铁(拼音:tiě,注音:ㄊ丨ㄝˇ,粤拼:tit3;英语:Iron),是一种化学元素,其化学符号为Fe(源于拉丁语:ferrum),原子序数为26,原子量为55.845 u,属于第一列过渡元素,位在周期表的第8族。依质量计,是在地球上是占比最多的元素,为地球外核和内核的主要成分。它也是地壳中含量第四多的元素。
地壳中的纯铁十分稀少,基本上只存在于陨石中。铁矿的蕴藏量相当丰富,但要提炼出可用的铁金属,需要可以达到1500 °C以上的窑或火炉,比冶炼铜的温度还要高500 °C。仅在公元前2000年左右,人类开始在欧亚大陆导入这一制程,大约在公元前1200年,铁在某些地区开始取代铜合金,作为工具或武器,这个事件被认为是从铜器时代过渡为铁器时代,历史上的一些帝国由此技术的突破而诞生。由于其机械性能和低成本,铁合金(如钢、不锈钢和合金钢)是到目前为止仍是最常见的工业金属。
铁是有光泽的银白色金属,硬而有延展性,熔点为1539℃,沸点为2750℃,有很强的铁磁性,并有良好的可塑性和导热性。晶体结构为体心立方结构,晶格常数a=2.87埃。日常生活中的铁通常含有碳因而暴露在氧气中容易在遇到水的情况下发生电化学腐蚀,而纯度较高的铁则不易腐蚀[5]。
铁有四种已知的同素异形体,通常表示为α、γ、δ和 ε。
前三种可以在常压下存在。当液态的铁冷却到 1538 °C以下时,它会结晶成 δ-铁,有着体心立方晶系 (bcc) 。继续冷却到 1394 °C时,它会变成γ-铁(奥氏体),为面心立方晶系 (fcc) 。到了912 °C 以下,铁又会变成体心立方晶系的 α-铁。[6]
铁在非常高的压力和温度下的物理特性也得到了广泛的研究,[7][8] 因为它们与有关地球和其他行星的核心的理论相关。在约 10 GPa 和低温下,α-铁会转变成六方最密堆积 (hcp) 结构,又称为ε-铁。高温下的 γ-铁也会变成 ε-铁,不过需要更高的压力。
在 50 GPa 以上的压力和至少 1500 K 的温度下,稳定的β相态存在一些有争议的实验证据。它应该具有正交晶系或双 hcp 结构。[9] (令人困惑的是,“β-铁”有时也用来指居里点以上,从铁磁性变为顺磁性的α-铁,即使其晶体结构没有改变。)[6]
铁的熔点、沸点和摩尔原子化焓都低于早期的 3d元素——钪到铬,显示 3d 电子对金属键的贡献随着原子核越来越大而被吸引而减少。[11]然而,它们高于前一个元素锰的值,因为该元素具有半填充的 3d子壳,因此其 d电子不容易离域。这个趋势也出现在钌中,但没出现在锇中。[12]
铁的熔点在低于 50GPa 的压力下通过实验很好地定义。对于更大的压力,公布的数据(截至 2007 年)仍然存在数十吉帕斯卡和超过一千开尔文的差异。[13]
铁和Fe3+反应得到Fe2+:
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和铜要迟。首先是由于天然的单质状态的铁在地球上非常稀少,而且铁容易氧化生锈,加上铁的熔点(1812K)又比铜(1356K)高得多,使得铁比铜难于熔炼。
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。
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),一氧化碳和矿石内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。
铁也可以通过铝热反应得到:
在日常生活里,铁可以算是最有用、最廉价、最丰富、最重要的金属。工农业生产中,铁是最重要的基本结构材料,铁合金用途广泛,例如钢就是铁和碳及其他金属的合金;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准,被称作工业之母。
一个正常的成年人全身含有3克多铁,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)
国家/地区 | 2016年 |
---|---|
中国 | 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 |
单位:千公吨
国家/地区 | 1977 | 1982 | 1987 | 1992 |
---|---|---|---|---|
中国 | 125812.0 | 110772.0 | 173528.0 | 209593.0 |
前苏联 | 198160.0 | 201574.0 | 205434.0 | 171912.0 |
日本 | 115240.0 | 122172.0 | 112451.0 | 127413.0 |
美国 | 111901.0 | 47505.0 | 58747.0 | 64810.0 |
德国 | 47503.0 | 42935.0 | 44126.0 | 43177.0 |
巴西 | 18001.0 | 12703.0 | 39368.0 | 36497.0 |
韩国 | 4376.0 | 12334.0 | 16487.0 | 28730.0 |
法国 | 36691.0 | 28776.0 | 22882.0 | 22492.0 |
英国 | 19693.0 | 11041.0 | 18290.0 | 18578.0 |
比利时 | 24200.0 | 18613.0 | 18382.0 | 19420.0 |
10大国总计 | 701577.0 | 608425.0 | 709695.0 | 742662.0 |
全球总计 | 891288.0 | 818067.0 | 880515.0 | 959609.0 |
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