基本簡介
鐵元素的分布
鐵是地球上分布最廣、最常用的金屬之一,約占地殼質(zhì)量的5.1%,居元素分布序列中的第四位,僅次于氧、硅和鋁。
在自然界,游離態(tài)的鐵只能從隕石中找到,分布在地殼中的鐵都以化合物的形式存在。鐵的主要礦石有:赤鐵礦Fe?O?,含鐵量在50%~60%之間;磁鐵礦Fe?O?,含鐵量60%以上,有亞鐵磁性,此外還有褐鐵礦Fe?O??nH?O、菱鐵礦FeCO?和黃鐵礦FeS?,它們的含鐵量低一些,但比較容易冶煉。中國的鐵礦資源非常豐富,著名的產(chǎn)地有湖北大冶、東北鞍山等。
華北地區(qū)的鐵礦主要分布
折疊鐵的發(fā)現(xiàn)簡史
鐵在自然界中分布極為廣泛,但人類發(fā)現(xiàn)和利用鐵卻比黃金和銅要遲。首先是
由于天然的單質(zhì)狀態(tài)的鐵在地球上非常稀少,而且它容易氧化生銹,加上它的熔點(1812K)又比銅(1356K)高得多,就使得它比銅難于熔煉。人類最早發(fā)現(xiàn)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,人類不可能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。西亞赫梯人是最早發(fā)現(xiàn)和掌握煉鐵技術(shù)的。中國從東周時就有煉鐵,至春秋戰(zhàn)國時代普及,是較早掌握冶鐵技術(shù)的國家之一。中國最早人工冶煉的鐵是在春秋戰(zhàn)國之交的時期出現(xiàn)的。這從江蘇六合縣春秋墓出土的鐵條、鐵丸,和河南洛陽戰(zhàn)國早期灰坑出土的鐵錛均能確定是迄今為止的中國最早的生鐵工具。生鐵冶煉技術(shù)的出現(xiàn),它對封建社會的作用與蒸汽機對資本主義社會的作用可以媲美。
鐵的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模使用,是人類發(fā)展史上的一個光輝里程碑,它把人類從石器時代、銅器時代帶到了鐵器時代,推動了人類文明的發(fā)展。至今鐵仍然是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ),人類進步所必不可少的金屬材料。
歷史簡介
有鐵制物件發(fā)現(xiàn)于公元前3500年的埃及。它們包含7.5%的鎳,表明它們來自流星。
古代小亞細亞半島(也就是現(xiàn)今的土耳其)的赫梯人,是第一個從鐵礦石中熔煉鐵的,約公元前1500年,這種新的,堅硬的金屬給了他們經(jīng)濟和政治上的力量。鐵器時代開始了。某些種類的鐵明顯優(yōu)于其它的,依賴于它的碳含量,盡管這并不被賞識。某些鐵礦石包含釩,生產(chǎn)出叫做大馬士革的鋼,很適合制劍。
第一個解釋不同類型的鐵的人是René Antoine Ferchault de Réaumur,他寫了一本書關(guān)于這個主題于1722年。解釋了為什么鋼,熟鐵和鑄鐵包含一定量的木炭(碳)后會更卓越。工業(yè)革命在同一世紀開始,大規(guī)模的依賴于這種金屬。
物理性質(zhì)
鐵的相對原子質(zhì)量 56,鐵的密度為7.9克/立方厘米。
鐵活潑,為強還原劑,化合價有0、+2、+3、+6,最常見的價態(tài)是+2和+3。在室溫下,鐵不能從水中置換出氫氣,在500℃以上反應(yīng)速度增大。其化合物及其水溶液往往帶有顏色。
鐵在干燥空氣中很難跟氧氣反應(yīng),但在潮濕空氣中很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,若在酸性氣體或在鹽水中或鹵素蒸氣氛圍中腐蝕更快。鐵可以從溶液中還原金、鉑、銀、汞、銅或錫等離子。
鐵的比熱容0.46×103J/(kg·℃),每千克鐵溫度升高或降低一攝氏度吸收或放出熱量0.46×103J ?!∪埸c: 1535°C, 沸點: 2750°C.。色澤 :純鐵具有銀白色金屬光澤, 狀態(tài): 固體 ,硬度: 質(zhì)軟 ,密度 :7.8g/cm3 ,延展性良好,傳導(dǎo)性(導(dǎo)電、導(dǎo)熱)好 。純鐵的熔點應(yīng)該是1534℃,不過如果是鐵與其他金屬的合金或者是摻有雜質(zhì)的鐵,熔點降低,硬度將增大,具體得看雜質(zhì)或者合金的性質(zhì)了。
鐵不僅具有金屬晶體的物理共性,而且能被磁鐵吸引,在磁場的作用下,鐵自身磁化。
化學(xué)性質(zhì)
鐵的化學(xué)性質(zhì)之一
相對原子質(zhì)量55.847。鐵有多種同素異形體,如α鐵、β鐵、γ鐵、б鐵等。鐵是比較活潑的金屬,在金屬活動順序表里排在氫的前面。常溫時,鐵在干燥的空氣里不易與氧、硫、氯等非金屬單質(zhì)起反應(yīng),在高溫時,則劇烈反應(yīng)。鐵在氧氣中燃燒,生成Fe?O?,熾熱的鐵和水蒸氣起反應(yīng)也生成Fe?O?。鐵易溶于稀的無機酸和濃鹽酸中,生成二價鐵鹽,并放出氫氣。在常溫下遇濃硫酸或濃硝酸時,表面生成一層氧化物保護膜,使鐵“鈍化”,故可用鐵制品盛裝濃硫酸或濃硝酸。鐵是一變價元素,常見價態(tài)為+2和+3。鐵與硫、硫酸銅溶液、鹽酸、稀硫酸等反應(yīng)時失去兩個電子,成為+2價。與Cl2、Br?、硝酸及熱濃硫酸反應(yīng),則被氧化成Fe3+。鐵與氧氣或水蒸氣反應(yīng)生成的Fe3O4,可以看成是FeO·Fe2O?,其中有1/3的Fe為+2價,另2/3為+3價。鐵的+3價化合物較為穩(wěn)定。
鐵的化學(xué)性質(zhì)之二
鐵的電子構(gòu)型為(Ar)3d64s2,氧化態(tài)有0、+2、+3、+4、+5、+6。鐵的化學(xué)性質(zhì)活潑,為強還原劑,在室溫條件下可緩慢地從水中置換出氫,在500℃以上反應(yīng)速率增高:
3Fe+4H2O(g)===Fe3O4+4H2↑
此反應(yīng)可在兩種情況下進行?!?
1.Fe和高溫水蒸氣反應(yīng),此時,生成氫氣一般不帶氣體符號。
2.將灼熱的鐵迅速扔進冷水。這就是淬火。這時要加氣體符號。
鐵在干燥空氣中很難與氧發(fā)生作用,但在潮濕空氣中很易腐蝕,若含有酸性氣或鹵素蒸氣時,腐蝕更快。鐵可從溶液中還原金、鉑、銀、汞、鉍、錫、鎳或銅等離子,如:
CuSO4+Fe===FeSO4+Cu
鐵溶于非氧化性的酸如鹽酸和稀硫酸中,形成二價鐵離子并放出氫氣;在冷的稀硝酸中則形成三價鐵離子和硝酸銨:
Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑
(2 Fe+6H2SO4(濃)===Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O)
4Fe+10HNO3===4Fe(NO3)2+NH4NO3+3H2O
鐵溶于熱的或較濃的硝酸中,生成硝酸鐵并釋放出氮的氧化物。在濃硝酸或冷的濃硫酸中,鐵的表面形成一層氧化薄膜而被鈍化。鐵與氯在加熱時反應(yīng)劇烈(2Fe+3Cl2===2FeCl3)。鐵也能與硫、磷、硅、碳直接化合。鐵與氮不能直接化合,但與氨作用,形成氮化鐵Fe2N。
鐵的最重要的氧化態(tài)是+2和+3。二價鐵離子呈淡綠色,在堿性溶液中易被氧化成三價鐵離子。三價鐵離子的顏色隨水解程度的增大而由黃色經(jīng)橙色變到棕色。純凈的三價鐵離子為淡紫色。二價和三價鐵均易與無機或有機配位體形成穩(wěn)定的配位化合物,如 Phen為菲羅林,配位數(shù)通常為6。零價鐵還可與一氧化碳形成各種羰基鐵,如Fe(CO)5、Fe2(CO)9、Fe3(CO)12。羰基鐵有揮發(fā)性,蒸氣劇毒。鐵也有+4、+5、+6價態(tài)的化合物,但在水溶液中只有+6價的。
化合物 主要有兩大類:亞鐵Fe(Ⅱ)和正鐵Fe(Ⅲ)化合物,亞鐵化合物有氧化亞鐵(FeO)、氯化亞鐵(FeCl2)、硫酸亞鐵(FeSO4)、氫氧化亞鐵{Fe(OH)2}等;正鐵化合物有三氧化二鐵(Fe2O3)、三氯化鐵(FeCl3)、硫酸鐵{Fe2(SO4)3}、氫氧化鐵{Fe(OH)3}等。
如在亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6]·3H2O(俗名:黃血鹽)和鐵氰化鉀K3[Fe(CN)6](俗名:赤血鹽)中。鐵與環(huán)戊二烯的化合物二茂鐵,是一種具有夾心結(jié)構(gòu)的金屬有機化合物。
鐵在水與空氣的共同作用下生成三氧化二鐵
工業(yè)制取
1、高爐煉鐵
C+O2===(點燃)CO2(提供熱量和CO2)
CO2+C===(高溫)2CO
Fe2O3+3CO===(高溫)2Fe+3CO2
CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2↑
2、鋁熱煉鐵
2Al+Fe2O3==高溫==2Fe+Al2O3
化學(xué)形成
相對原子質(zhì)量55.847。鐵有多種同素異形體。鐵是比較活潑的金屬,在金屬活動順序表里排在氫的前面。常溫時,鐵在干燥的空氣里不易與氧、硫、氯等非金屬單質(zhì)起反應(yīng),在高溫時,則劇烈反應(yīng)。鐵在氧氣中燃燒,生成Fe3O4,赤熱的鐵和水蒸氣起反應(yīng)也生成Fe3O4。鐵易溶于稀的無機酸和濃鹽酸中,生成二價鐵鹽,并放出氫氣。在常溫下遇濃硫酸或濃硝酸時,表面生成一層氧化物保護膜,使鐵“鈍化”,故可用鐵制品盛裝濃硫酸或濃硝酸。鐵是一變價元素,常見價態(tài)為+2和+3價。鐵與硫、硫酸銅溶液、鹽酸、稀硫酸等反應(yīng)時失去兩個電子,成為+2價。與Cl2、Br2、硝酸及熱濃硫酸反應(yīng),則被氧化成Fe3+。
鐵與氧氣或水蒸氣反應(yīng)生成的Fe3O4,可以看成是FeO·Fe2O3,其中有1/3的Fe為+2價,另2/3為+3價。但FeO·Fe2O3不符合Fe3O4不與稀酸反應(yīng)的性質(zhì),經(jīng)光譜檢驗,應(yīng)為Fe(+3)Fe(+2)[Fe(+3)O4],即鐵酸鐵與鐵酸亞鐵的復(fù)合鹽。鐵的+3價化合物較為穩(wěn)定,但有較強的氧化性,能把銅氧化成+2價(2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2,常溫下即可反應(yīng),用于刻蝕銅板)。
鐵是一種光亮的銀白色金屬。密度7.86克/立方厘米。熔點1535℃,沸點2750℃。常見化合價+2和+3,有好的延展性和導(dǎo)熱性。也能導(dǎo)電。純鐵既能磁化,又可去磁,且均很迅速。電離能為7.870電子伏特?;瘜W(xué)性質(zhì)比較活潑,是一種良好的還原劑。若有雜質(zhì),在潮濕的空氣中易銹蝕;在有酸氣或鹵素蒸氣存在的濕空氣中生銹更快。易溶于稀酸。在濃硝酸中能被鈍化。加熱時均能同鹵素、硫、硅、碳、磷等化合。除生成+2和+3價氧化物外,還有復(fù)合氧化物Fe3O4(是磁性氧化物)生成。鐵是工業(yè)部門不可缺少的一種金屬。鐵與少量的碳制成合金——鋼,磁化之后不易去磁,是優(yōu)良的硬磁材料,同時也是重要的工業(yè)材料,并且也作為人造磁的主要原料。
主要來源
鐵是地殼中較豐富的元素,僅次于氧、硅、鋁。磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦是重要的鐵礦。鐵金屬常用高爐以焦炭為燃料、用鐵礦石和石炭石為原料煉得。用氫氣還原純氧化鐵可得到純鐵。含碳在2.11%以上的鐵叫生鐵(或鑄鐵)。含碳量少于0.02%的鐵熔合體稱為熟鐵或鍛鐵。含碳量介于0.02-2.11%之間的鐵合金叫做鋼。生鐵堅硬,但性脆;鋼具有彈性;熟鐵易于機械加工,但要比鋼柔軟。生鐵含碳量4%左右,用生鐵煉鋼,就是減低生鐵內(nèi)的碳量達2.11%以下,使硅、錳、鉬、釩、鎳、鉻等的元素含量在要求范圍內(nèi),以及盡量將硫和磷雜質(zhì)除去。
主要用途
它的最大用途是用于煉鋼;也大量用來制造鑄鐵和煅鐵。鐵和其化合物還用作磁鐵、染料(墨水、藍曬圖紙、胭脂顏料)和磨料(紅鐵粉)。還原鐵粉大量用于冶金。
浮選發(fā)治理污水:以鐵為陽極電解污水,陰極產(chǎn)生氣泡(氫氣)使污垢浮起,達到一定厚度時可去除,陽極產(chǎn)生的Fe2+遇到陰極產(chǎn)生的OH-生成具有吸附性的沉淀(Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3),吸附雜質(zhì)。
主要應(yīng)用
在我們的生活里,鐵可以算得上是最有用、最價廉、最豐富、最重要的金屬了。鐵是碳鋼、鑄鐵的主要元素,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,裝備制造、鐵路車輛、道路、橋梁、輪船、碼頭、房屋、土建均離不開鋼鐵構(gòu)件,中國年產(chǎn)鋼材4億多噸、鑄件3350萬噸。鋼鐵的年產(chǎn)量代表一個國家的現(xiàn)代化水平。
對于人體,鐵是不可缺少的微量元素。在十多種人體必需的微量元素中鐵無論在重要性上還是在數(shù)量上,都屬于首位。一個正常的成年人全身含有3g多鐵,相當于一顆小鐵釘?shù)馁|(zhì)量。人體血液中的血紅蛋白就是鐵的配合物,它具有固定氧和輸送氧的功能。人體缺鐵會引起貧血癥。只要不偏食,不大出血,成年人一般不會缺鐵。
所謂煤氣中毒(一氧化碳中毒),也是由于血紅素中鐵原子核心被一氧化碳氣體分子緊緊地包圍住,喪失了吸收氧分子的能力,使人窒息中毒而死亡。
鐵還是植物制造葉綠素不可缺少的催化劑。如果一盆花缺少鐵,花就會失去艷麗的顏色,失去那沁人肺腑的芳香,葉子也發(fā)黃枯萎。一般土壤中也含有不少鐵的化合物。鐵是土壤中的一個重要組分,其在土壤中的比例從小于1%至大于20%不等,平均是3.2% . 鐵主要以鐵氧化物的形式存在,其中既有二價又有三價鐵,大多數(shù)鐵氧化物在土壤顆粒中以不同程度的微結(jié)晶形式存在。
折疊鐵元素【元素相對原子量】:55.845(2)
【元素類型】:金屬元素
【質(zhì)子數(shù)】:26
【中子數(shù)】:30
【所屬周期】:4
【所屬族數(shù)】:VIII
【電子層分布】:2-8-14-2
【外圍電子層排布】:3d6 4s2
【電子層】:K-L-M-N
【電離能】:(kJ /mol)
M - M+ 759.3
M+ - M2+ 1561
M2+ - M3+ 2957
M3+ - M4+ 5290
M4+ - M5+ 7240
M5+ - M6+ 9600
M6+ - M7+ 12100
M7+ - M8+ 14575
M8+ - M9+ 22678
M9+ - M10+ 25290
元素在太陽中的含量:(ppm)1000
元素在海水中的含量:(p
pm)太平洋表面 0.00001地殼中含量:(ppm)
41000
氧化態(tài):
主要 Fe+2,Fe+3
其余 Fe-2,Fe-1,Fe0,Fe+1,Fe+4,Fe+5,Fe+6 ,F(xiàn)e+8
原子體積:(立方厘米/摩爾):7.1
【晶體結(jié)構(gòu)】:面心立方和體心立方
【名稱由來】:盎格魯-撒克遜語:iron(鐵);元素符號來自于拉丁文“ferrum”(鐵)。
【元素描述】:柔韌而有延展性的銀白色金屬。在地殼中含量第四(百萬分之56300),在宇宙中含量第九。
【元素來源】:取自鐵礦。把石灰石、焦炭和鐵礦石分層投入高爐,自底部鼓入高溫氣流,使得焦炭熾熱發(fā)紅,于是鐵被從氧化物中還原出來,熔化成液態(tài),從爐底流出?,F(xiàn)在主要使用的鐵礦石有:Fe2O3(赤鐵礦),F(xiàn)e3O4(磁鐵礦)FeCO3(菱鐵礦)。
【分布】鐵是地球上分布最廣的金屬之一。約占地殼質(zhì)量的5.1012%,居元素分布序列中的第四位,僅次于氧、硅和鋁。
【性狀】鐵是有光澤的銀白色金屬,硬而有延展性,熔點為1535℃, 沸點2750℃,有很強的鐵磁性,并有良好的可塑性和導(dǎo)熱性。比熱容約為0.46*1000J/(KG*℃).
聲音在其中的傳播速率:(m/S)5120
純鐵密度:7.86g/cm^3
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