鐵

---

簡介

鐵在地殼中以其**金屬狀態**存在**並不常見**，主要由隕石沉積。乾淨的鐵板完美無瑕，呈鏡面般的**銀灰色**。然而，鐵與氧氣和水結合時，通常會形成棕色到黑色的潮溼氧化鐵，有時被稱為鐵鏽。在化學上，鐵最常見的兩種氧化態是**鐵(II)和鐵(III)**。鐵與其他過渡金屬具有多種共同特徵。它構成了地球內外核的很大一部分，按重量計算，是僅次於氧氣的**第二豐富的**元素。

什麼是鐵？

**鐵 (Fe)** 是一種化學元素和金屬，是最常見、最便宜的**金屬**，代表元素週期表中的**第 (VIII) 族**。它是**金屬，原子序數為 26，位於週期表第 4 週期，第 8 族**，是週期表中第一個過渡系列。鐵是**血紅蛋白**的組成部分，血紅蛋白是一種蛋白質，可以將氧氣從我們的肺部輸送到我們身體的每個細胞。

工業路線

鐵是透過分解鐵礦石製成的，鐵礦石通常是由木炭、氫氣和一氧化碳形成的氧化物混合物。

如今，工業上生產鋼或鐵主要有兩個步驟。

**步驟 1 - 鐵礦石和焦炭在高爐中轉化**。熔化的金屬被從矽酸鹽礦物等大量雜質中提純。在此階段生產的合金——生鐵，含有大量的碳。

**步驟 2 - 氧化減少**生鐵中的碳含量，從而生產出**熟鐵、鑄鐵或鋼**。在此階段，可以加入其他金屬來生產合金鋼。

• 高爐加工

• 鐵礦石，通常是**赤鐵礦 Fe₂ O₃（赤鐵礦）或 Fe₃ O₄（磁鐵礦）、熔劑（白雲石或石灰石）、焦炭**和其他材料被送入高爐。

  將加熱至 900 °C 的空氣“**鼓風**”吹過混合物，以**將混合物中的碳轉化為一氧化碳**。

• 該反應使溫度升高到**約 2000 °C**。一氧化碳將鐵礦石轉化為金屬鐵。

  $$ \mathrm{2C+O_2→2CO} $$

• $$ \mathrm{Fe_2 O_3+3CO→2Fe+3CO_2} $$

  在爐子較低、較熱的部分，大量的**鐵與焦炭**發生有效反應。

$$ \mathrm{2Fe_2 O_3+3C→4Fe+3CO_2} $$

金屬和廢渣在爐子的高溫下均呈液態。它們在底部形成兩個不互溶的水性池，易於分離。

直接還原鐵

• “直接還原鐵”工藝將鐵礦石轉化為稱為**“直接”鐵或“海綿”**鐵的鐵塊，可進一步加工成鋼。直接還原工藝包括**兩個主要過程**，即 -

  在催化劑和熱量的作用下，**天然氣發生部分氧化**。

• $$ \mathrm{2CH_4+O_2→2CO+4H_2} $$

  然後使用這些氣體在爐中處理鐵礦石，**生成堅硬的海綿鐵**。

$$ \mathrm{Fe_2 O_3+CO+2H_2→2Fe+CO_2+2H_2 O} $$

特性

• 以下是鐵的一些特性 -

• **鐵包含同素異形體** - 鐵至少有**四種已知的同素異形體**，通常用字母 $\mathrm{\alpha,\gamma,\delta\: and\: \varepsilon}$ 表示。在正常壓力下，前**三種**是可見的。當液體鐵冷卻到低於**1538 °C**時，它會結晶成其**同素異形體** ẟ，該同素異形體具有 bcc 晶體結構。在**1394 °C**，它轉變為**鐵的同素異形體** 'γ'，具有 fcc 晶體結構。

• **高溫高壓** - 由於鐵的物理特性與地球內部和其他類似星系內部的推測有關，因此人們也對其在**極端高壓和高溫**下的物理特性進行了深入研究。

• **沸點和熔點** - 與前三個 3d 元素（如鈧-鉻）相比，鐵的**熔點和沸點**較低，原子化焓也較低。

• **磁性** - 鐵是一種非常常見的**鐵磁性金屬**。它賦予我們的**地球磁性**，並且是地球核心中的一個關鍵組成部分。

**同位素** - 鐵的活躍同位素是₅₄Fe、₅₆Fe、₅₇Fe 和₅₈Fe。**最常見的鐵同位素₅₆Fe** 對核科學家來說非常重要。

• 機械效能

• 鐵及其化合物的**結構應用**很大程度上取決於其機械效能。

• 純鐵的**單晶體**在物理上比鋁**更軟**。**鐵的純度**對樣品的機械行為有很大影響。

隨著碳含量的增加，鐵的**強度和抗拉強度**會大幅提高。儘管合金的抗拉強度較弱，但**0.6%**的碳含量會導致最大的硬度。

• 化學和化合物

• 鐵在化學上與其他過渡金屬的區別在於，它能夠形成氧化態的變化，其變化量為 1，以及非常廣泛的**有機金屬和配位化學**。

鐵主要形成氧化態為**+2（“亞鐵”）和 +3（“鐵”）**的化合物。鐵的較高氧化態也存在。

鐵的不同化合物為 -

鹵化物

**亞鐵和鐵鹵化物**作為二元化合物而聞名。當鐵與溴、氟和氯結合時，會產生鐵鹵化物，其中三氯化鐵最為常見。

$$ \mathrm{Fe+2HX→FeX_2+H_2} $$

氧化物

鐵形成的最常見化合物是**四氧化三鐵** (Fe₃ O₄) 和**三氧化二鐵** (Fe₂ O₃)。還有**氧化亞鐵**。

Fe₃ O₄ 結構。

配位化合物

鐵有許多配位絡合物。**六氯合鐵(III)酸鹽**，[FeCl₆ ]₃，是一種常見的 6 配位陰離子。

有機金屬化合物

鐵有機金屬絡合物，其中金屬原子與碳原子共價連線。例如 Fe₄ [Fe(CN)₆ ]₃，通常稱為**“鐵氰化鐵”**。

Fe₄ [Fe(CN)₆]₃ 結構。

• 應用

• 由於鐵成本低廉且強度高，因此在**機械製造**等需要**承受應力或傳遞力**的應用中，它通常是首選材料。

• **不鏽鋼**通常用於製造餐具。**醫療和食品服務**裝置是一種鐵製品。

**白口鑄鐵**具有剛性和脆性的成分，決定了其**機械效能**，使其堅硬但**抗衝擊性差**。

結論

鐵是元素週期表**第 (VIII) 族**的金屬和化學元素。它是**最強**的鐵磁性金屬。它在地球的地殼中**排名第四**豐富的元素。我們已經瞭解了鐵的**不同特性和生產**過程。

常見問題解答

1. 鐵是強磁鐵嗎？

**是的，**鐵是最強和最著名的鐵磁性金屬之一。

2. 鐵的磁性可以消失嗎？

當鐵**過熱**時，它會失去磁性。

3. 為什麼鐵對人體很重要？

血紅蛋白中含有大量的鐵，血紅蛋白是紅細胞中的一種蛋白質，負責將氧氣從肺部輸送到身體的各個部位。

4. 如果我們長時間攝入鐵會發生什麼？

過量的鐵會損害**消化道**。隨著時間的推移，鐵會在器官中積累，並可能致命地損害**肝臟或大腦**。

5. 缺鐵的原因是什麼？