鐵

鐵，是一種化學元素，化學符號為，原子序數為26，原子量為，屬於第一列過渡元素，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，為地球外核和內核的主要成分。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以上的窯或爐，比冶煉銅的溫度還要高500 °C。僅在公元前2000年左右，人類開始在歐亞大陸匯入這一製程，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青銅時代過渡為鐵器時代，歷史上的一些帝國由此技術的突破而誕生。由於其機械效能和低成本，鐵合金是到目前為止仍是最常見的工業金屬。平滑的純鐵表面為如鏡面般的銀灰色，但鐵容易與氧和水反應，產生棕色或黑色的水合氧化鐵，俗稱鐵鏽。不同於其它金屬的氧化物可以鈍化金屬，鐵鏽的體積大於原本的鐵，容易剝落，露出新的表面並繼續被鏽蝕。雖然鐵容易反應，但電解產生的高純鐵有較好的抗腐蝕性。一個成年人的身體含有約4公克的鐵，主要分佈在血基質和肌紅素。這兩種蛋白質在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酶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二價鐵離子和三價鐵離子。鐵具有其他過渡金屬的特性，包括了其他第8族元素、釕和鋨。鐵可形成各種氧化態的化合物。鐵也可形成多種錯合物，例如：二茂鐵、草酸鐵離子及普魯士藍，具有大量的工業、醫學及研究應用。物理性質.純鐵是有光澤、較軟、有延展性的銀白色金屬，密度7.873 g/cm3，熔點為1535℃，沸點為3070℃。它有很強的鐵磁性，並有良好的和導熱性。日常生活中的鐵通常含有碳因而暴露在氧氣中容易在遇到水的情況下發生電化學腐蝕，而較高的鐵則不易腐蝕。同素異形體.鐵有四種已知的同素異形體，它們的名稱通常表示為α、γ、δ和 ε。前三種鐵的同素異形體可以在常壓下存在。當液態的鐵冷卻到1538 °C以下時，它會結晶成體心立方晶系的δ-鐵。繼續冷卻到1394 °C時，它會變成面心立方晶系的γ-鐵。到了912 °C以下，鐵又會變成體心立方晶系的α-鐵。因為與地球和其它行星核心的理論相關，鐵在非常高的壓力和溫度下的物理特性得到了廣泛研究。在約10 GPa和低溫下，α-鐵會轉變成六方最密堆積結構的。高溫下的γ-鐵也會轉變成ε-鐵，不過需要更高的壓力。有爭議的實驗證據稱在50 GPa以上的壓力和至少1500 K的溫度下存在穩定的β相。它應該具有正交晶系或雙六方最密堆積結構。 科學家通常假定地球核心由ε相的鐵鎳合金組成。熔點和沸點.鐵的熔點、沸點和都低於早期的3d元素——鈧到鉻，顯示3d電子對金屬鍵的貢獻隨著原子核越來越大而被吸引而減少。然而，錳的這些資料都低於鐵，因為它具有半充滿的3d亞電子層，因此d電子不容易離域。這個現象也出現在釕中，但沒出現在鋨中。鐵在低於50GPa的壓力下的熔點已透過實驗測量。對於更大的壓力，截至2007年公佈的資料仍然存在巨大的差異。磁性.在居里點以下，α-鐵會從順磁性轉變成鐵磁性。鐵原子有兩個不成對電子，它們的自旋通常會和周圍電子的自旋一樣，產生磁場。這兩個電子的軌道d"z"2和d"x"2 − "y"2不指向晶格中的其它原子，因此不參與金屬鍵。在沒有外部磁場的情況下，鐵原子會自發形成大小約10微米的磁疇。磁疇中的原子的磁矩方向保持一致，但每個磁疇的磁矩方向都不一樣，抵消了其它磁疇的磁場，所以大塊鐵的磁場幾乎為零。外部磁場會使所有磁疇的磁矩指往一個方向，從而增強外部磁場。這可以用來改變物體的磁場，並在變壓器、磁儲存和電動機中得到應用。雜質和晶格缺陷可以使磁疇固定在那個方向，從而使鐵製品移除外部磁場後仍有磁性，變成永久磁鐵。同位素.鐵有四種穩定同位素，分別是54Fe。54Fe理論上可以成54Cr，但該過程仍未被觀察到，半衰期下限3.1×1022年。60Fe是有長半衰期的。它已經全部衰變成穩定的60Ni，所以已經不存在於地球。過去關於鐵同位素組成的大部分研究都集中在60Fe的核合成。質譜法的進步使我們可以檢測和量化鐵的穩定同位素比率的微小變化。對隕石"Semarkona"和"Chervony Kut"裡的60Ni丰度和鐵的穩定同位素的丰度研究表明太陽系形成時存在60Fe。在46億年前小行星形成之後，60Fe和26Al的衰變產生的能量可能使它們重新熔化和分異。太陽系星體中的60Ni丰度可以使我們進一步瞭解太陽系的起源和早期歷史。鐵最常見的同位素56Fe因為是核合成最常見的終點，所以是核科學家感興趣的物件。因為56Ni合成，而再加多一個α粒子產生60Zn需要吸收能量，所以56Ni是第三星族星核聚變的終點。半衰期六天的56Ni會被大量產生，但很快就會在超新星遺蹟中先衰變成有放射性的56Co，再衰變成穩定的56Fe。這使得鐵成為紅巨星核心裡最常見的元素，也是鐵隕石和像地球這樣的類地行星的核心中最常見的金屬。相較於其它原子量相近的元素，鐵很常見。它是宇宙中第六豐富的元素，也是最常見的耐火元素。雖然62Ni有比56Fe略高的結合能，但恆星的條件無法合成62Ni。超新星比起合成鎳更傾向於合成鐵，而且因為質子佔比更大，使得56Fe的每個核子的平均質量低於62Ni。比鐵重的元素都需要超新星透過56Fe的r-過程合成。在遙遠未來，如果質子不會衰變，那麼量子隧穿效應會使比56Fe輕的原子核都聚變成56Fe，而比56Fe重的原子核則會透過自發裂變和α衰變衰變成56Fe。最終，所有有恆星質量的物體都會變成冰冷的鐵球。分佈.宇宙.因為Ia超新星核聚變和爆發向太空噴出了大量的鐵，所以鐵在類地行星中大量存在。地殼.鐵是地球上分佈最廣的金屬之一，佔了地殼質量的5%，位居第四，僅次於氧、矽和鋁。這些鐵大多和各種元素化合，生成各種鐵礦，其中主要的是赤鐵礦。鐵也有硫化物礦物，它們在自然界中以火成岩磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦形式存在。鐵的硫化物和矽酸鹽風化時容易分別轉化成硫酸鹽和碳酸氫鹽，它們在水溶液中都會被氧化成三氧化二鐵沉澱。條狀鐵層中存在大量的鐵礦床，它們是在37億年至18億年前形成的。赭石等富含鐵(III)氧化物或氫氧化物的材料自史前時代就被用作黃色、紅色和棕色的顏料，也使岩石和粘土呈現出各種顏色。鐵化合物是許多歷史建築和雕塑中黃色顏料的成分。火星表面著名的紅色是富含氧化鐵的表岩屑引起的。黃鐵礦裡雖然也有大量的鐵，但因為其中的鐵難以開採，所以黃鐵礦大多用於生產硫酸。鐵是如此常見，以至於鐵的開採通常只集中在鐵含量非常高的礦石上。根據國際資源委員會的，全球人均使用的鐵為2200公斤。已發展國家的這個值比未發展國家高。化學性質和化合物.鐵是典型的過渡金屬，可以形成多種氧化態，且有許多配合物和有機金屬化合物。1950年代，鐵化合物二茂鐵的發現徹底改變了有機金屬化學。出於其丰度和在人類的技術進步中發揮的作用，鐵可看作是所有過渡金屬的原型。鐵主要的氧化態為+2。普魯士藍是藍圖中藍的雖然在鐵下方的8族元素釕和鋨都可以達到+8氧化態，但鐵不能。釕在水溶液中仍有和鐵類似的地方，但鋨在水溶液中則以高氧化態含氧酸鹽存在。鐵、鈷和鎳在室溫下都有鐵磁性，而且化學性質相似，因此它們有時合稱為鐵系元素。鐵和大部分金屬不同，它不會和汞形成汞齊，因此汞都是用鐵燒杯交易的。鐵是8族元素中最活潑的元素。鐵粉會自燃，易溶於稀酸中併產生Fe2+。不過，鐵和濃硝酸和其它氧化性酸反應會產生氧化物鈍化層，所以不會進一步反應。但仍然會和鹽酸反應。溶液化學.以下是在酸性條件下，常見含鐵離子的標準電極電勢：紅紫色的高鐵酸根離子是強氧化劑，能在室溫下把氨氣氧化成氮氣，在酸性或中性條件下甚至能氧化水：4 FeO42- + 10 H2O → 4 Fe3+ + 20 OH- + 3 O2Fe3+離子的陽離子化學較豐富，但其六水合離子在pH大於0時極易水解：在pH大於0時會變成上述的黃色水解產物，而繼續升高pH至2–3時則會產生紅棕色的水合氧化鐵沉澱。Fe3+的水合離子都具有相當強烈的顏色，但例外。另一方面，淡綠色的不會水解。把碳酸根加入溶液中並不會產生二氧化碳氣體，而是產生白色的碳酸亞鐵沉澱。在二氧化碳過量的情況下，反應會產生微溶的碳酸氫鹽，但它在空氣中會迅速被氧化成氧化鐵，這也是許多溪流中棕色沉積物的簡單化合物.鐵有多種氧化物，其中四氧化三鐵，它在自然界中以黃鐵礦和白鐵礦形式存在。FeS2裡沒有Fe4+，而是Fe2+和S22-離子形成的化合物。另一種硫化物硫化亞鐵則可以透過鐵和硫直接反應而成。鐵溶於稀硫酸或是二硫化亞鐵的燃燒都可以製備硫酸亞鐵：Fe + H2SO4 → FeSO4 + H22 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O → 2 FeSO4 + 2 H2SO4鐵的二鹵化物可以由金屬鐵和對應的氫鹵酸反應而成。Fe + 2 HX → FeX2 + H2鐵可以和氟氣、氯氣或溴反應，生成對應的三鹵化物，其中三氯化鐵最常見。2 Fe + 3 X2 → 2 FeX3因為Fe3+會氧化I−，所以碘化鐵不能透過此法制備。2 I− + 2 Fe3+ → I2 + 2 Fe2+碘化鐵是不穩定的黑色固體，可由−20 °C時五羰基鐵、碘和一氧化碳隔絕氧氣和水，並在己烷和光照下反應而成。碘化鐵的某些配合物可由穩定存在。有機鐵化合物.有機鐵化合物是含有碳-鐵鍵的化合物。有機鐵化合物的一個例子是用作顏料的普魯士藍 Fe4[Fe(CN)6]3。普魯士藍可以由Fe2+和鐵氰化鉀或是Fe3+和亞鐵氰化鉀反應而成。五羰基鐵 Fe(CO)5則是有機鐵化合物的另一個例子，由鐵原子和五個一氧化碳分子成鍵而成，可由鐵和一氧化碳於150°C和175大氣壓下反應得到。Fe + 5 CO → Fe(CO)5五羰基鐵的熱分解會產生十二羰基三鐵 。四羰基鐵酸二鈉又稱Collman試劑含有−2氧化態的鐵，是有機化學試劑。中的鐵則含有罕見的+1氧化態。有機金屬化學的一個里程碑是由Pauson和Kealy及Miller等人在1951年獨立發現、不尋常穩定的夾心配合物二茂鐵 。次年，羅伯特·伯恩斯·伍德沃德和傑弗裡·威爾金森以及恩斯特·奧托·菲舍爾也獨立發現了它特別的結構。某些有機鐵化合物可用作催化劑，如催化酮轉移氫化的。歷史.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和銅要遲。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，加上鐵的熔點高得多，使得鐵比銅難於熔鍊。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，是鐵和鎳、鈷等金屬的混合物，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。鋼鐵冶金的發展.鐵是古代就已知的金屬之一，但因為鐵容易生鏽，所以很久以前的鐵製品要比金銀製品少很多。隕鐵.在格爾津發現了可追溯到公元前3500年，由隕鐵做成的珠子。這些珠子含鎳7.5%，而地殼中的鐵的鎳雜質很少，表示它們是用隕石製造的。當時人們認為隕鐵來自天界，所以它們備受推崇，常被用來鍛造武器和工具。舉個例子，在圖坦卡蒙的陵墓中有一把由隕鐵打造的，其鐵、鈷和鎳的比例與當地隕石相似。埃及人使用的鐵製品可追溯到公元前3000年至公元前2500年。由於其中的鎳，隕鐵較軟、韌性較高、容易鍛造，但在高溫下容易變脆。對現代化學的發展.1774年，安託萬-洛朗·德·拉瓦錫透過金屬鐵和水蒸氣生成氫氣的反應演示能量守恆定律，這將化學從定性研究轉變為定量研究。名稱由來.鐵，化學符號Fe的拉丁文名稱Ferrum。《說文解字》：「-{鐵，黑金也。從金，𢧤聲。銕，古文鐵，從夷。}-」生產.單質鐵的製備一般採用冶煉法。以赤鐵礦，一氧化碳和礦石內的氧化鐵作用就生成金屬鐵。formula_1formula_2formula_3formula_4formula_5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。實驗室製法.在實驗室裡，少量純鐵可以透過用氫氣還原純氧化鐵或氫氧化鐵而成，或是由五羰基鐵在250 °C下熱分解而成。它也可由氯化亞鐵用鐵陰極電解而成。鋁熱反應.鐵也可以透過鋁熱反應得到：formula_6用途.建材.鐵是用處最廣的金屬，佔了全球金屬生產量的90%。鐵的低成本和高強度使它成為承受壓力或傳遞力的首選材料，如機床、鐵軌、汽車、船體、鋼筋和建築的承重框架。純鐵較軟，因此鐵通常會和其它金屬混合，形成合金。催化劑.生產氨的哈伯法和把一氧化碳轉化成碳氫化合物的費託合成都需要鐵催化劑。鐵粉的酸性溶液則是貝尚還原反應中把硝基苯還原成苯胺的還原劑。鐵催化劑在把生物質轉化成燃料、合成精細化學品、燃料電池以及危險化學品無害化中發揮著至關重要的作用。鐵化合物.鋁熱劑可用於焊接鐵軌。三氯化鐵用於水淨化、汙水處理、布料染色、動物飼料新增劑和印製電路板的蝕刻。三氯化鐵的乙醇溶液可以止金絲雀的血。硫酸亞鐵可以生產其它鐵化合物。它也用於還原水泥中的鉻酸鹽，對食物營養強化和治療缺鐵性貧血。硫酸鐵則用於沉澱水池中的微小顆粒。氯化亞鐵是絮凝劑，也是有機合成的還原劑。對生物的影響.生命需要鐵。可以固氮的固氮酶中含有鐵硫簇。含鐵蛋白質參與了氧氣的運輸和儲存，還參與了電子轉移。含鐵蛋白質包括血紅蛋白、細胞色素和過氧化氫酶。成年人體內含約四克的鐵，其中有四分之三以血紅蛋白形式存在。雖然人每天只吸收了一毫克的鐵，但因為人體會回收血紅蛋白中的鐵，所以人體的鐵含量一直保持恆定。鐵(II)的氧化或鐵(III)的還原可能有助於微生物生長。營養.飲食.富含鐵的食物有紅肉、牡蠣、豆類、家禽、魚類、綠葉蔬菜、西洋菜、豆腐和糖蜜。麵包和穀物片有時也會特別加鐵。鐵膳食補充劑通常以延胡索酸亞鐵或硫酸亞鐵形式存在。單質鐵雖然吸收率只有硫酸亞鐵的三分之一至三分之二，但也常被加到穀物片和麵粉中。和氨基酸螯合的鐵的吸收率最高，因此也可作為。最便宜的氨基酸甘氨酸就常被用來生產甘氨酸鐵補充劑。飲食建議.美國國家醫學院在2001年釋出了鐵最新的估計平均需求和推薦膳食攝入量。對14–18歲的女人來說，鐵的估計平均需求是每天7.9毫克，到了19–50歲增加到8.1毫克，而絕經後則減少到5.0毫克。對於19歲和以上男人，他們的估計平均需求為每天6.0毫克。15–18歲的女人的鐵推薦膳食攝入量為每天15.0毫克、19–50歲18.0毫克、超過50歲8.0毫克。19歲和以上的男人的鐵推薦膳食攝入量都是每天8.0毫克。孕婦的鐵推薦膳食攝入量是每天27毫克，而哺乳期婦女的則為每天9毫克。1–3歲的兒童的鐵推薦膳食攝入量為每天7毫克、4–8歲10毫克、9–13歲8毫克。出於安全原因，當證據充足時，美國國家醫學院也會給營養素設定可耐受最高攝入量。鐵的可耐受最高攝入量為每天45毫克。這些值都是參考膳食攝入量。如果嬰兒喝的是牛乳，那麼他們可能也需要鐵補充劑。頻繁捐血的人有缺鐵的風險，因此常被建議補充鐵。缺乏.缺鐵是世界上最常見的營養不良。如果缺少的鐵沒有透過飲食補充，就會導致，之後會更進一步導致缺鐵性貧血。兒童、停經前期的女人和飲食不當的人最容易患此病。雖然大多數缺鐵性貧血病例輕微，但如果不治療，就會造成心跳加快或不規律、妊娠併發症以及嬰兒和兒童生長遲緩等問題。參考書目.