铁

铁（Ferrum）是一种金属元素，原子序数为26，位于周期表第四周期，第VIII族。

纯铁是银白色有光泽的金属，密度7.86g/cm³，熔点1539℃。铁除了有导电性、导热性、延展性外，还能被磁铁吸引，具有铁磁性。

铁的重要化合物有三氧化二铁、四氧化三铁、氯化铁及铁的配合物等。自然界中主要矿物是赤铁矿（主要是三氧化二铁），磁铁矿（主要是四氧化三铁）和菱铁矿（主要是碳酸亚铁）等。工业上用铁矿、焦炭和石灰石混合在高炉中冶炼而得，根据含碳量不同可分为生铁、熟铁和钢。

研究简史

古代社会铁器时代大约起始于前2000年，但最早发现和使用的铁是来自外空的陨铁。陨铁是铁和镍、钴等金属的混合物、含铁量较高。在埃及、西南亚等地一些文明古国所发现的最早的铁器，都是由陨铁加工而成的。1972年中国河北省藁城县台西村出土了一把商代铁刃青铜钺，制造年代约在前14世纪。在青铜钺上嵌的铁刃，是将陨铁经加热锻打后，和钺体嵌锻在一起的。中国还曾出土过类似的铁刃铜钺和铁援铜戈各一件，年代相当于商末周初，铁的部分也是由陨铁加工成的。古埃及人把铁叫做“天石”，可见人类最早认识铁是从陨石开始的。天外来的陨石数量很少，因此用陨石制作的器具当然稀少而珍贵，同时还带有神秘的色彩。用陨石作工具是很少的，所以对生产进步没有什么明显影响，但通过陨石的利用，毕竟使人类最早接触并认识到铁。

冶铁技术发明于原始社会的末期。冶铁技术的发明，代表冶金史的一个新阶段的开始。居住在亚美尼亚山地的基兹温达部落在前2000年时，就发明了一种炼铁的有效方法，后来逐步传开了。小亚细亚的赫梯人在前1400年左右也已掌握了冶铁技术；两河流域北部的亚述人，在前1300年已进入铁器时代。铁制工具的大量出现，社会生产力显著提高，从而对社会的发展产生巨大影响。有些民族因此而迅速地由原始公社制过渡到奴隶社会。古希腊和古罗马的奴隶社会的产生，就是由于铁制工具的广泛使用，促使生产力大大提高的结果。在古代中国、埃及等文明古国，则因有适合农业耕作的冲积平原，有便利的灌溉系统，所以在拥有青铜工具后，便已进入奴隶社会，而一旦铁制工具逐步取代了青铜工具，生产力获得飞速发展，生产关系进一步发生变化，社会便又前进一步向封建制度过渡。

冶铁技术和青铜冶炼技术一样，首先是由于社会生产发展的需要。青铜工具在生产中的作用诱使人们去寻找更多的金属资源，但因铜矿分布不广，锡、铅矿更是稀少，人们很自然地要去寻找新的金属。另外，在当时已具备了冶铁的物质和技术条件，特别是许多民族已有冶炼青铜的经验，发明冶铁技术是很自然的。

早期的冶铁技术，大多采用“固体还原法”，即冶铁时，将铁矿石和木炭一层夹一层地码放在炉窑中，点火焙烧，在650—1000℃温度下，利用碳的不完全燃烧，产生一氧化碳，使铁矿中的氧化铁被还原成铁。但由于温度不够高，还原出来的铁以块状沉到炉底，人们只能待铁炼成炉窑冷却后将铁块取出。这种铁实际上是海绵铁，表面粗糙，夹杂渣滓，不具有明显金属特征，有的其坚韧性还不如青铜。因此。中国古代人称这种铁为“恶金”。这就造成一种情况，尽管冶铁技术的发明虽比青铜技术只稍晚一些，但在有发达的青铜冶炼业的民族那里，铁器的广泛使用却常较使用青铜器推迟了很多年。

在人们经过一段实践摸索的认识过程后，终于发现，将炼出的铁块反复加热和压延锤打，才能使铁柔韧不脆。人们还发现将赤热的锻铁猛淬入冷水，会变成坚韧的好铁。这种好铁的性能远远超越于青铜之上。当人们能广泛用这种锻铁制造工具时，青铜工具才逐渐被铁器取代。

理化性质

物理性质

铁是一种银白色颇软的金属，有良好的延展性，铁的性质会因掺杂了痕量的其它元素而发生变化。铁的磁性在极大程度上决定于所含的杂质，并且会因退火的程度而变。铁的纯度越高磁导率越大，且降低了铁的滞后损失。以铁和钴为基体的钢或合金用于制造永磁体，常用铁与其它铁磁性金属钴和镍所制的合金，例如FeNi和FeNi₃都有很高的磁导率。铁一钴一镍系的永磁合金和铁氧体磁性材料属于第一代合成的永磁体。近20年来发展的第二代永磁合金是稀土钴系合金，如SmCo5和Sm2Co17等，近10年来则发展了第三代永磁合金Nd一Fe一B系合金。近年又发展起来Sm一Fe一N系永磁合金，是以Sm2Fe17为基质进行渗氮而得到的一种综合性能优越的永磁体，有可能成为第四代新型永磁合金。

化学性质

同单质的反应

铁能在高温下吸收氢生成固溶体。在温度高于800℃时铁能与少量氮反应，但反应速度很慢，在温度超过400℃时很容易与氨气反应，生成Fe₂N。这是钢铁表面氮化生成硬保护膜层的反应原理。铁容易和大多数非金属在适当高温下反应生成二元化合物。铁与氧的反应决定于反应条件，新还原出来的微细铁粉在空气中室温下就会自燃。块状铁在温度超过150℃时在干燥空气中就开始氧化，在过量氧气中生成的主要产物是Fe₂O₃和Fe₃O₄，高于575℃和低氧空气中则主要氧化产物为FeO。铁与硫或磷反应时放出大量热，分别生成FeS和Fe₃P。卤素则可在较低温度（-200℃）与铁反应，氟、氯和溴与铁反应生成Fe（Ⅲ）化合物FeX₃，而碘则只生成Fe（Ⅰ）化合物FeI₂。

同化合物的反应

以上电势表明，单质铁在酸性溶液中是一种还原剂，而在碱性溶液中则是一种更强的还原剂。依照铁的电势在电位序中的位置。可以从稀酸水溶液中置换出氢气，能从铜（Ⅱ）盐溶液中置换铜，本身则转化成铁（Ⅱ）盐。当用普通铁与稀硫酸或盐酸反应时，放出的氢气有一种极特别的气味，这是由于氢气中夹杂了铁中杂质元素（如碳、硫、磷、砷等）的氢化物所致。氧化性酸，如硝酸、冷稀酸仍可与铁生成铁（Ⅱ）盐，但热浓酸只能生成铁（Ⅲ）盐。当铁与浓硝酸短时间接触后，便表现有抗御与硝酸进一步反应的作用，称为表面钝化，不再能溶于稀硝酸，也不再能从铜（Ⅱ）盐溶液中置换铜，但它能溶于还原性酸，如稀盐酸中。这种钝化作用是由于在铁表面上生成了一层氧化物保护膜。用其它氧化剂，如铬（Ⅵ）酸也可以使铁表面钝化。

铁在高于500℃时可以快速地同水蒸气反应放出氢气，温度低于570℃时生成的氧化物是Fe3O4，而高于此温度时生成的氧化物是FeO。二氧化碳也可以同样地与铁反应生成这两种氧化物（决定于温度条件），同时二氧化碳被还原成一氧化碳。铁粉在100一200℃与200atm的一氧化碳反应生成挥发性的剧毒化合物五羰合铁Fe（CO）5。

铁的锈蚀是铁与空气和水发生作用生成水合氧化物的过程。这是一个特殊的腐蚀问题，因为有重大的经济重要性而受到重视。铁在室温下的锈蚀现象与水、氧气和一种电解质的存在是不可少的。二氧化碳对铁的锈蚀影响不大，高浓度的二氧化碳气氛其实对铁还有表面保护作用。铁完全浸泡在表面上有空气的淡水或盐水中会发生缓慢的锈蚀作用，但如果此铁是部分浸没的，在铁一水交界面上的氧气会迅速得到补充，便会发生快速的锈蚀。在空气中，如果湿度达到50（水蒸气分压约为6mmHg），铁件会开始发生锈蚀；如果湿度达到80%，则铁件会发生严重的锈蚀。

此时溶液中的Fe²⁺和OH⁻在氧气的作用下便生成了黄棕色的水合氧化铁（Ⅲ）沉淀物铁锈。

大气锈蚀速度会因尘埃粒子和二氧化硫的存在而大大被加速。在滨海地区，空气尘埃中含有盐分，如果没有其它促锈因素的话，锈蚀速度将随距海的距离而变，距海越远锈蚀速度越慢。在城区和工业区，空气中的二氧化硫将是促锈的主要因素。在空气和水的作用下，二氧化硫转化成硫酸，硫酸将侵蚀铁制器件。当铁或钢的表面上出现了硫酸铁（Ⅱ）之后，在潮湿空气中，即使不再有二氧化硫，锈蚀过程就继续进行。防止铁器锈蚀的方法之一是在表面涂刷阻锈剂，如氢氧化钠、磷酸钠或铬酸钾溶液。还有一种“磷酸盐化处理”，是将铁器浸置在磷酸锰（Ⅱ）或磷酸锌（Ⅱ）溶液中，使铁表面上生成一层磷酸铁（Ⅱ）盖层。还有一种防锈办法是在铁表面上遮镀一层其它金属，如镀锌铁（白铁）、镀锡铁（马口铁）等。涂刷红铅漆或油漆也是常用的防锈办法。

制备方法

工业制备

纯铁可用氢还原纯氧化铁或氢氧化铁来制备。例如将氢氧化铁在纯氢气流中加热，并将温度从400℃升高至700℃直到还原过程完成。还原铁冷却后吸收的氢量可以忽略不计，在低温（360一530℃）下还原氧化物所得纯铁是粉末状固体，遇空气会着火。

将五羰合铁Fe（CO）5气化并在250℃左右使之分解可得到不含任何杂质的微细粉末状纯铁，将这种纯铁在高真空下煅烧可以除去残留在铁中的痕量碳和氧，以一氧化碳的形式被除去。

单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿（Fe2O3）或磁铁矿（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）。

工业制备步骤

步骤 方程式

造气

（提供热量）

（产生CO）

炼铁

（赤铁矿炼铁）

（磁铁矿炼铁）

造渣

实验室制备

实验室通常用一氧化碳还原氧化铁制备少量单质铁。

应用领域

工业用途

铁用于农药、粉末冶金、热氢发生器、凝胶推进剂、燃烧活性剂、催化剂、水清洁吸附剂、烧结活性剂、粉末冶金制品、各种机械零部件制品、硬质合金材料制品等。纯铁用于制发电机和电动机的铁芯，还原铁粉用于粉末冶金，钢铁用于制造机器和工具。此外，铁及其化合物还用于制磁铁、药物、墨水、颜料、磨料等。

铁的最重要用途是冶炼钢和合金，少部分的铁以铸铁和生铁的形式应用。铁是特种合金钢的重要组成部分，特种合金钢材料的铁含量有时低于50%，其它组成物有铬、镍、钴等。在某些镍基合金和钴基合金中铁仅为低含量组成物，有时低于10%。

医疗用途

铁有一些少数化合物可作为人的内服药物，例如硫酸亚铁曾用为儿童缺铁性贫血的治疗药剂，但也有报道说有儿童误服大量硫酸亚铁而导致死亡的事例。误服有毒铁化合物的治疗一般为内服碳酸氢钠（小苏打）水溶液和致呕吐药剂。

分布情况

铁是地壳中第四个丰度最大的元素，人们认为地球的核心主要是由铁构成的。在地壳中存在的单质铁是极为少见的，但广泛以化合态出现，许多矿物由于含有铁化合物而呈现特有的颜色。铁的最重要矿物是氧化物和碳酸盐。铁含量最高的矿物是磁铁矿（Fe3O4），磁铁矿是一种黑色有铁磁性的矿物，磁铁矿的一个变种称为“罗底石”（Lodestone）。赤铁矿（Fe2O3）为红棕色矿物，含铁量最高可达70%。褐铁矿是氧化铁（Ⅲ）矿物的一个变种，褐铁矿含有可变量的水，但其近似组成往往是2Fe2O3・3H2O。碳酸铁FeCO3。出现为菱铁矿，碳酸盐矿往往与黏土和煤共生，称为铁石。黄铁矿（FeS2）是一种常见的脉石矿物，但黄铁矿不直接用为铁矿，因为黄铁矿有很高含量的硫而被看成是一种重要的非金属化工原料矿。在自然界中还存在有多种多样的硅酸铁矿。

安全措施

环境危害

（1）侵占土地城市生活垃圾如不能得到及时处理和处置，将会占用农田，破坏农业生产，以及地貌、植被、自然景观等。

（2）废铁的堆积，产生锈味，严重影响了空气质量。

健康危害

铁本身不具有毒性，但当摄入过量或误服过量的铁制剂时也可能导致铁中毒。

短期暴露：吸入铁粉或氧化铁烟粉尘刺激呼吸道，引起咽喉发炎、咳嗽、呼吸短促、乏力、疲劳、寒战、出汗、肌肉和关节疼痛；皮肤接触热金属会灼伤，眼睛接触粉尘可导致发炎和灼伤；食入可导致昏睡、呆滞、心跳和呼吸加速、休克、吐血、腹泻；

长期暴露：吸入过量会导致肺、脾、淋巴系统产生铁积沉；吸入粉尘导致肺部产生色斑。

毒理资料

铁及其氧化物的蒸汽和烟气会对人产生一种非致命性的刺激与病痛，称为金属烟热症。但铁的化合物羰基铁Fe（CO）5却是极毒的，羰基铁遇热或在阳光照射下分解产生一氧化碳。

生理作用

铁是动物身体组织和血液的极重要的组成物。铁是人体中必需的痕量元素中含量最高的一个，约占人体总重量的0.006%。铁在人体内主要分布于血红细胞中，约占人体总铁量的60%一70%。在铁蛋白和肌红蛋白中，铁则分别约占人体总铁量的7%—15%和3%—5%。铁不仅是人体血液中交换与输送氧气所必需的，而且又是某些酶（如过氧化氢酶、过氧化物酶、苯丙氨酸羟化酶等）和许多氧化还原体系所不可缺少的元素，在生物催化、在呼吸链上传递电子等方面都起着重要的作用。

血红蛋白是由一种称为珠朊的蛋白和含铁的亚铁血红素结合在一起组成的，亚铁血红素是卟啉的铁（Ⅱ）络合物，在其中铁（Ⅱ）原子的配位数为6。铁（Ⅱ）与卟啉平面上的四个吡咯环氮原子相联结，并与珠朊上组氨酸的咪唑氮在垂直于卟啉平面的方向上联结，第六个位置则可能被一个水分子所占据。这个结构允许在此第六个配位位置上可逆地吸放分子氧，使红血球得以把氧分子输载到身体的各部分，这是动物呼吸作用的机理。血红蛋白对一氧化碳的亲合作用大于对氧分子的亲合作用，生成碳氧血红蛋白的过程是不可逆的，这就导致了一氧化碳的剧毒性。

储存运输

储存方法

放入紧封的储藏器内，储存于阴凉、干燥的库房。

运输方法

一般是铁水运输方式。

1.鱼雷罐标准铁路运输方式鱼雷罐具有容量大、保温性能好、重心低、安全性高等特点，可作为铁钢界面间的缓冲环节，对炼铁和炼钢起着衔接、匹配、协调、缓冲的作用，在大型钢铁企业中得到广泛应用。

2.铁水罐运输方式该方式采用铁水罐作为铁水从高炉到炼钢的运输和储存容器，从高炉出铁场受铁开始至炼钢铁水兑入转炉终止，全过程采用一个铁水罐，减少了鱼雷罐运输流程中的铁水倒罐环节。