铁

铁矿(褐铁矿)

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，而且它容易氧化生锈，加上它的熔点（1812K）又比铜（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，是铁和镍、钴等金属的混合物，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

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，仅次于氧、硅和铝。

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]

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氢的前面。

铁矿 锡石 锑华

常温时，铁在干燥的空气里不易与氧、硫、氯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（NO₃）₂+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]

元素符号Fe来自于拉丁文“Ferrum”（铁）。 

在地壳中含量第四（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]

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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。

摄取量

人体每日适宜的摄取量：

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。

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。