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2019-08-24 02:08 来源:搜狐

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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。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。1973年在中国河北省出土了一件商代铁刃青铜钺,表明中国劳动人民早在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。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。人体中也含有铁。另外,铁还常被用做姓氏等。

中文名
英文名
Iron
别称
还原铁
化学式
Fe
分子量
55.845
CA
登录号:7439-89-6
熔点
1538°C
沸点
2862°C
水溶性
不溶于水
密度
7.86g/cm3
外观
常态是银白色固体或灰黑色粉末危险性描述低
原子半径
126pm
莫氏硬度
4
电阻率
0.97×10-7Ω*m(20℃)
原子序数
26
是否受管制

1元素简介

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铁是一种化学元素,是最常用的金属。它是过渡金属的一种。铁活泼,为强还原剂,化合价有0+2+3+6,最重要的价态是+2+3在室温下,铁可缓慢地从水中置换出氢,在500℃以上反应速度增大,铁在干燥空气中很难跟氧气反应,但在潮湿空气中很容易腐蚀,若在酸性气体或卤素蒸气氛围中腐蚀更快。铁可以从溶液中还原金、、银、、铜或锡等离子。

2元素发现

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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。

铁

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,表明中国劳动人民早在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。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迄今为止的我国最早的生铁工具。生铁冶炼技术的出现,它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。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。

3元素形成

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相对原子质量55.847。铁有多种同素异形体。铁是比较活泼的金属,在金属活动顺序表里排在氢的前面。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(磁性氧化物),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。铁是一变价元素,常见价态为+2+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Cl2Br2、硝酸及热浓硫酸反应,则被氧化成Fe3+。铁有三种氧化物,分别为FeO(氧化亚铁)Fe3O4Fe2O3(氧化铁)。铁与氧气或水蒸气反应生成的Fe3O4,可以看成是FeO·Fe2O3,其中有1/3Fe+2价,另2/3+3价。铁的+3价化合物较为稳定。是一种光亮的银白色金属。密度7.86/厘米3。熔点1535℃,沸点2750℃。常见化合价+2+3,有好的延展性和导热性。也能导电。纯铁既能磁化,又可去磁,且均很迅速。电离能为7.870电子伏特。化学性质比较活泼,是一种良好的还原剂。若有杂质,在潮湿的空气中易锈蚀;在有酸气或卤素蒸气存在的湿空气中生锈更快。易溶于稀酸,加热时均能同卤素、硫、硅、碳、磷等化合。铁是工业部门不可缺少的一种金属。

4铁矿分布

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地壳主要组成成分之一。铁在自然界中分布极广,但是人类发现和利用铁却比黄金和铜要迟。这首先是由于天然单质状态的铁在地球上是找不到的,而且它容易氧化生锈,再加上它的熔点(1535)又比铜(1083)高得多,使它比铜难以熔炼。

人类最早发现铁是从天空落下的陨石,陨石含铁的百分比很高(铁陨石中含铁90.85%),是铁和镍、钴的混合物。考古学家曾经在古坟墓中,发现陨铁制成的小斧;在埃及第五王朝至第六王朝的金字塔所藏的宗教经文中,记述了当时太阳神等重要神像的宝座是用铁制成的。铁在当时被认为是带有神秘性的最珍贵的金属,埃及人干脆把铁叫做“天石”。在古希腊文中,“星”和“铁”是同一个词。

铁

1978年,在北京平谷县刘河村发掘一座商代墓葬,出土许多青铜器,最引人注目的是一件古代铁刃铜钺,经鉴定铁刃是由陨铁锻制的,这不仅表明人类最早发现的铁来自陨石,也说明我国劳动人民早在3300多年前就认识了铁并熟悉了铁的锻造性能,识别了铁和青铜在性质上的差别,并且把铁锻接到铜兵器上,加强铜的坚利性。

由于陨石来源极其稀少,从陨石中得来的铁对生产没有太大作用,随着青铜熔炼技术的成熟,才逐渐为铁的冶炼技术发展创造了条件。我国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交的时期出现的,距今大约2500年。我国炼钢技术发展也很早,1978年,湖南省博物馆长沙铁路车站建设工程文物发掘队从一座古墓出土一口钢剑,从古墓随葬陶器的器型,纹饰以及墓葬的形制断定是春秋晚期的墓葬。这口剑所用的钢经分析是含碳量0.5%左右的中碳钢,金相组织比较均匀,说明可能还进行过热处理。

古代劳动人民的炼铁技术也是杰出的,至今竖立在印度德立附近一座清真寺大门后的铁柱,是用相当钝的铁铸成的,当时如何生产这样的铁,现代人也认为是一个奇迹。由人分析了它的成分,含铁量大于99.72%,其余是碳0.08%,硅0.046%,硫0.006%,磷0.114%

开创现代炼钢新纪元的是一名叫贝塞麦的浇铸工人,他在1856811日宣布了他的可倾倒式转炉。随着工业发展,在生产建设和生活中出现大量废钢和废铁,这些废料在转炉中不能使用,于是出现了平炉炼钢,是由德国西门子兄弟以及法国马丁兄弟同时创建的,时间是在19世纪60年代初。

5相关性质

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物理性质

铁的相对原子质量约为56,基态原子电子排布式为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2[Ar]3d6 4s2

1. 纯铁具有银白色金属光泽;

2. 有良好的延展性、导电、导热性能;

3.有很强的铁磁性,属于磁性材料;

4. 密度为7.86/立方厘米;

5. 在一个标准大气压下熔点为1535 ℃,沸点为2750 ℃;

6. 比热容为460J/(kg·℃)

7.声音在铁中的传播速率:5120m/s

纯铁质地软,不过如果是铁与其他金属的合金或者是掺有杂质的铁,熔点降低,硬度将增大,具体要看杂质或者合金的性质了。

化学性质

铁是工业部门不可缺少的一种金属。铁与少量的碳制成合金——钢,磁化之后不易去磁,是优良的硬磁材料,同时也是重要的工业材料,并且也作为人造磁的主要原料。铁有多种同素异形体。

铁是比较活泼的金属,在金属活动顺序表里排在氢的前面,化学性质比较活泼,是一种良好的还原剂。

铁是一变价元素,0价只有还原性,+6价只有氧化性,+2+3价既有还原性又有氧化性。

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,若有杂质,在潮湿的空气中易锈蚀;在有酸气或卤素蒸气存在的湿空气中生锈更快。在高温时,则剧烈反应,如铁在氧气中燃烧,生成Fe3O4,赤热的铁和水蒸气起反应也生成Fe3O4。加热时均能同卤素、硫、硅、碳、磷等化合。除生成+2+3价氧化物外,还有复合氧化物Fe3O4(是磁性氧化物)生成。

铁易溶于稀的无机酸中,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”,故可用铁制品盛装冷的浓硫酸或冷的浓硝酸。在加热时,铁可以与浓硫酸或浓硝酸反应,生成+3价的铁盐,同时生成SO2NO2

化学反应

与酸反应

铁与非氧化性酸(盐酸)、稀硫酸、硫、硫酸铜溶液等反应时失去两个电子,成为+2价;与氧化性酸:浓硫酸、浓硝酸反应时要看过量与欠量。

Fe+2HCl===FeCl?+H?↑(置换反应)

2 Fe+6H?SO?(浓)=加热=Fe?SO??+3SO?+6H?O(氧化还原反应)

Fe+H?SO?(稀)===FeSO?+H?↑(置换反应)

Fe+6HNO?(浓)=加热=FeNO??+3NO?+3H?O HNO?过量(氧化还原反应)

Fe+4HNO?(浓)=加热=FeNO??+2NO?+2H?O Fe过量(氧化还原反应)

Fe+4HNO3(稀)=Fe(NO3)3+NO+2H2O HNO?过量(氧化还原反应)

3Fe+8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2+2NO+4H2O Fe过量(氧化还原反应)

与非金属反应

1、与氧气反应

3Fe+2O2=高温=Fe3O4

2、与卤素反应

Cl?Br?、则被氧化成Fe3+

铁与氯在加热时反应剧烈(2Fe+3Cl?===2FeCl?)(化合反应)

3、与水反应

铁与氧气或水蒸气反应生成的Fe?O?,可以看成是FeO·Fe?O?

3Fe+4H?O(g)==高温==Fe?O?+4H?(g是气体)

此反应可在两种情况下进行。

1.Fe和高温水蒸气反应,此时,生成氢气一般不带气体符号。

2.将灼热的铁迅速扔进冷水。这就是淬火。这时要加气体符号。

4 S反应

Fe+S==FeS

与盐反应

能把铜氧化成+2价。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:

2FeCl?+Cu===2FeCl?+CuCl?,常温下即可反应,用于刻蚀铜板。

CuSO?+Fe===FeSO?+Cu

Fe+2FeCl?===3FeCl2

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Fe?N

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。纯净的三价铁离子为淡紫色。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)?Fe?(CO)?Fe?(CO)??。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。

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(FeO)、氯化亚铁(FeCl?)、硫酸亚铁(FeSO?)、氢氧化亚铁{Fe(OH)?}等;正铁化合物有三氧化二铁(Fe?O?)、三氯化铁(FeCl?)、硫酸铁{Fe?(SO?)?}、氢氧化铁{Fe(OH)?}等。

如在亚铁氰化钾(俗名:黄血盐)和铁氰化钾(俗名:赤血盐)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。

6工业制取

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单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)为原料,与焦炭和助溶剂在熔矿炉内反应,焦炭燃烧产生二氧化碳(CO2),二氧化碳与过量的焦炭接触就生成一氧化碳(CO),一氧化碳和矿石内的氧化铁作用就生成金属铁。加入CaCo3在高温下生成CaO除去铁矿石中的SiO2,生成CaSiO3(炉渣)。

C+O?=点燃=CO?(提供热量和CO?)

CO?+C=高温=2CO

Fe?O?+3CO=高温=2Fe+3CO?

Fe?O?+4CO=高温=3Fe+4CO?

CaCO3=高温=CaO+CO2

SiO2+CaO=CaSiO?

7主要用途

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工农业生产中,铁是最重要的基本结构材料,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。

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,失去那沁人肺腑的芳香,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。

8关于铁

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营养学中的铁

一、人类对铁的认识

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。她还以为提供铁强化的奶粉可缓解贫血。1932年,Castle及其同事确证无机铁可用于血红蛋白合成。

二、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45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

三、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、脾脏和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。

四、人体每日适宜的摄取量年龄每日摄入量孕妇

铁

00.5 0.3mg 早期 15mg

0.5岁—1 10mg 中期 25mg

1岁—4 12mg 后期 35mg

4岁—7 12mg 乳期 25mg

7岁—11 12mg

11岁—14 16mg 18mg

14岁—18 20mg 25mg

18岁—50 15mg 20mg

50 15mg

五、铁的生理功能

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abc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。

六、缺乏症状与后果

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。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。

1、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。

2、铅中毒方面,动物和人体实验证明缺铁会增加铅的吸收。

3、有的妊娠后果,汗多浒病学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。

4、铁缺乏症症状包括皮肤苍白,舌部发痛,疲劳或无力,食欲不振以及恶心。

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参考资料

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[1].查字典:铁
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