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      鐵的材質參數

      發布日期:2022-11-10 04:56:07 作者:admin 點擊:2398

      (拼音:tiě,注音:ㄊ丨ㄝˇ,粵拼:tit3;英語:Iron),是一種化學元素,其化學符號為Fe(源于拉丁語:ferrum),原子序數為26,原子量為55.845 u,屬于第一列過渡元素,位在周期表的第8族。依質量計,是在地球上是占比最多的元素,為地球外核和內核的主要成分。它也是地殼中含量第四多的元素。

      地殼中的純鐵十分稀少,基本上只存在于隕石中。鐵礦的蘊藏量相當豐富,但要提煉出可用的鐵金屬,需要可以達到1500 &deg;C以上的窯或火爐,比冶煉銅的溫度還要高500 &deg;C。僅在公元前2000年左右,人類開始在歐亞大陸導入這一制程,大約在公元前1200年,鐵在某些地區開始取代銅合金,作為工具或武器,這個事件被認為是從銅器時代過渡為鐵器時代,歷史上的一些帝國由此技術的突破而誕生。由于其機械性能和低成本,鐵合金(如鋼、不銹鋼和合金鋼)是到目前為止仍是最常見的工業金屬。

      一個成年人的身體含有約4公克(0.005%的體重)的鐵,主要分布在血紅蛋白和肌紅蛋白。這兩種蛋白質在脊椎動物代謝中扮演極為重要的角色,前者負責在血液中運送氧氣,而后者則承擔起在肌肉中儲藏氧氣的責任。為了維持人體中鐵的恒定及代謝,需要從飲食中攝取足量的鐵。鐵也是許多氧化還原酶的活性位置上的金屬,其涉及細胞呼吸作用及植物和動物的氧化還原反應。

      在化學上,鐵最常見的氧化態為二價鐵離子和三價鐵離子。鐵具有其他過渡金屬的特性,包括了其他第8族元素、釕和鋨。鐵可形成各種氧化態的化合物(-2到+7)。鐵也可形成多種錯合物,例如:二茂鐵、草酸鐵離子及普魯士藍,具有大量的工業、醫學及研究應用。平滑的純鐵表面為如鏡般的銀灰色。但鐵容易與氧和水反應,產生棕色或黑色的水合鐵離子,就是俗稱的鐵銹。不同于其他金屬會產生鈍化層的氧化物,鐵銹擁有的體積大于原本的金屬,因而容易剝落,露出新的表面繼續銹蝕。

      物理性質

      鐵是有光澤的銀白色金屬,硬而有延展性,熔點為1539℃,沸點為2750℃,有很強的鐵磁性,并有良好的可塑性和導熱性。晶體結構為體心立方結構,晶格常數a=2.87埃。日常生活中的鐵通常含有碳因而暴露在氧氣中容易在遇到水的情況下發生電化學腐蝕,而純度較高的鐵則不易腐蝕。

      同素異形體

        &alpha;-鐵在室溫下的摩爾體積與壓力的關系

      鐵有四種已知的同素異形體,通常表示為&alpha;、&gamma;、&delta;和 &epsilon;。

        在低壓下,鐵的相圖

      前三種可以在常壓下存在。當液態的鐵冷卻到 1538 &deg;C以下時,它會結晶成 &delta;-鐵,有著體心立方晶系 (bcc) 。繼續冷卻到 1394 &deg;C時,它會變成&gamma;-鐵(奧氏體),為面心立方晶系 (fcc) 。到了912 &deg;C 以下,鐵又會變成體心立方晶系的 &alpha;-鐵。[6]

      鐵在非常高的壓力和溫度下的物理特性也得到了廣泛的研究,因為它們與有關地球和其他行星的核心的理論相關。在約 10 GPa 和低溫下,&alpha;-鐵會轉變成六方最密堆積 (hcp) 結構,又稱為&epsilon;-鐵。高溫下的 &gamma;-鐵也會變成 &epsilon;-鐵,不過需要更高的壓力。

      在 50 GPa 以上的壓力和至少 1500 K 的溫度下,穩定的&beta;相態存在一些有爭議的實驗證據。它應該具有正交晶系或雙 hcp 結構。(令人困惑的是,“&beta;-鐵”有時也用來指居里點以上,從鐵磁性變為順磁性的&alpha;-鐵,即使其晶體結構沒有改變。)[10]

      科學家通常假定地球內核由&epsilon;(或&beta;)結構的鐵鎳合金組成。

      熔點和沸點

      鐵的熔點、沸點和摩爾原子化焓都低于早期的 3d元素&mdash;&mdash;鈧到鉻,顯示 3d 電子對金屬鍵的貢獻隨著原子核越來越大而被吸引而減少。然而,它們高于前一個元素錳的值,因為該元素具有半填充的 3d子殼,因此其 d電子不容易離域。這個趨勢也出現在釕中,但沒出現在鋨中。

      鐵的熔點在低于 50GPa 的壓力下通過實驗很好地定義。對于更大的壓力,公布的數據(截至 2007 年)仍然存在數十吉帕斯卡和超過一千開爾文的差異。

      化學性質

      具有金屬單質的通性,能與非金屬單質、酸、鹽等反應。

      鐵在氧氣中燃燒后生成四氧化三鐵

      在高溫下,鐵可以與水蒸汽反應,生成四氧化三鐵和氫氣。

      鐵元素可以形成3種氧化物,分別是氧化亞鐵FeO),氧化鐵Fe2O3),和四氧化三鐵Fe3O4)(FeO&middot;Fe2O3)。

      鐵和非氧化性酸反應得到Fe2+(亞鐵離子,淺綠色),和氧化性酸反應得到Fe3+(鐵離子,黃色),鐵在濃硫酸和濃硝酸中鈍化。

      鐵加熱、加壓下可以和一氧化碳反應得到羰基化合物:

      鐵和氯氣反應(點燃)得到三氯化鐵,而和硫反應(加熱)只能得到硫化亞鐵:

      鐵和Fe3+反應得到Fe2+

      化合物

      鐵可以形成多種價態的化合物,其中以+2價和+3價的化合物最為典型。常溫下+3價的化合物較為穩定,高溫下+2價的化合物較為穩定。鐵有多種氧化物,如氧化亞鐵、氧化鐵和四氧化三鐵。

      氧化態 代表性化合物
      &minus;2 四羰基鐵酸二鈉(Collman試劑)
      &minus;1Fe2(CO)2&minus;
      8
      0 五羰基鐵
      1二羰基環戊二烯基鐵二聚物 ("Fp2")、[Fe(CN)5(NH3)]4-
      2 硫酸亞鐵、二茂鐵
      3 氯化鐵、四氟硼酸二茂鐵
      4Fe(diars)2Cl2+
      2
      5FeO3&minus;
      4
      6 高鐵酸鉀
       

      發現

      鐵是古代就已知的金屬之一。鐵礦石是地殼主要組成成分之一,鐵在自然界中分布極為廣泛,但人類發現和利用鐵卻比黃金和銅要遲。首先是由于天然的單質狀態的鐵在地球上非常稀少,而且鐵容易氧化生銹,加上鐵的熔點(1812K)又比銅(1356K)高得多,使得鐵比銅難于熔煉。

      人類最早發現的鐵是從天空落下來的隕石,隕石中含鐵的百分比很高,是鐵和鎳、鈷等金屬的混合物,在融化鐵礦石的方法尚未問世,人類無法大量獲得生鐵的時候,鐵一直被視為一種帶有神秘性的最珍貴的金屬。

      鐵的發現和大規模使用,是人類發展史上的一個里程碑,它把人類從石器時代、青銅器時代帶到了鐵器時代,推動了人類文明的發展。至今鐵仍然是現代化學工業的基礎,人類進步所必不可少的金屬材料。

      名稱由來

      鐵,化學符號Fe的來源是拉丁文名稱Ferrum。

      《說文解字》:“鐵,黑金也。從金,黑金也。從金。

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