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26Fe
-



外觀
金屬:淺灰色至銀白色


鐵的光譜線
概況
名稱·符號·序數 鐵(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

鐵的電子層(2, 8, 14, 2)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室溫
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

蒸汽壓

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(鮑林標度)
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

簡單立方晶格

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

主條目:鐵的同位素

同位素 豐度 半衰期 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

是一種化學元素,它的化學符號Fe,它的原子序數是26。它是過渡金屬的一種。鐵是最常用的金屬,也是地球上質量比例最高的金屬,是地球外核內核的主要成份,是地殼上豐度第四高的元素。鐵常出現在類地行星中,因為鐵是高質量恆星核融合後的產物,鎳-56是放熱核融合反應的最後一個產物,之後會衰變成最常見的鐵同位素。

鐵和其他8族元素相同,其氧化態範圍很廣,由−2到+6,但其中+2和+3是最常見的氧化態。在流星體及低氧的環境下,鐵會以元素態存在,但是鐵很容易和氧氣和水反應。鐵的表面是有光澤的銀灰色,但在空氣中鐵會反應生成水合的氧化鐵,一般稱為鐵鏽。許多金屬在氧化後會形成鈍化的氧化層,保護內部的金屬不被氧化,但氧化鐵的體積較鐵要大,因此氧化鐵會剝落,無法保護內部的鐵不受腐蝕。

性質[編輯]

物理性質[編輯]

鐵是有光澤的銀白色金屬,硬而有延展性,熔點為1538沸點為2750℃,有很強的鐵磁性,並有良好的可塑性和導熱性。晶體結構體心立方結構晶格常數a=2.87。日常生活中的鐵通常含有因而暴露在氧氣中容易在遇到的情況下發生電化學腐蝕,而純度較高的鐵則不易腐蝕[1]

化學性質[編輯]

氧化態 代表性化合物
−2 四羰基鐵酸二鈉(Collman試劑)
−1
0 五羰基鐵
1 二羰基環戊二烯基鐵二聚物英語Cyclopentadienyliron dicarbonyl dimer ("Fp2")
2 硫酸亞鐵二茂鐵
3 氯化鐵四氟硼酸二茂鐵
4 鐵酸鋇英語Barium ferrate(IV)
5
6 高鐵酸鉀

具有金屬單質的通性,能與非金屬單質、等反應。

鐵在氧氣中燃燒後生成四氧化三鐵

\rm 3Fe+2O_{2} \rightarrow Fe_{3}O_{4}

在高溫下,鐵可以與水蒸氣反應,生成四氧化三鐵和氫氣

\rm 3Fe + 4H_{2}O \rightarrow Fe_{3}O_{4} + 4H_{2}

鐵元素可以形成3種氧化物,分別是氧化亞鐵FeO),氧化鐵Fe2O3),和四氧化三鐵Fe3O4)(FeO·Fe2O3)。

鐵和非氧化性酸反應得到Fe2+(亞鐵離子,淺綠色),和氧化性酸反應得到Fe3+(鐵離子,黃色),鐵在濃硫酸濃硝酸中鈍化。

鐵加熱、加壓下可以和一氧化碳反應得到羰基化合物:

\rm Fe + 5CO \rightarrow Fe(CO)_5

鐵和氯氣反應(點燃)得到三氯化鐵,而和反應(加熱)只能得到硫化亞鐵:

\rm 2Fe+3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3 [2]
\rm Fe+S \rightarrow FeS


鐵和Fe3+反應得到Fe2+

\rm 2FeCl_3 + Fe \rightarrow 3FeCl_2 [3]

發現[編輯]

鐵是古代就已知的金屬之一。鐵礦石是地殼主要組成成分之一,鐵在自然界中分布極為廣泛,但人類發現和利用鐵卻比黃金要遲。首先是由於天然的單質狀態的鐵在地球上非常稀少,而且它容易氧化生鏽,加上它的熔點(1812K)又比銅(1356K)高得多,就使得它比銅難於熔煉。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光輝里程碑,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。

名稱由來[編輯]

鐵,化學符號Fe的來源是拉丁文名稱Ferrum。

分布[編輯]

鐵是宇宙中第六豐富的元素,也是最常見的耐火元素。[4]它是因為大質量恆星的矽燃燒過程恆星核合成的最後放熱階段形成的。

鐵是地球上分布最廣的金屬之一。約佔地殼質量的5.1%,居元素分布序列中的第四位,僅次於

在自然界,游離態的鐵只能從隕石中找到,分布在地殼中的 鐵都以化合物的狀態存在。鐵的主要礦石有:赤鐵礦Fe2O3,含鐵量在50%~60%之間;磁鐵礦Fe3O4,含鐵量60%以上,有亞鐵磁性,此外還有褐鐵礦Fe2O3·nH2O、菱鐵礦FeCO3黃鐵礦FeS2,它們的含鐵量低一些,但比較容易冶煉。中國的鐵礦資源非常豐富,著名的產地有湖北大冶遼寧鞍山等。

製備[編輯]

單質鐵的製備一般採用冶煉法。以赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)為原料,與焦炭和助溶劑在熔礦爐內反應,焦炭燃燒產生二氧化碳(CO2),二氧化碳與過量的焦炭接觸就生成一氧化碳(CO),一氧化碳和礦石內的氧化鐵作用就生成金屬鐵。

\rm C + O_{2} \rightarrow CO_{2}
\rm CO_{2} + C \rightarrow 2CO
\rm Fe_{3}O_{4} + 4CO \rightarrow 3Fe + 4CO_{2}
\rm Fe_{2}O_{3} + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_{2}
\rm FeO + CO \rightarrow Fe + CO_{2}

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。

化學純的鐵是用氣還原純氧化鐵來製取,也可由五羰基鐵來製取,通過其熱分解來得到純鐵。

鐵也可以通過鋁熱反應得到:

\rm Fe_{2}O_{3}+2Al \rightarrow 2Fe+Al_{2}O_{3}[5]

用途[編輯]

在日常生活裡,鐵可以算是最有用、最廉價、最豐富、最重要的金屬。工農業生產中,鐵是最重要的基本結構材料,鐵合金用途廣泛,例如就是鐵和碳及其他金屬的合金;國防和戰爭更是鋼鐵的較量,鋼鐵的年產量代表一個國家的現代化水準。

對於人體,鐵是不可缺少的微量元素[6]。在十多種人體必需的微量元素中,鐵無論在重要性上還是在數量上,都居於首位。

一個正常的成年人全身含有3多鐵,相當於一顆小鐵釘的質量。人體血液中的血紅蛋白就是鐵的配合物,它具有固定氧和輸送氧的功能。人體缺鐵會引起貧血症。只要不偏食,不大出血,成年人一般不會缺鐵。但由於女的會來月經等會造成血液流失,導致女的鐵質流失,所以女人食品中很多都還有豐富的鐵質。

所謂煤氣中毒(一氧化碳中毒),也是由於血紅素中鐵離子(II)上原本氧氣的連接位被一氧化碳佔據,喪失了吸收氧分子的能力,使人窒息中毒而死亡[7]

鐵還是植物製造葉綠素不可缺少的催化劑。如果一盆花缺少鐵,花就會失去顏色和芳香,葉子也發黃枯萎。[來源請求]一般土壤中也含有不少鐵的化合物。

世界10大鐵礦產國[編輯]

年產量(千公噸)

國名 1977年 1982年 1987年 1992年
中國 62992.1 107320.0 161430.0 194000.0
巴西 84645.7 90243.1 134105.0 114600.0
澳洲 93090.6 84949.8 101748.0 117170.0
俄羅斯 230262.8 236762.8 250748.0 82500.0
烏克蘭 - - - 75700.0
美國 54872.0 34875.0 47648.0 55593.0
印度 40983.3 39622.0 51018.0 54000.0
加拿大 54548.2 34478.3 37702.0 34136.0
南非 25652.6 23785.4 22008.0 28226.0
委內瑞拉 13949.8 10849.4 17782.0 22000.0
十國小計 660997.0 662885.9 824315.0 809325.0
全球總計 830708.7 819234.0 949440.0 929754.0

世界10大鐵消費國之消費量[編輯]

單位:千公噸

國家 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[編輯]

  1. ^ 超高純度鉄(日文):http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20060317/115050/
  2. ^ 《化學 必修1》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第四章 非金屬及其化合物.2 富集在海水中的元素——氯.P83.ISBN:978-7-107-17648-7
  3. ^ 《化學 必修1》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第三章 金屬及其化合物.2 幾種重要的金屬化合物.三、鐵的重要化合物.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. arXiv:1005.3489. Bibcode:2010ApJ...717L..92M. doi:10.1088/2041-8205/717/2/L92. 
  5. ^ 《化學 必修2》.人民教育出版社.2007年3月第3版.第四章 化學與自然資源的開發利用.1 開發利用金屬礦物和海水資源.一、金屬礦物的開發利用.P89.ISBN:978-7-107-17649-4
  6. ^ 徐素萍. 微量元素鐵與人體健康的關係. 國家食物與營養諮詢委員會. 2008-09-25 [2013-08-01]. 
  7. ^ 一氧化碳中毒. [2013-08-01].