鐵

Disambig gray.svg 此條目的主題是化學元素「鐵」。關於人體必需的營養素，請見「鐵質」。
Disambig gray.svg  「Fe」重新導向至此。關於其他用法，請見「FE」。
鐵   26Fe
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
-
↑
鐵
↓
釕
錳 ← 鐵 → 鈷
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
族·週期·區 8 ·4·d
標準原子質量 55.845（2）
電子排布 [氬] 3d6 4s2
2, 8, 14, 2
鐵的電子層（2, 8, 14, 2）
歷史
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 1812 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
蒸氣壓
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 −4, −2, −1, 0, +1[1], +2, +3, +4, +5[2], +6, +7[3]
（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 體心立方
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 (t1/2) 衰變
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

鐵（拼音：tiě，注音：ㄊ丨ㄝˇ，粵拼：tit3；英語：Iron），是一種化學元素，其化學符號為Fe（源於拉丁語：ferrum），原子序數為26，原子量為55.845 u，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以上的窯或火爐，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導入這一製程，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銅器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。由於其機械性能和低成本，鐵合金（如鋼、不銹鋼和合金鋼）是到目前為止仍是最常見的工業金屬。

一個成年人的身體含有約4公克（0.005％的體重）的鐵，主要分布在血红素和肌紅蛋白。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。[4]

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（-2到+7）。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。平滑的純鐵表面為如鏡般的銀灰色。但鐵容易與氧和水反應，產生棕色或黑色的水合鐵離子，就是俗稱的鐵鏽。不同於其他金屬會產生鈍化層的氧化物，鐵鏽擁有的體積大於原本的金屬，因而容易剝落，露出新的表面繼續鏽蝕。

物理性質

鐵是有光澤的銀白色金屬，硬而有延展性，熔點為1539℃，沸點為2750℃，有很強的鐵磁性，並有良好的可塑性和導熱性。晶體結構為體心立方結構，晶格常數a=2.87埃。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，而純度較高的鐵則不易腐蝕[5]。

同素異形體

主條目：鐵的同素異形體
α-鐵在室溫下的摩爾體積與壓力的關係

鐵有四種已知的同素異形體，通常表示為α、γ、δ和 ε。

在低壓下，鐵的相圖

前三種可以在常壓下存在。當液態的鐵冷卻到 1538 °C以下時，它會結晶成 δ-鐵，有著體心立方晶系 (bcc) 。繼續冷卻到 1394 °C時，它會變成γ-鐵（奧氏體），為面心立方晶系 (fcc) 。到了912 °C 以下，鐵又會變成體心立方晶系的 α-鐵。[6]

鐵在非常高的壓力和溫度下的物理特性也得到了廣泛的研究，[7][8] 因為它們與有關地球和其他行星的核心的理論相關。在約 10 GPa 和低溫下，α-鐵會轉變成六方最密堆積 (hcp) 結構，又稱為ε-鐵。高溫下的 γ-鐵也會變成 ε-鐵，不過需要更高的壓力。

在 50 GPa 以上的壓力和至少 1500 K 的溫度下，穩定的β相態存在一些有爭議的實驗證據。它應該具有正交晶系或雙 hcp 結構。[9] （令人困惑的是，「β-鐵」有時也用來指居里點以上，從鐵磁性變為順磁性的α-鐵，即使其晶體結構沒有改變。）[6]

科學家通常假定地球內核由ε（或β）結構的鐵鎳合金組成。[10]

熔點和沸點

鐵的熔點、沸點和摩爾原子化焓都低於早期的 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。[11]然而，它們高於前一個元素錳的值，因為該元素具有半填充的 3d子殼，因此其 d電子不容易離域。這個趨勢也出現在釕中，但沒出現在鋨中。[12]

鐵的熔點在低於 50GPa 的壓力下通過實驗很好地定義。對於更大的壓力，公布的數據（截至 2007 年）仍然存在數十吉帕斯卡和超過一千開爾文的差異。[13]

化學性質

具有金屬單質的通性，能與非金屬單質、酸、鹽等反應。

鐵在氧氣中燃燒後生成四氧化三鐵

在高溫下，鐵可以與水蒸汽反應，生成四氧化三鐵和氫氣。

鐵元素可以形成3種氧化物，分別是氧化亞鐵（FeO），氧化鐵（Fe
2O
3），和四氧化三鐵（Fe
3O
4）（FeO·Fe
2O
3）。

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），鐵在濃硫酸和濃硝酸中鈍化。

鐵加熱、加壓下可以和一氧化碳反應得到羰基化合物：

鐵和氯氣反應（點燃）得到三氯化鐵，而和硫反應（加熱）只能得到硫化亞鐵：

[14]

鐵和Fe3+反應得到Fe2+：

[15]

化合物

主條目：鐵化合物

鐵可以形成多種價態的化合物，其中以+2價和+3價的化合物最為典型。常溫下+3價的化合物較為穩定，高溫下+2價的化合物較為穩定。鐵有多種氧化物，如氧化亞鐵、氧化鐵和四氧化三鐵。

氧化態 代表性化合物
−2 四羰基鐵酸二鈉（Collman試劑）
−1 Fe
2(CO)2−
8
0 五羰基鐵
1 二羰基環戊二烯基鐵二聚物 ("Fp2")、[Fe(CN)5(NH3)]4-
2 硫酸亞鐵、二茂鐵
3 氯化鐵、四氟硼酸二茂鐵
4 Fe(diars)
2Cl2+
2
5 FeO3−
4
6 高鐵酸鉀

發現

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（1812K）又比銅（1356K）高得多，使得鐵比銅難於熔煉。

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。

名稱由來

鐵，化學符號Fe的來源是拉丁文名稱Ferrum。

《說文解字》：「鐵，黑金也。从金，𢧤聲。銕，古文鐵，从夷。」

分布

鐵是宇宙中第六豐富的元素，也是最常見的耐火元素。[16]它是因為大質量恆星的矽燃燒過程在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。約占地殼質量的5.1%，居元素分布序列中的第四位，僅次於氧、矽和鋁。

在自然界，游離態的鐵只能從隕石中找到，而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)和黃鐵礦(FeS2)，它們的含鐵量低一些，但比較容易冶煉。

製備

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。

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。

化學純的鐵是用氫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：

[17]

用途

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，例如鋼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，被稱作工業之母。

對於人體，鐵是不可缺少的微量元素[18]。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克多鐵，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。但由於女生會來月經等而造成血液流失，導致女性的鐵質流失，所以女性宜食的食品中很多都含有豐富的鐵質。（但是體內鐵濃度過高會導致鐵過載）

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占據，喪失了吸收氧分子的能力，使人窒息中毒而死亡[19]。

鐵還是植物合成葉綠素所必需的元素，缺鐵會導致葉綠素合成受到抑制，使植物新長出的葉子變黃。[20]一般土壤中也含有不少鐵的化合物。

國家/地區 2016年
中國 808.4
日本 104.8
印度 95.6
美國 78.5
俄羅斯 70.8
韓國 68.6
德國 42.1
土耳其 33.2
巴西 31.3
烏克蘭 24.2

世界10大鐵消費國之消費量

單位：千公噸

國家/地區 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

參考文獻

  1. ^ Ram, R. S.; Bernath, P. F. Fourier transform emission spectroscopy of the g4Δ–a4Δ system of FeCl. Journal of Molecular Spectroscopy. 2003, 221 (2): 261. Bibcode:2003JMoSp.221..261R. doi:10.1016/S0022-2852(03)00225-X. 
  2. ^ Demazeau, G.; Buffat, B.; Pouchard, M.; Hagenmuller, P. Recent developments in the field of high oxidation states of transition elements in oxides stabilization of six-coordinated Iron(V). Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1982, 491: 60–66. doi:10.1002/zaac.19824910109. 
  3. ^ Lu, J.; Jian, J.; Huang, W.; Lin, H.; Li, J; Zhou, M. Experimental and theoretical identification of the Fe(VII) oxidation state in FeO4−. Physical Chemistry Chemical Physics. 2016, 18 (45): 31125–31131. Bibcode:2016PCCP...1831125L. PMID 27812577. doi:10.1039/C6CP06753K. 
  4. ^ Iron. Micronutrient Information Center, Linus Pauling Institute, Oregon State University, Corvallis, Oregon. April 2016 [6 March 2018]. 
  5. ^ 超高純度鐵（日文）：http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20060317/115050/
  6. ^ 6.0 6.1 引用錯誤：沒有為名為Greenwood1075的參考文獻提供內容
  7. ^ Hirose, K., Tateno, S. The Structure of Iron in Earth's Inner Core. Science (American Association for the Advancement of Science). 2010, 330 (6002): 359–361. Bibcode:2010Sci...330..359T. PMID 20947762. S2CID 206528628. doi:10.1126/science.1194662. 
  8. ^ Chamati, Gaminchev. Dynamic stability of Fe under high pressure. Journal of Physics (IOP Publishing). 2014, 558 (1): 012013. Bibcode:2014JPhCS.558a2013G. doi:10.1088/1742-6596/558/1/012013 可免費查閱. 
  9. ^ Boehler, Reinhard. High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle and core materials. Reviews of Geophysics (American Geophysical Union). 2000, 38 (2): 221–45. Bibcode:2000RvGeo..38..221B. S2CID 33458168. doi:10.1029/1998RG000053. 
  10. ^ Stixrude, Lars; Wasserman, Evgeny; Cohen, Ronald E. Composition and temperature of Earth's inner core. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 1997-11-10, 102 (B11): 24729–39. Bibcode:1997JGR...10224729S. doi:10.1029/97JB02125 可免費查閱. 
  11. ^ Greenwood and Earnshaw, p. 1116
  12. ^ 引用錯誤：沒有為名為Greenwood1074的參考文獻提供內容
  13. ^ Boehler, Reinhard; Ross, M. Properties of Rocks and Minerals_High-Pressure Melting. Mineral Physics. Treatise on Geophysics 2. Elsevier. 2007: 527–41. ISBN 9780444527486. doi:10.1016/B978-044452748-6.00047-X. 
  14. ^ 《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
  15. ^ 《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
  16. ^ 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. Bibcode:2010ApJ...717L..92M. arXiv:1005.3489 可免費查閱. doi:10.1088/2041-8205/717/2/L92. 
  17. ^ 《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
  18. ^ 徐素萍. 微量元素铁与人体健康的关系. 國家食物與營養諮詢委員會. 2008-09-25 [2013-08-01]. （原始內容存檔於2014-09-20）. 
  19. ^ 一氧化碳中毒. [2013-08-01]. 
  20. ^ 黃勇等. 蓬勃发展的现代农业. 延邊大學出版社. [2017-10-13]. 

外部連結

延伸閱讀

《欽定古今圖書集成·經濟彙編·食貨典·鐵部》，出自蔣廷錫《古今圖書集成》

參見