鐵

鐵（Ferrum）是一種金屬元素，原子序數為26，位于周期表第四周期，第VIII族。

純鐵是銀白色有光澤的金屬，密度7.86g/cm3，熔點1539℃。鐵除了有導電性、導熱性、延展性外，還能被磁鐵吸引，具有鐵磁性。

鐵的重要化合物有三氧化二鐵、四氧化三鐵、氯化鐵及鐵的配合物等。自然界中主要礦物是赤鐵礦（主要是三氧化二鐵），磁鐵礦（主要是四氧化三鐵）和菱鐵礦（主要是碳酸亞鐵）等。工業上用鐵礦、焦炭和石灰石混合在高爐中冶煉而得，根據含碳量不同可分為生鐵、熟鐵和鋼。

研究簡史

古代社會鐵器時代大約起始于前2000年，但最早發現和使用的鐵是來自外空的隕鐵。隕鐵是鐵和鎳、鈷等金屬的混合物、含鐵量較高。在埃及、西南亞等地一些文明古國所發現的最早的鐵器，都是由隕鐵加工而成的。1972年中國河北省藁城縣臺西村出土了一把商代鐵刃青銅鉞，制造年代約在前14世紀。在青銅鉞上嵌的鐵刃，是將隕鐵經加熱鍛打后，和鉞體嵌鍛在一起的。中國還曾出土過類似的鐵刃銅鉞和鐵援銅戈各一件，年代相當于商末周初，鐵的部分也是由隕鐵加工成的。古埃及人把鐵叫做“天石”，可見人類最早認識鐵是從隕石開始的。天外來的隕石數量很少，因此用隕石制作的器具當然稀少而珍貴，同時還帶有神秘的色彩。用隕石作工具是很少的，所以對生產進步沒有什么明顯影響，但通過隕石的利用，畢竟使人類最早接觸并認識到鐵。

冶鐵技術發明于原始社會的末期。冶鐵技術的發明，代表冶金史的一個新階段的開始。居住在亞美尼亞山地的基茲溫達部落在前2000年時，就發明了一種煉鐵的有效方法，后來逐步傳開了。小亞細亞的赫梯人在前1400年左右也已掌握了冶鐵技術；兩河流域北部的亞述人，在前1300年已進入鐵器時代。鐵制工具的大量出現，社會生產力顯著提高，從而對社會的發展產生巨大影響。有些民族因此而迅速地由原始公社制過渡到奴隸社會。古希臘和古羅馬的奴隸社會的產生，就是由于鐵制工具的廣泛使用，促使生產力大大提高的結果。在古代中國、埃及等文明古國，則因有適合農業耕作的沖積平原，有便利的灌溉系統，所以在擁有青銅工具后，便已進入奴隸社會，而一旦鐵制工具逐步取代了青銅工具，生產力獲得飛速發展，生產關系進一步發生變化，社會便又前進一步向封建制度過渡。

冶鐵技術和青銅冶煉技術一樣，首先是由于社會生產發展的需要。青銅工具在生產中的作用誘使人們去尋找更多的金屬資源，但因銅礦分布不廣，錫、鉛礦更是稀少，人們很自然地要去尋找新的金屬。另外，在當時已具備了冶鐵的物質和技術條件，特別是許多民族已有冶煉青銅的經驗，發明冶鐵技術是很自然的。

早期的冶鐵技術，大多采用“固體還原法”，即冶鐵時，將鐵礦石和木炭一層夾一層地碼放在爐窯中，點火焙燒，在650—1000℃溫度下，利用碳的不完全燃燒，產生一氧化碳，使鐵礦中的氧化鐵被還原成鐵。但由于溫度不夠高，還原出來的鐵以塊狀沉到爐底，人們只能待鐵煉成爐窯冷卻后將鐵塊取出。這種鐵實際上是海綿鐵，表面粗糙，夾雜渣滓，不具有明顯金屬特征，有的其堅韌性還不如青銅。因此。中國古代人稱這種鐵為“惡金”。這就造成一種情況，盡管冶鐵技術的發明雖比青銅技術只稍晚一些，但在有發達的青銅冶煉業的民族那里，鐵器的廣泛使用卻常較使用青銅器推遲了很多年。

在人們經過一段實踐摸索的認識過程后，終于發現，將煉出的鐵塊反復加熱和壓延錘打，才能使鐵柔韌不脆。人們還發現將赤熱的鍛鐵猛淬入冷水，會變成堅韌的好鐵。這種好鐵的性能遠遠超越于青銅之上。當人們能廣泛用這種鍛鐵制造工具時，青銅工具才逐漸被鐵器取代。

理化性質

物理性質

鐵是一種銀白色頗軟的金屬，有良好的延展性，鐵的性質會因摻雜了痕量的其它元素而發生變化。鐵的磁性在極大程度上決定于所含的雜質，并且會因退火的程度而變。鐵的純度越高磁導率越大，且降低了鐵的滯后損失。以鐵和鈷為基體的鋼或合金用于制造永磁體，常用鐵與其它鐵磁性金屬鈷和鎳所制的合金，例如FeNi和FeNi?都有很高的磁導率。鐵一鈷一鎳系的永磁合金和鐵氧體磁性材料屬于第一代合成的永磁體。近20年來發展的第二代永磁合金是稀土鈷系合金，如SmCo5和Sm2Co17等，近10年來則發展了第三代永磁合金Nd一Fe一B系合金。近年又發展起來Sm一Fe一N系永磁合金，是以Sm2Fe17為基質進行滲氮而得到的一種綜合性能優越的永磁體，有可能成為第四代新型永磁合金。

化學性質

同單質的反應

鐵能在高溫下吸收氫生成固溶體。在溫度高于800℃時鐵能與少量氮反應，但反應速度很慢，在溫度超過400℃時很容易與氨氣反應，生成Fe?N。這是鋼鐵表面氮化生成硬保護膜層的反應原理。鐵容易和大多數非金屬在適當高溫下反應生成二元化合物。鐵與氧的反應決定于反應條件，新還原出來的微細鐵粉在空氣中室溫下就會自燃。塊狀鐵在溫度超過150℃時在干燥空氣中就開始氧化，在過量氧氣中生成的主要產物是Fe?O?和Fe?O?，高于575℃和低氧空氣中則主要氧化產物為FeO。鐵與硫或磷反應時放出大量熱，分別生成FeS和Fe?P。鹵素則可在較低溫度（-200℃）與鐵反應，氟、氯和溴與鐵反應生成Fe（Ⅲ）化合物FeX?，而碘則只生成Fe（Ⅰ）化合物FeI?。

同化合物的反應

以上電勢表明，單質鐵在酸性溶液中是一種還原劑，而在堿性溶液中則是一種更強的還原劑。依照鐵的電勢在電位序中的位置?？梢詮南∷崴芤褐兄脫Q出氫氣，能從銅（Ⅱ）鹽溶液中置換銅，本身則轉化成鐵（Ⅱ）鹽。當用普通鐵與稀硫酸或鹽酸反應時，放出的氫氣有一種極特別的氣味，這是由于氫氣中夾雜了鐵中雜質元素（如碳、硫、磷、砷等）的氫化物所致。氧化性酸，如硝酸、冷稀酸仍可與鐵生成鐵（Ⅱ）鹽，但熱濃酸只能生成鐵（Ⅲ）鹽。當鐵與濃硝酸短時間接觸后，便表現有抗御與硝酸進一步反應的作用，稱為表面鈍化，不再能溶于稀硝酸，也不再能從銅（Ⅱ）鹽溶液中置換銅，但它能溶于還原性酸，如稀鹽酸中。這種鈍化作用是由于在鐵表面上生成了一層氧化物保護膜。用其它氧化劑，如鉻（Ⅵ）酸也可以使鐵表面鈍化。

鐵在高于500℃時可以快速地同水蒸氣反應放出氫氣，溫度低于570℃時生成的氧化物是Fe3O4，而高于此溫度時生成的氧化物是FeO。二氧化碳也可以同樣地與鐵反應生成這兩種氧化物（決定于溫度條件），同時二氧化碳被還原成一氧化碳。鐵粉在100一200℃與200atm的一氧化碳反應生成揮發性的劇毒化合物五羰合鐵Fe（CO）5。

鐵的銹蝕是鐵與空氣和水發生作用生成水合氧化物的過程。這是一個特殊的腐蝕問題，因為有重大的經濟重要性而受到重視。鐵在室溫下的銹蝕現象與水、氧氣和一種電解質的存在是不可少的。二氧化碳對鐵的銹蝕影響不大，高濃度的二氧化碳氣氛其實對鐵還有表面保護作用。鐵完全浸泡在表面上有空氣的淡水或鹽水中會發生緩慢的銹蝕作用，但如果此鐵是部分浸沒的，在鐵一水交界面上的氧氣會迅速得到補充，便會發生快速的銹蝕。在空氣中，如果濕度達到50（水蒸氣分壓約為6mmHg），鐵件會開始發生銹蝕；如果濕度達到80%，則鐵件會發生嚴重的銹蝕。

此時溶液中的Fe2?和OH?在氧氣的作用下便生成了黃棕色的水合氧化鐵（Ⅲ）沉淀物鐵銹。

大氣銹蝕速度會因塵埃粒子和二氧化硫的存在而大大被加速。在濱海地區，空氣塵埃中含有鹽分，如果沒有其它促銹因素的話，銹蝕速度將隨距海的距離而變，距海越遠銹蝕速度越慢。在城區和工業區，空氣中的二氧化硫將是促銹的主要因素。在空氣和水的作用下，二氧化硫轉化成硫酸，硫酸將侵蝕鐵制器件。當鐵或鋼的表面上出現了硫酸鐵（Ⅱ）之后，在潮濕空氣中，即使不再有二氧化硫，銹蝕過程就繼續進行。防止鐵器銹蝕的方法之一是在表面涂刷阻銹劑，如氫氧化鈉、磷酸鈉或鉻酸鉀溶液。還有一種“磷酸鹽化處理”，是將鐵器浸置在磷酸錳（Ⅱ）或磷酸鋅（Ⅱ）溶液中，使鐵表面上生成一層磷酸鐵（Ⅱ）蓋層。還有一種防銹辦法是在鐵表面上遮鍍一層其它金屬，如鍍鋅鐵（白鐵）、鍍錫鐵（馬口鐵）等。涂刷紅鉛漆或油漆也是常用的防銹辦法。

制備方法

工業制備

純鐵可用氫還原純氧化鐵或氫氧化鐵來制備。例如將氫氧化鐵在純氫氣流中加熱，并將溫度從400℃升高至700℃直到還原過程完成。還原鐵冷卻后吸收的氫量可以忽略不計，在低溫（360一530℃）下還原氧化物所得純鐵是粉末狀固體，遇空氣會著火。

將五羰合鐵Fe（CO）5氣化并在250℃左右使之分解可得到不含任何雜質的微細粉末狀純鐵，將這種純鐵在高真空下煅燒可以除去殘留在鐵中的痕量碳和氧，以一氧化碳的形式被除去。

單質鐵的制備一般采用冶煉法。以赤鐵礦（Fe2O3）或磁鐵礦（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。加入CaCO3在高溫下生成CaO除去鐵礦石中的SiO2，生成CaSiO3（爐渣）。

工業制備步驟

步驟 方程式

造氣

（提供熱量）

（產生CO）

煉鐵

（赤鐵礦煉鐵）

（磁鐵礦煉鐵）

造渣

實驗室制備

實驗室通常用一氧化碳還原氧化鐵制備少量單質鐵。

應用領域

工業用途

鐵用于農藥、粉末冶金、熱氫發生器、凝膠推進劑、燃燒活性劑、催化劑、水清潔吸附劑、燒結活性劑、粉末冶金制品、各種機械零部件制品、硬質合金材料制品等。純鐵用于制發電機和電動機的鐵芯，還原鐵粉用于粉末冶金，鋼鐵用于制造機器和工具。此外，鐵及其化合物還用于制磁鐵、藥物、墨水、顏料、磨料等。

鐵的最重要用途是冶煉鋼和合金，少部分的鐵以鑄鐵和生鐵的形式應用。鐵是特種合金鋼的重要組成部分，特種合金鋼材料的鐵含量有時低于50%，其它組成物有鉻、鎳、鈷等。在某些鎳基合金和鈷基合金中鐵僅為低含量組成物，有時低于10%。

醫療用途

鐵有一些少數化合物可作為人的內服藥物，例如硫酸亞鐵曾用為兒童缺鐵性貧血的治療藥劑，但也有報道說有兒童誤服大量硫酸亞鐵而導致死亡的事例。誤服有毒鐵化合物的治療一般為內服碳酸氫鈉（小蘇打）水溶液和致嘔吐藥劑。

分布情況

鐵是地殼中第四個豐度最大的元素，人們認為地球的核心主要是由鐵構成的。在地殼中存在的單質鐵是極為少見的，但廣泛以化合態出現，許多礦物由于含有鐵化合物而呈現特有的顏色。鐵的最重要礦物是氧化物和碳酸鹽。鐵含量最高的礦物是磁鐵礦（Fe3O4），磁鐵礦是一種黑色有鐵磁性的礦物，磁鐵礦的一個變種稱為“羅底石”（Lodestone）。赤鐵礦（Fe2O3）為紅棕色礦物，含鐵量最高可達70%。褐鐵礦是氧化鐵（Ⅲ）礦物的一個變種，褐鐵礦含有可變量的水，但其近似組成往往是2Fe2O3?3H2O。碳酸鐵FeCO3。出現為菱鐵礦，碳酸鹽礦往往與黏土和煤共生，稱為鐵石。黃鐵礦（FeS2）是一種常見的脈石礦物，但黃鐵礦不直接用為鐵礦，因為黃鐵礦有很高含量的硫而被看成是一種重要的非金屬化工原料礦。在自然界中還存在有多種多樣的硅酸鐵礦。

安全措施

環境危害

（1）侵占土地城市生活垃圾如不能得到及時處理和處置，將會占用農田，破壞農業生產，以及地貌、植被、自然景觀等。

（2）廢鐵的堆積，產生銹味，嚴重影響了空氣質量。

健康危害

鐵本身不具有毒性，但當攝入過量或誤服過量的鐵制劑時也可能導致鐵中毒。

短期暴露：吸入鐵粉或氧化鐵煙粉塵刺激呼吸道，引起咽喉發炎、咳嗽、呼吸短促、乏力、疲勞、寒戰、出汗、肌肉和關節疼痛；皮膚接觸熱金屬會灼傷，眼睛接觸粉塵可導致發炎和灼傷；食入可導致昏睡、呆滯、心跳和呼吸加速、休克、吐血、腹瀉；

長期暴露：吸入過量會導致肺、脾、淋巴系統產生鐵積沉；吸入粉塵導致肺部產生色斑。

毒理資料

鐵及其氧化物的蒸汽和煙氣會對人產生一種非致命性的刺激與病痛，稱為金屬煙熱癥。但鐵的化合物羰基鐵Fe（CO）5卻是極毒的，羰基鐵遇熱或在陽光照射下分解產生一氧化碳。

生理作用

鐵是動物身體組織和血液的極重要的組成物。鐵是人體中必需的痕量元素中含量最高的一個，約占人體總重量的0.006%。鐵在人體內主要分布于血紅細胞中，約占人體總鐵量的60%一70%。在鐵蛋白和肌紅蛋白中，鐵則分別約占人體總鐵量的7%—15%和3%—5%。鐵不僅是人體血液中交換與輸送氧氣所必需的，而且又是某些酶（如過氧化氫酶、過氧化物酶、苯丙氨酸羥化酶等）和許多氧化還原體系所不可缺少的元素，在生物催化、在呼吸鏈上傳遞電子等方面都起著重要的作用。

血紅蛋白是由一種稱為珠朊的蛋白和含鐵的亞鐵血紅素結合在一起組成的，亞鐵血紅素是卟啉的鐵（Ⅱ）絡合物，在其中鐵（Ⅱ）原子的配位數為6。鐵（Ⅱ）與卟啉平面上的四個吡咯環氮原子相聯結，并與珠朊上組氨酸的咪唑氮在垂直于卟啉平面的方向上聯結，第六個位置則可能被一個水分子所占據。這個結構允許在此第六個配位位置上可逆地吸放分子氧，使紅血球得以把氧分子輸載到身體的各部分，這是動物呼吸作用的機理。血紅蛋白對一氧化碳的親合作用大于對氧分子的親合作用，生成碳氧血紅蛋白的過程是不可逆的，這就導致了一氧化碳的劇毒性。

儲存運輸

儲存方法

放入緊封的儲藏器內，儲存于陰涼、干燥的庫房。

運輸方法

一般是鐵水運輸方式。

1.魚雷罐標準鐵路運輸方式魚雷罐具有容量大、保溫性能好、重心低、安全性高等特點，可作為鐵鋼界面間的緩沖環節，對煉鐵和煉鋼起著銜接、匹配、協調、緩沖的作用，在大型鋼鐵企業中得到廣泛應用。

2.鐵水罐運輸方式該方式采用鐵水罐作為鐵水從高爐到煉鋼的運輸和儲存容器，從高爐出鐵場受鐵開始至煉鋼鐵水兌入轉爐終止，全過程采用一個鐵水罐，減少了魚雷罐運輸流程中的鐵水倒罐環節。