铁

铁是一种化学元素,它的化学符号是Fe,它的原子序数是26,是最常用的金属。它是过渡金属的一种,也是地壳含量第二高的金属元素。中国是发现和掌握炼铁技术最早的国家。人体中也含有铁。

编辑摘要
中文名: 符号: Fe
序号: 26 CAS号: 7439-89-6
族: 8 周期: 4
元素分区: d 原子质量: 55.845(2) g·mol−1
外观: 浅灰色至银白色固体 熔点: 1811 K, 1538 °C, 2800 °F℃
沸点: 3134 K, 2862 °C, 5182 °F℃

目录

[ 隐藏 ]
1 发现
2 分布
3 物理性质
4 化学性质
  1. 4.1 元素属性
  2. 4.2 活性
  3. 4.3 化合价
  4. 4.4 化合物
  5. 4.5 氧化态
5 存在及制取
6 用途
7  还原氧化铁法制铁
8 营养学
  1. 8.1 营养学认识
  2. 8.2 人体内铁的分布
  3. 8.3 吸收代谢
  4. 8.4 摄取量
  5. 8.5 生理功能
  6. 8.6 缺铁表现
  7. 8.7 缺铁性贫血

铁 - 发现

铁铁矿(褐铁矿)

铁是古代就已知的金属之一。铁矿石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,而且它容易氧化生锈,加上它的熔点(1812K)又比(1356K)高得多,就使得它比铜难于熔炼。

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,是铁和等金属的混合物,在融化铁矿石的方法尚未问世,人类不可能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。

中国是发现和掌握炼铁技术最早的国家。1973年在中国河北省出土了一件商代铁刃青铜钺,表明中国人早在3300多年以前就认识了铁,熟悉了铁的锻造性能,识别了铁与青铜在性质上的差别,把铁铸在铜兵器的刃部,加强铜的坚韧性。经科学鉴定,证明铁刃是用陨铁锻成的。

铁原子电子模型铁原子电子模型

随着青铜熔炼技术的成熟,逐渐为铁的冶炼技术的发展创造了条件。中国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交的时期出现的。这从江苏六合县春秋墓出土的铁条、铁丸,和河南洛阳战国早期灰坑出土的铁锛均能确定是到21世纪初为止中国最早的生铁工具。生铁冶炼技术的出现,对封建社会的作用与蒸汽机对资本主义社会的作用可以媲美。铁的发现和大规模使用,是人类发展史上的一个光辉里程碑,它把人类从石器时代、铜器时代带到了铁器时代,推动了人类文明的发展。现代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。[1]

铁 - 分布

铁原子示意图铁原子示意图

铁是地球上分布最广的金属之一。约占地壳质量的5.1%,居元素分布序列中的第四位,仅次于和铝。

在自然界,游离态的铁只能从陨石中找到,分布在地壳中的 铁都以化合物的状态存在。铁的主要矿石有:赤铁矿Fe2O3,含铁量在50%~60%之间;磁铁矿Fe3O4,含铁量60%以上,有亚铁磁性,此外还有褐铁矿Fe2O3·nH2O、菱铁矿FeCo3和黄铁矿FeS2,它们的含铁量低一些,但比较容易冶炼。中国的铁矿资源非常丰富,著名的产地有湖北大冶、 辽宁鞍山等。

铁 - 物理性质

铁铁矿

同素异形体:铁有多种同素异形体,如铁、铁、铁、铁等。

电子层分布:2-8-14-2 。

晶胞:为体心立方,每个晶胞含有2个金属原子。晶胞参数:a = 286.65 pm  b = 286.65 pm  c = 286.65 pm   α = 90°   β = 90°  γ = 90° 。

外观:铁是有光泽的银白色金属,硬而有延展性。

熔点:1535℃

沸点:3000℃。

物理性能:有很强的铁磁性,并有良好的可塑性和导热性。声音在其中的传播速率:512 m/s。[2]

铁 - 化学性质

元素属性

铁的元素符号为Fe,原子序数26,相对原子质量55.847。

活性

铁是比较活泼的金属,在金属活动顺序表里排在的前面。

铁铁矿 锡石 锑华

常温时,铁在干燥的空气里不易与氧、等非金属单质起反应,在高温时,则剧烈反应。铁在氧气中燃烧,生成Fe3O4,赤热的铁和水蒸气起反应也生成Fe3O4。铁易溶于稀的无机酸和浓盐酸中,生成二价铁盐,并放出氢气。在常温下遇浓硫酸或浓硝酸时,表面生成一层氧化物保护膜,使铁“钝化”,故可用铁制品盛装浓硫酸或浓硝酸

化合价

铁是一变价元素,常见价态为+2和+3。铁与硫、硫酸铜溶液、盐酸、稀硫酸等反应时失去两个电子,成为+2价。与Cl2、Br2、硝酸及热浓硫酸反应,则被氧化成Fe3+ 。铁与氧气或水蒸气反应生成的Fe3O4,可以看成是FeO·Fe2O3,其中有1/3的Fe为+2价,另2/3为+3价。铁的+3价化合物较为稳定。

化合物

主要有两大类:亚铁Fe(Ⅱ)和正铁Fe(Ⅲ)化合物,亚铁化合物有氧化亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、氢氧化亚铁等;正铁化合物有三氧化二铁、三氯化铁、硫酸铁、氢氧化铁等。如在亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]·3H2O和铁氰化钾K3[Fe(CN)6]中。铁与环戊二烯的化合物二茂铁,是一种具有夹心结构的金属有机化合物。

氧化态

铁在空气中氧化生锈铁在空气中氧化生锈

铁的电子构型为(Ar)3d64s2,氧化态有0、+2、+3、+4、+5、+6。铁的最重要的氧化态是+2和+3。二价铁离子呈淡绿色,在碱性溶液中易被氧化成三价铁离子。三价铁离子的颜色随水解程度的增大而由黄色经橙色变到棕色。二价和三价铁均易与无机或有机配位体形成稳定的配位化合物,如Phen为菲罗林,配位数通常为6。零价铁还可与一氧化碳形成各种羰基铁,如Fe(CO)5、Fe2(CO)9、Fe3(CO)12。羰基铁有挥发性,蒸气剧毒。铁也有+4、+5、+6价态的化合物,但在水溶液中只有+6价的。 

铁为强还原剂,在室温条件下可缓慢地从水中置换出氢,在500℃以上反应速率增高: 3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

铁在干燥空气中很难与氧发生作用,但在潮湿空气中很易腐蚀,若含有酸性气或卤素蒸气时,腐蚀更快。铁可从溶液中还原金、铂、银、汞、铋、锡、镍或铜等离子,如:CuSO4+Fe→FeSO4+Cu

铁溶于非氧化性的酸如盐酸和稀硫酸中,形成二价铁离子并放出氢气;在冷的稀硝酸中则形成二价铁离子和硝酸铵:

Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑  4Fe+10HNO3 →4Fe(NO32+NH4NO3+3H2O

铁溶于热的或较浓的硝酸中,生成硝酸铁并释放出氮的氧化物。在浓硝酸或冷的浓硫酸中,铁的表面形成一层氧化薄膜而被钝化。铁与氯在加热时反应剧烈。铁也能与硫、磷、硅、碳直接化合。铁与氮不能直接化合,但与氨作用,形成氮化铁Fe2N。[3]

铁 - 存在及制取

元素符号Fe来自于拉丁文“Ferrum”(铁)。 

地壳中含量第四(5.63%),在宇宙中含量第九。铁是地球上分布最广的金属之一,约占地壳质量的5.1%,居元素分布序列中的第四位,仅次于氧、硅和铝。

取自铁矿。把石灰石、焦炭和铁矿石分层投入高炉,自底部鼓入高温空气,使得焦炭炽热燃烧生成CO气体,于是铁被CO从氧化物中还原出来,熔化成铁液从炉底流出。 

铁 - 用途

铁粉铁粉

工农业生产中,铁是最重要的基本结构材料,它的最大用途是用于炼钢;也大量用来制造铸铁和煅铁。铁合金用途广泛;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平。

铁和其化合物还用作磁铁、染料(墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料)和磨料(红铁粉)。还原铁粉大量用于冶金。 

对于人体,铁是不可缺少的微量元素。在十多种人体必需的微量元素中铁无论在重要性上还是在数量上,都属于首位。一个正常的成年人全身含有3g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。 所谓煤气中毒(一氧化碳中毒),也是由于血红素中铁原子核心被一氧化碳气体分子紧紧地包围住,丧失了吸收氧分子的能力,使人窒息中毒而死亡。

铁还是植物制造叶绿素不可缺少的催化剂。如果一盆花缺少铁,花就会失去艳丽的颜色,失去沁人肺腑的芳香,叶子也发黄枯萎。一般土壤中也含有不少铁的化合物。

铁是土壤中的一个重要组分,其在土壤中的比例从小于1%至大于20%不等,平均是3.2% . 铁主要以铁氧化物的形式存在,其中既有二价又有三价铁, 大多数铁氧化物在土壤颗粒中以不同程度的微结晶形式存在。[4]

[4]

铁 -  还原氧化铁法制铁

  目的:

  认识把铁矿石炼成铁的主要反应原理。

  用品:

  贮气瓶、分液漏斗、硬质玻璃管、试管、玻璃导管、橡皮管、弹簧夹、双孔塞、单孔塞、尖嘴管、酒精灯。氧化铁、一氧化碳、清石灰水。

  原理:

  在高温下,用还原剂(主要是一氧化碳)可从铁矿石里把铁还原出来。

  Fe2O3+3CO2Fe+3CO2↑

  操作:

  先用蚁酸和浓硫酸反应制取一氧化碳,贮存在贮气瓶里备用。

  取长约25厘米、内径约3厘米的硬质玻璃管一根,在中部铺上一薄层干燥的红褐色氧化铁粉末。

  实验时,先把硬质玻璃管中的氧化铁加热,然后放松橡皮导管上的弹簧夹,旋开贮气瓶上分液漏斗的活塞,让水缓缓流下,使一氧化碳气体均匀而缓慢地排入硬质玻璃管里,跟灼热的氧化铁发生反应。这时在盛有清石灰水的试管里可以看到有气泡冒出,溶液逐渐变成浑浊,这是反应后逸出的二氧化碳所致。但是逸出的气体中的有部分未发生反应的一氧化碳,这是一种剧毒的气体,所以在实验一开始就要时时用火点燃尖嘴管口逸出的气体,使一氧化碳燃烧成二氧化碳。

  当硬质玻璃管里的氧化铁已变成黑色时,关上分液漏斗的活塞,夹紧导气管上的弹簧夹,停止排出一氧化碳。但在硬质玻璃管外仍须继续加热,直到试管里不再有气泡冒出为止。把整套装置移到通风橱里拆卸,取出反应后所得的铁屑。

  为了证明氧化铁已被还原成铁,可以比较反应物氧化铁和生成物铁屑的颜色,前者是红褐色的,后者是黑色的。也可以在两支盛稀盐酸的试管里,分别加入氧化铁和生成物铁屑,氧化铁跟稀盐酸反应不发生气体,铁屑跟稀盐酸反应有氢气产生。但不要用磁铁来鉴别,因为天然的氧化铁也有顺磁性。

铁 - 营养学

营养学认识

缺铁性贫血是世界卫生组织确认的四大营养缺乏症之一。18世纪,Menghini用磁铁吸附在干燥血中的颗粒,注意到了血液中含有铁。1892年,Bunge注意到婴幼儿容易缺乏铁。1928年,Mackay最早证明铁缺乏是伦敦东区婴幼儿贫血盛行的原因。1932年,Castle及其同事确证无机铁可用于血红蛋白合成。

人体内铁的分布

铁是人体含量的必需微量元素,人体内铁的总量越4—5克,是血红蛋白的重要部分,人全身都需要它,这种矿物质而已存在于向肌肉供给氧气的红细胞中,还是需多酶和免疫系统化合物的成分,人体从食物中摄取所需的大部分铁,并小心控制着铁含量。

吸收代谢

成人体内铁的总量约为4-5g,其中72%以血红蛋白、3%以肌红蛋白、0.2%以其他化合物形式存在;其余则为储备铁,以铁蛋白的形式储存于肝脏脾脏骨髓的网状内皮系统中,约占总铁量的25%。食物中的铁主要以Fe(OH3)络合物的形式存在,在胃酸作用下,还原成亚铁离子,再与肠内容物中的维生素C、某些糖及氨基酸形成络合物,在十二指肠及空肠吸收。铁在体内代谢中可反复被身体利用。一般情况下,除肠道分泌和皮肤、消化道及尿道上皮脱落可损失一定数量外,几乎不存在其它途径损失。  膳食中存在的磷酸盐碳酸盐植酸草酸鞣酸等可与非血红素铁形成不溶性的铁盐而阻止铁的吸收。胃酸分泌减少也影响铁的吸收。

摄取量

人体每日适宜的摄取量:

 年龄每日摄入量 孕妇 
 0—0.5岁 0.3mg 早期 15mg
 0.5岁—1岁 10mg 中期 25mg
 1岁—4岁 12mg 后期 35mg
 4岁—7岁 12mg 乳期 25mg
 7岁—11岁 12mg  
 11岁—14岁 男 16mg 女 18mg  
 14岁—18岁 男 20mg女 25mg  
 18岁—50岁 男 15mg女 20mg  
 50岁 15mg  

生理功能

1、铁是血红蛋白的重要部分,而血红蛋白功能是向细胞输送氧气,并将二氧化碳带出细胞。血红蛋白中4个血红素和4个球蛋白链接的结构提供一种有效机制,即能与氧结合而不被氧化,在从肺输送氧到组织的过程中起着关键作用。

2、肌红蛋白是由一个血红素和一个球蛋白链组成,仅存在于肌肉组织内,基本功能是在肌肉中转运和储存氧

3、细胞色素是一系列血红素的化合物,通过其在线粒体中的电子传导作用,对呼吸和能量代谢有非常重要的影响,如细胞a、b和c是通过氧化磷酸化作用产生能量所必需的。

4、其它含铁酶中铁可以是非血素铁,台参与能量代谢的NAP脱氢酶和琥珀脱氢酶,也有含血红素铁的对氧代谢副产物分子起反应的氢过氧化物酶,还有多氧酶(参与三羟酸循环),磷酸烯醇丙酮酸羟激酶(糖产生通路限速酶),核苷酸还原酶(DNA合成所需的酶)。

5、铁元素催化促进β-胡萝卜素转化为维生素A、嘌呤与胶原的合成,抗体的产生,脂类从血液中转运以及药物在肝脏的解毒等。铁与免疫的关系也比较密切,有研究表明,铁可以提高机体的免疫力,增加中性白细胞和吞噬细胞的吞噬功能,同时也可使机体的抗感染能力增强。

缺铁表现

1、贫血:严重时可增加儿童和母亲死亡率,使机体工作能力明显下降。

2、行为和智力方面:铁缺乏可引起心理活动和智力发育的损害及行为改变。铁缺乏(尚未出现贫血时的缺乏)还可损害儿童的认知能力,而且在以后补充铁后也难以恢复。动物试验表明,短时期缺乏可使幼小动物脑中铁含量下降。以后补充铁可纠正身体内铁储存,但对脑中铁没有作用。长期铁缺乏会明显影响身体耐力。

3、体温调节方面,缺铁性贫血的另一特点是在寒冷环境中保持体温的能力受损。

4、铅中毒方面,动物和人体实验证明缺铁会增加铅的吸收。

5、研究表明妊娠早期贫血为早产、低出生体重儿及胎儿死亡有关。

6、其他方面:Finch等进行动物实验表明,铁缺乏对动物跑的能力的损害与血红蛋白的水平无关,而是因为铁缺乏肌肉中氧化代谢受损所至。免疫力和抗感染能力方面,人及动物实验皆记实缺铁的一项特点是抗感染能力降低。[5]

缺铁性贫血

缺铁性贫血是小儿常见的营养缺乏病,多发于6个月至3岁的婴幼儿。婴幼儿期是小儿生长发育最快最旺盛的时期,血容量增加很快,铁质需要量相对较多。出生后6个月内的婴儿若有足量的母乳喂养,一般不会发生缺铁性贫血。若母乳量不足,以牛奶喂养为主,由于牛奶中铁的含量比母乳低,小儿对牛奶中的铁的吸收也比母乳差,所以易发生缺铁性贫血,早产儿更易患此病。此外,婴儿通过排粪和出汗损失的铁也比成人多,此时如果不注意添加含铁的辅助食品,就会罹患缺铁性贫血。
近年来发现,如果每日用超过1000毫升的未经煮沸的鲜牛奶喂养小儿,可发生慢性肠道失血而致病。另外,钩虫病、溃疡病、鼻衄、血小板减少性紫癜、长期腹泻、呕吐、肠炎、脂肪痢等,均影响营养素的吸收,引发缺铁性贫血。小儿缺铁性贫血的临床表现主要为烦躁不安,精神差,不爱活动,疲乏无力,食欲减退,口唇、眼结膜、指甲床和手掌苍白。血象检查可见血红蛋白和红细胞均低于正常值,做血清铁蛋白、血清铁等生化检验即可确诊。
从临床调查看,患有缺铁性贫血的儿童,只要注意诊断,配合食疗,就会很快恢复健康。 


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化学元素,指自然界中一百多种基本的金属和非金属物质,它们只由一种原子组成,其原子中的每一核子具有同样数量的质子,用一般的化学方法不能使之分解,并且能构成一切物质。

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参考资料:
[1] ^ 引用日期:2012-05-09
[2] ^ 引用日期:2012-05-09
[3] ^ 引用日期:2012-05-09
[4] ^ 引用日期:2012-05-09
[5] ^ 引用日期:2012-05-09
扩展阅读:
1还原氧化铁法制铁

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