一、基本信息
元素概述
铁(Iron/Ferrum)是第四周期第VIII族过渡金属元素，原子序数26，元素符号Fe(源自拉丁语Ferrum)。铁是地壳中含量第四丰富的元素，也是地球核心的主要成分。铁具有良好的延展性、导电性和导热性，最显著的特点是其强磁性（铁磁性）。铁是人类使用最广泛的金属，全球年产量超过18亿吨，约占所有金属产量的95%。
1.1 基本参数
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 元素符号 | Fe | 原子序数 | 26 |
| 相对原子质量 | 55.845(2) | CAS号 | 7439-89-6 |
| 元素周期 | 第4周期 | 元素族 | VIII族(第8族) |
| 元素分区 | d区 | 晶体结构 | 体心立方/面心立方 |
| 外观 | 银白色金属光泽 | 莫氏硬度 | 4.0 |
| 元素分类 | 过渡金属 | 发现年份 | 史前时代 |
1.2 电子构型
[Ar] 3d6 4s2
铁原子有26个电子，分布在4个电子层中。价电子为3d和4s轨道上的8个电子，这决定了铁可以形成+2和+3两种主要氧化态。3d轨道上有4个未成对电子，这是铁具有强顺磁性和铁磁性的根本原因。
1.3 原子参数
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 原子半径（计算值） | 156 pm |
| 共价半径 | 132±3 pm |
| 范德华半径 | 194 pm |
| 电负性（鲍林标度） | 1.83 |
| 第一电离能 | 762.5 kJ/mol |
| 第二电离能 | 1561.9 kJ/mol |
| 第三电离能 | 2957 kJ/mol |
1.4 宇宙中的特殊地位
核合成终点：
铁-56是所有原子核中比结合能最高的核素之一，这意味着铁是恒星核聚变的"灰烬"——当恒星核心的氢、氦逐渐聚变成更重的元素时，最终会产生大量的铁。铁无法通过核聚变释放能量，因此当大质量恒星的核心变成铁时，会引发超新星爆发。
二、物理性质
最显著特征
铁是一种银白色、有光泽的金属，质地较软但韧性好。铁最突出的物理特性是其铁磁性——在居里温度(770°C)以下表现出强磁性，是最常见的磁性材料。
2.1 热学性质
| 性质 | 数值 | 条件/备注 |
|---|---|---|
| 熔点 | 1538°C (1811 K) | — |
| 沸点 | 2862°C (3135 K) | — |
| 熔化热 | 13.81 kJ/mol | — |
| 汽化热 | 340 kJ/mol | — |
| 比热容 | 25.10 J/(mol·K) | 25°C |
| 热导率 | 80.4 W/(m·K) | 300 K |
| 居里温度 | 770°C (1043 K) | 铁磁性消失温度 |
2.2 力学性质
| 性质 | 数值 |
|---|---|
| 密度(α-Fe) | 7.874 g/cm³ (20°C) |
| 莫氏硬度 | 4.0 |
| 杨氏模量 | 211 GPa |
| 剪切模量 | 82 GPa |
| 体积模量 | 170 GPa |
| 泊松比 | 0.29 |
2.3 电磁性质
| 性质 | 数值 |
|---|---|
| 电阻率 | 96.1 nΩ·m (20°C) |
| 磁化率 | 铁磁性 |
| 饱和磁化强度 | 1.707 T |
| 居里温度 | 770°C |
三、同素异形体与晶体结构
🔬 铁的晶体结构相变
| 相 | 温度范围 | 晶体结构 | 特性 |
|---|---|---|---|
| α-Fe (铁素体) | <912°C | 体心立方(BCC) | 铁磁性，软韧 |
| γ-Fe (奥氏体) | 912-1394°C | 面心立方(FCC) | 顺磁性，可溶碳 |
| δ-Fe | 1394-1538°C | 体心立方(BCC) | 高温相 |
3.1 铁-碳相图要点
| 关键点 | 温度 | 成分 | 意义 |
|---|---|---|---|
| 共晶点 | 1147°C | 4.3% C | 液体 ⇌ 奥氏体 + 渗碳体 |
| 共析点 | 727°C | 0.77% C | 奥氏体 ⇌ 铁素体 + 渗碳体 |
四、化学性质
化学活性特点
铁是一种中等活泼的金属，在干燥空气中稳定，但在潮湿空气中易生锈。铁能与多种非金属和化合物反应，主要形成+2和+3两种氧化态的化合物。
4.1 与氧气的反应
3Fe + 2O₂ →(点燃) Fe₃O₄ (四氧化三铁，黑色)
4Fe + 3O₂ →(加热) 2Fe₂O₃ (三氧化二铁，红棕色)
2Fe + O₂ →(高温) 2FeO (氧化亚铁，黑色)
4.2 与水的反应
3Fe + 4H₂O →(高温) Fe₃O₄ + 4H₂↑
4.3 与酸的反应
与非氧化性酸反应：
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
Fe + H₂SO₄(稀) → FeSO₄ + H₂↑
与氧化性酸反应：
Fe + 4HNO₃(稀) → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O
2Fe + 6H₂SO₄(浓) →(加热) Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O
⚠️ 钝化现象
常温下，铁遇冷的浓硫酸或浓硝酸会发生钝化，表面形成致密的氧化物保护膜。
4.4 与盐溶液的反应
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓
Fe + 2FeCl₃ → 3FeCl₂
Fe + 2AgNO₃ → Fe(NO₃)₂ + 2Ag↓
4.5 与卤素反应
2Fe + 3Cl₂ →(点燃) 2FeCl₃
Fe + I₂ →(加热) FeI₂
4.6 与硫反应
Fe + S →(加热) FeS
4.7 与一氧化碳反应
Fe + 5CO →(100-200°C, 高压) Fe(CO)₅
五、氧化态与离子化学
🎨 铁的氧化态与颜色
| 氧化态 | 离子形式 | 颜色 | 稳定性 |
|---|---|---|---|
| 0 | Fe | 银白色金属 | 金属态 |
| +2 | Fe²⁺ | 浅绿色 | 还原性，易被氧化 |
| +3 | Fe³⁺ | 黄色(棕色) | 较稳定，氧化性 |
| +6 | FeO₄²⁻ | 紫红色 | 强氧化剂，不稳定 |
5.1 Fe(II) - 二价铁
Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓ (白色→灰绿色→红棕色)
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃↓
2Fe²⁺ + Cl₂ → 2Fe³⁺ + 2Cl⁻
5.2 Fe(III) - 三价铁
Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓ (红棕色)
2Fe³⁺ + Fe → 3Fe²⁺
2Fe³⁺ + 2I⁻ → 2Fe²⁺ + I₂
5.3 铁离子检验
Fe³⁺ + 3SCN⁻ → Fe(SCN)₃ (血红色溶液)
4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]⁴⁻ → Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓ (普鲁士蓝)
3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]³⁻ → Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ (滕氏蓝)
5.4 标准电极电势
| 电对 | E°/V |
|---|---|
| Fe²⁺/Fe | -0.447 |
| Fe³⁺/Fe²⁺ | +0.771 |
| FeO₄²⁻/Fe³⁺ | +2.20 |
六、同位素
天然同位素
天然铁由四种稳定同位素组成：⁵⁴Fe(5.845%)、⁵⁶Fe(91.754%)、⁵⁷Fe(2.119%)和⁵⁸Fe(0.282%)。⁵⁶Fe是最丰富的同位素，也是宇宙中核结合能最高的核素之一。
6.1 天然同位素
⁵⁴Fe
丰度: 5.845%
稳定同位素
稳定同位素
⁵⁶Fe
丰度: 91.754%
核合成终点
核合成终点
⁵⁷Fe
丰度: 2.119%
穆斯堡尔谱
穆斯堡尔谱
⁵⁸Fe
丰度: 0.282%
稳定同位素
稳定同位素
6.2 放射性同位素
| 同位素 | 半衰期 | 应用 |
|---|---|---|
| ⁵⁵Fe | 2.73年 | X射线源、示踪剂 |
| ⁵⁹Fe | 44.5天 | 医学示踪 |
七、发现历史
约公元前4000年
人类最早使用的铁来自陨石（陨铁），古埃及人称其为"天降之金属"。
约公元前1500年
赫梯人掌握了铁的冶炼技术，成为最早的"钢铁帝国"。
约公元前1200年
铁器时代开始，铁的冶炼技术传播到地中海和欧洲。
约公元前600年
中国春秋时期开始大规模使用铁器，并发明了高炉冶铁技术。
1709年
英国人达比发明了焦炭炼铁法，为工业革命奠定基础。
1856年
贝塞麦发明了转炉炼钢法，实现钢的大规模工业化生产。
1948年
奥地利发明了氧气顶吹转炉炼钢法(LD法)，成为现代炼钢主要方法。
名称由来：
"铁"的拉丁名Ferrum可能源自腓尼基语。英语Iron源自古英语，可能与表示"神圣金属"的词根有关。
八、自然分布
地壳与地球核心
铁是地壳中第四丰富的元素（约5%），也是地壳中含量最高的金属元素。更重要的是，铁是地球核心的主要成分，占地球总质量的约35%。
8.1 主要矿物
Fe₂O₃
赤铁矿(Hematite)
最重要的铁矿石之一，含铁70%
Fe₃O₄
磁铁矿(Magnetite)
含铁72.4%，强磁性，最高品位铁矿石
FeOOH
褐铁矿(Limonite)
含铁约60%，黄褐色
FeCO₃
菱铁矿(Siderite)
含铁48.2%，灰褐色
FeS₂
黄铁矿(Pyrite)
含铁46.6%，俗称"愚人金"
8.2 全球铁矿石储量分布
8.3 主要矿区
皮尔巴拉
澳大利亚西部
世界最大铁矿区
世界最大铁矿区
卡拉加斯
巴西
世界最大单体铁矿
世界最大单体铁矿
鞍山-本溪
中国辽宁
中国最大铁矿基地
中国最大铁矿基地
九、提取与冶炼
9.1 高炉炼铁
C + O₂ → CO₂
CO₂ + C → 2CO
Fe₂O₃ + 3CO →(高温) 2Fe + 3CO₂
Fe₃O₄ + 4CO →(高温) 3Fe + 4CO₂
CaCO₃ →(高温) CaO + CO₂↑
CaO + SiO₂ →(高温) CaSiO₃ (炉渣)
9.2 转炉炼钢
C + FeO → Fe + CO↑ (脱碳)
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe (脱硅)
9.3 氢冶金（绿色炼钢）
Fe₂O₃ + 3H₂ →(高温) 2Fe + 3H₂O (零碳排放)
9.4 铝热反应
Fe₂O₃ + 2Al →(引燃) 2Fe + Al₂O₃
9.5 钢铁产品分类
| 产品 | 碳含量 | 用途 |
|---|---|---|
| 生铁 | 3-4% | 炼钢原料 |
| 低碳钢 | 0.02-0.25% | 薄板、线材 |
| 中碳钢 | 0.25-0.6% | 机械零件 |
| 高碳钢 | 0.6-2% | 工具、弹簧 |
十、重要化合物
10.1 氧化物
氧化铁(III) Fe₂O₃ - 红棕色
三氧化二铁是最稳定的铁氧化物，用于颜料、磨料、催化剂等。
Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O
Fe₂O₃ + 3CO →(高温) 2Fe + 3CO₂
四氧化三铁 Fe₃O₄ - 黑色，磁性
四氧化三铁具有尖晶石结构和强磁性，天然形态为磁铁矿。
3Fe + 2O₂ →(点燃) Fe₃O₄
Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O
10.2 氢氧化物
Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓ (红棕色)
Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓ (白色)
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃
10.3 卤化物
| 化合物 | 外观 | 性质 |
|---|---|---|
| FeCl₃ | 棕黑色晶体 | 强氧化性 |
| FeCl₂ | 灰绿色晶体 | 还原性 |
2Fe + 3Cl₂ →(点燃) 2FeCl₃
2FeCl₃ + Cu → 2FeCl₂ + CuCl₂
10.4 硫化物
Fe + S →(加热) FeS
FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑
4FeS₂ + 11O₂ →(高温) 2Fe₂O₃ + 8SO₂↑
10.5 羰基铁
Fe + 5CO →(高压) Fe(CO)₅ (淡黄色液体)
Fe(CO)₅ →(加热) Fe + 5CO↑
10.6 二茂铁
二茂铁Fe(C₅H₅)₂是第一个被发现的夹心化合物，开创了有机金属化学新领域。
十一、工业应用
应用领域概述
铁及其合金（钢铁）是人类使用量最大的金属材料，全球年产量超过18亿吨，约占所有金属产量的95%。
11.1 建筑与基础设施
🏗️ 建筑用钢
钢筋、型钢、钢板用于高层建筑、桥梁、隧道等。
🚇 轨道交通
铁路钢轨、地铁隧道支护等。
11.2 交通运输
🚗 汽车工业
车身、底盘、发动机使用高强度钢。
🚢 船舶工业
船体结构使用耐海水腐蚀船用钢板。
11.3 特种钢材
| 钢种 | 特性 | 应用 |
|---|---|---|
| 不锈钢 | 耐腐蚀 | 餐具、化工设备 |
| 工具钢 | 高硬度 | 刀具、模具 |
| 硅钢 | 高磁导率 | 变压器、电机 |
11.4 全球钢铁消费结构
~52%
建筑业
~16%
机械设备
~12%
汽车
~20%
其他
十二、生物学作用
🧬 铁的生物学重要性
铁是所有生物体的必需微量元素，参与氧气运输、电子传递、DNA合成等多种基本生命过程。人体含铁约4g，其中约70%存在于血红蛋白中。
12.1 含铁蛋白质
| 蛋白质 | 功能 |
|---|---|
| 血红蛋白 | 运输氧气 |
| 肌红蛋白 | 肌肉储氧 |
| 细胞色素 | 电子传递 |
| 铁蛋白 | 铁储存 |
| 转铁蛋白 | 铁运输 |
12.2 血红蛋白反应
Hb(Fe²⁺) + O₂ ⇌ HbO₂ (氧合血红蛋白)
Hb(Fe²⁺) + CO → HbCO (一氧化碳中毒)
12.3 铁缺乏与过量
| 状况 | 症状 |
|---|---|
| 缺铁性贫血 | 疲劳、苍白、头晕 |
| 铁过载 | 肝硬化、心脏病 |
十三、市场与价格
铁矿石(62% Fe)
$80-150 /吨
热轧卷板
$400-800 /吨
13.1 全球钢铁产量
| 国家 | 产量 | 占比 |
|---|---|---|
| 中国 | ~10.2亿吨 | ~54% |
| 印度 | ~1.4亿吨 | ~7% |
| 日本 | ~0.87亿吨 | ~5% |
13.2 主要钢铁企业
中国宝武
全球最大钢企
年产1.3亿吨
年产1.3亿吨
安赛乐米塔尔
跨国钢铁巨头
年产约7000万吨
年产约7000万吨
十四、安全与健康
14.1 金属铁的安全性
金属铁本身毒性很低，是人体必需元素。主要危害来自铁粉粉尘和铁粉爆燃。
⚠️ 五羰基铁剧毒！
五羰基铁[Fe(CO)₅]是剧毒物质，可经皮肤吸收，使用时必须在通风橱中操作。
14.2 职业接触限值
| 标准 | 物质 | 限值 |
|---|---|---|
| OSHA PEL | 氧化铁烟尘 | 10 mg/m³ |
十五、化学方程式汇总
15.1 铁与氧气
3Fe + 2O₂ →(点燃) Fe₃O₄
4Fe + 3O₂ →(加热) 2Fe₂O₃
2Fe + O₂ →(高温) 2FeO
15.2 铁与水
3Fe + 4H₂O →(高温) Fe₃O₄ + 4H₂↑
15.3 铁与酸
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
Fe + H₂SO₄(稀) → FeSO₄ + H₂↑
Fe + 4HNO₃(稀) → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O
3Fe + 8HNO₃(稀) → 3Fe(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O (铁过量)
2Fe + 6H₂SO₄(浓) →(加热) Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O
15.4 铁与盐溶液
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓
Fe + 2FeCl₃ → 3FeCl₂
Fe + 2AgNO₃ → Fe(NO₃)₂ + 2Ag↓
15.5 铁与非金属
2Fe + 3Cl₂ →(点燃) 2FeCl₃
Fe + I₂ →(加热) FeI₂
Fe + S →(加热) FeS
15.6 氧化物还原
Fe₂O₃ + 3H₂ →(高温) 2Fe + 3H₂O
Fe₂O₃ + 3CO →(高温) 2Fe + 3CO₂
Fe₃O₄ + 4H₂ →(高温) 3Fe + 4H₂O
Fe₃O₄ + 4CO →(高温) 3Fe + 4CO₂
Fe₂O₃ + 2Al →(引燃) 2Fe + Al₂O₃
15.7 氢氧化物反应
Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓
Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃
2Fe(OH)₃ →(加热) Fe₂O₃ + 3H₂O
15.8 Fe²⁺与Fe³⁺转化
2Fe²⁺ + Cl₂ → 2Fe³⁺ + 2Cl⁻
2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ → 2Fe³⁺ + 2H₂O
2Fe³⁺ + Fe → 3Fe²⁺
2Fe³⁺ + Cu → 2Fe²⁺ + Cu²⁺
2Fe³⁺ + 2I⁻ → 2Fe²⁺ + I₂
2Fe³⁺ + H₂S → 2Fe²⁺ + S↓ + 2H⁺
15.9 铁离子检验
Fe³⁺ + 3SCN⁻ → Fe(SCN)₃ (血红色)
4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]⁴⁻ → Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓ (普鲁士蓝)
3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]³⁻ → Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ (滕氏蓝)
15.10 高炉炼铁
C + O₂ → CO₂
CO₂ + C → 2CO
3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂
FeO + CO → Fe + CO₂
CaCO₃ →(高温) CaO + CO₂↑
CaO + SiO₂ →(高温) CaSiO₃
15.11 羰基铁反应
Fe + 5CO →(高压) Fe(CO)₅
Fe(CO)₅ →(加热) Fe + 5CO↑
15.12 高铁酸盐
2Fe(OH)₃ + 3Cl₂ + 10NaOH → 2Na₂FeO₄ + 6NaCl + 8H₂O
英汉对照词汇
iron 铁
ferrum 铁(拉丁语)
steel 钢
cast iron 铸铁
pig iron 生铁
ferrite 铁素体
austenite 奥氏体
hematite 赤铁矿
magnetite 磁铁矿
pyrite 黄铁矿
rust 铁锈
ferrous 亚铁的
ferric 三价铁的
blast furnace 高炉
converter 转炉
stainless steel 不锈钢
hemoglobin 血红蛋白
ferritin 铁蛋白
anemia 贫血
ferromagnetism 铁磁性
Curie temperature 居里温度
ferrocene 二茂铁
Prussian blue 普鲁士蓝
thermite reaction 铝热反应