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    铁的材质参数

    发布日期:2022-11-10? 作者:欧诚喷嘴 点击:

    (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。

    一个成年人的身体含有约4公克(0.005%的体重)的铁,主要分布在血紅蛋白和肌红蛋白。这两种蛋白质在脊椎动物代谢中扮演极为重要的角色,前者负责在血液中运送氧气,而后者则承担起在肌肉中储藏氧气的责任。为了维持人体中铁的恒定及代谢,需要从饮食中摄取足量的铁。铁也是许多氧化还原酶的活性位置上的金属,其涉及细胞呼吸作用及植物和动物的氧化还原反应。

    在化学上,铁最常见的氧化态为二价铁离子和三价铁离子。铁具有其他过渡金属的特性,包括了其他第8族元素、钌和锇。铁可形成各种氧化态的化合物(-2到+7)。铁也可形成多种错合物,例如:二茂铁、草酸铁离子及普鲁士蓝,具有大量的工业、医学及研究应用。平滑的纯铁表面为如镜般的银灰色。但铁容易与氧和水反应,产生棕色或黑色的水合铁离子,就是俗称的铁锈。不同于其他金属会产生钝化层的氧化物,铁锈拥有的体积大于原本的金属,因而容易剥落,露出新的表面继续锈蚀。

    物理性质

    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。

    同素异形体

     
    α-铁在室温下的摩尔体积与压力的关系

    铁有四种已知的同素异形体,通常表示为α、γ、δ和 ε。

     
    在低压下,铁的相图

    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,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。(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。)[10]

    科学家通常假定地球内核由ε(或β)结构的铁镍合金组成。

    熔点和沸点

    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。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。

    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。

    化学性质

    具有金属单质的通性,能与非金属单质、酸、盐等反应。

    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),铁在浓硫酸和浓硝酸中钝化。

    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,而和硫反应(加热)只能得到硫化亚铁:

    铁和Fe3+反应得到Fe2+

    化合物

    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、氧化铁和四氧化三铁。

    氧化态 代表性化合物
    −2 四羰基铁酸二钠(Collman试剂)
    −1 Fe2(CO)2−
    8
    0 五羰基铁
    1 二羰基环戊二烯基铁二聚物 ("Fp2")、[Fe(CN)5(NH3)]4-
    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

    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。

    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,是铁和镍、钴等金属的混合物,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

    铁,化学符号Fe的来源是拉丁文名称Ferrum。

    《说文解字》:“鐵,黑金也。从金,

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