位于周期表第 4 周期，第 8 族**，是周期表中第一个过渡系列。铁是**血红蛋白**的组成部分，血红蛋白是一种蛋白质，可以将氧气从我们的肺部输送到我们身体的每个细胞。

工业路线

铁是通过分解铁矿石制成的，铁矿石通常是由木炭、氢气和一氧化碳形成的氧化物混合物。

如今，工业上生产钢或铁主要有两个步骤。

**步骤 1 - 铁矿石和焦炭在高炉中转化**。熔化的金属被从硅酸盐矿物等大量杂质中提纯。在此阶段生产的合金——生铁，含有大量的碳。

**步骤 2 - 氧化减少**生铁中的碳含量，从而生产出**熟铁、铸铁或钢**。在此阶段，可以加入其他金属来生产合金钢。

• 高炉加工

• 铁矿石，通常是**赤铁矿 Fe₂ O₃（赤铁矿）或 Fe₃ O₄（磁铁矿）、熔剂（白云石或石灰石）、焦炭**和其他材料被送入高炉。

  将加热至 900 °C 的空气“**鼓风**”吹过混合物，以**将混合物中的碳转化为一氧化碳**。

• 该反应使温度升高到**约 2000 °C**。一氧化碳将铁矿石转化为金属铁。

  $$ \mathrm{2C+O_2→2CO} $$

• $$ \mathrm{Fe_2 O_3+3CO→2Fe+3CO_2} $$

  在炉子较低、较热的部分，大量的**铁与焦炭**发生有效反应。

$$ \mathrm{2Fe_2 O_3+3C→4Fe+3CO_2} $$

金属和废渣在炉子的高温下均呈液态。它们在底部形成两个不互溶的水性池，易于分离。

直接还原铁

• “直接还原铁”工艺将铁矿石转化为称为**“直接”铁或“海绵”**铁的铁块，可进一步加工成钢。直接还原工艺包括**两个主要过程**，即 -

  在催化剂和热量的作用下，**天然气发生部分氧化**。

• $$ \mathrm{2CH_4+O_2→2CO+4H_2} $$

  然后使用这些气体在炉中处理铁矿石，**生成坚硬的海绵铁**。

$$ \mathrm{Fe_2 O_3+CO+2H_2→2Fe+CO_2+2H_2 O} $$

特性

• 以下是铁的一些特性 -

• **铁包含同素异形体** - 铁至少有**四种已知的同素异形体**，通常用字母 $\mathrm{\alpha,\gamma,\delta\: and\: \varepsilon}$ 表示。在正常压力下，前**三种**是可见的。当液体铁冷却到低于**1538 °C**时，它会结晶成其**同素异形体** ẟ，该同素异形体具有 bcc 晶体结构。在**1394 °C**，它转变为**铁的同素异形体** 'γ'，具有 fcc 晶体结构。

• **高温高压** - 由于铁的物理特性与地球内部和其他类似星系内部的推测有关，因此人们也对其在**极端高压和高温**下的物理特性进行了深入研究。

• **沸点和熔点** - 与前三个 3d 元素（如钪-铬）相比，铁的**熔点和沸点**较低，原子化焓也较低。

• **磁性** - 铁是一种非常常见的**铁磁性金属**。它赋予我们的**地球磁性**，并且是地球核心中的一个关键组成部分。

**同位素** - 铁的活跃同位素是₅₄Fe、₅₆Fe、₅₇Fe 和₅₈Fe。**最常见的铁同位素₅₆Fe** 对核科学家来说非常重要。

• 机械性能

• 铁及其化合物的**结构应用**很大程度上取决于其机械性能。

• 纯铁的**单晶体**在物理上比铝**更软**。**铁的纯度**对样品的机械行为有很大影响。

随着碳含量的增加，铁的**强度和抗拉强度**会大幅提高。尽管合金的抗拉强度较弱，但**0.6%**的碳含量会导致最大的硬度。

• 化学和化合物

• 铁在化学上与其他过渡金属的区别在于，它能够形成氧化态的变化，其变化量为 1，以及非常广泛的**有机金属和配位化学**。

铁主要形成氧化态为**+2（“亚铁”）和 +3（“铁”）**的化合物。铁的较高氧化态也存在。

铁的不同化合物为 -

卤化物

**亚铁和铁卤化物**作为二元化合物而闻名。当铁与溴、氟和氯结合时，会产生铁卤化物，其中三氯化铁最为常见。

$$ \mathrm{Fe+2HX→FeX_2+H_2} $$

氧化物

铁形成的最常见化合物是**四氧化三铁** (Fe₃ O₄) 和**三氧化二铁** (Fe₂ O₃)。还有**氧化亚铁**。

Fe₃ O₄ 结构。

配位化合物

铁有许多配位络合物。**六氯合铁(III)酸盐**，[FeCl₆ ]₃，是一种常见的 6 配位阴离子。

有机金属化合物

铁有机金属络合物，其中金属原子与碳原子共价连接。例如 Fe₄ [Fe(CN)₆ ]₃，通常称为**“铁氰化铁”**。

Fe₄ [Fe(CN)₆]₃ 结构。

• 应用

• 由于铁成本低廉且强度高，因此在**机械制造**等需要**承受应力或传递力**的应用中，它通常是首选材料。

• **不锈钢**通常用于制造餐具。**医疗和食品服务**设备是一种铁制品。

**白口铸铁**具有刚性和脆性的成分，决定了其**机械性能**，使其坚硬但**抗冲击性差**。

结论

铁是元素周期表**第 (VIII) 族**的金属和化学元素。它是**最强**的铁磁性金属。它在地球的地壳中**排名第四**丰富的元素。我们已经了解了铁的**不同特性和生产**过程。

常见问题解答

1. 铁是强磁铁吗？

**是的，**铁是最强和最著名的铁磁性金属之一。

2. 铁的磁性可以消失吗？

当铁**过热**时，它会失去磁性。

3. 为什么铁对人体很重要？

血红蛋白中含有大量的铁，血红蛋白是红细胞中的一种蛋白质，负责将氧气从肺部输送到身体的各个部位。

4. 如果我们长时间摄入铁会发生什么？

过量的铁会损害**消化道**。随着时间的推移，铁会在器官中积累，并可能致命地损害**肝脏或大脑**。

5. 缺铁的原因是什么？