鐵, 26 Fe
Pure iron chips with a high purity iron cube
發音
同素 看到鐵的同素
外貌 有光澤的金屬和灰色的色調
標準原子重量r ° (fe)
  • 55.845±0.002
  • 55.845 ± 0.002 (刪節)
元表中的鐵
- ↑fe↓ru
原子數z 26
團體 第8組
時期 週期4
堵塞  D塊
電子配置 [ ar ] 3d 6 4s 2
每個外殼的電子 2, 8, 14, 2
物理特性
STP階段 堅硬的
熔點 1811 K (1538°C,2800°F)
沸點 3134 K(2861°C,5182°F)
密度(接近RT 7.874 g/cm 3
當液體( MP 6.98 g/cm 3
融合熱 13.81 kJ/mol
汽化熱 340 kJ/mol
摩爾熱容量 25.10 j/(mol·k)
蒸汽壓力
P (PA) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
t (k) 1728 1890 2091 2346 2679 3132
原子特性
氧化狀態 -4,-2,-1、0,+1, +2+3 ,+4,+5,+6,+7(兩性氧化物)
電負性 鮑林量表:1.83
電離能
  • 1:762.5 kJ/mol
  • 第二:1561.9 kJ/mol
  • 第三:2957 kJ/mol
  • 更多的
原子半徑 經驗:126 pm
共價半徑 低自旋:132±3 pmhigh自旋:152±6 pm
范德華半徑 194 [1]下午
Color lines in a spectral range
鐵的光譜線
其他屬性
自然發生 原始
晶體結構 以身體為中心(BCC)
Body-centered cubic crystal structure for iron
a = 286.65 pm
晶體結構 以面部為中心的立方體(FCC)
Face-centered cubic crystal structure for iron
在1185–1667 K之間; a = 364.680 pm
聲速薄桿的速度 5120 m/s(在RT )(電解)
熱膨脹 11.8 µm/(M·K)(在25°C下)
導熱係數 80.4 W/(M·K)
電阻率 96.1nΩ·毫米(在20°C下)
居里點 1043 k
磁性排序 鐵磁
楊的模量 211 GPA
剪切模量 82 GPA
散裝模量 170 GPA
泊鬆比 0.29
莫斯硬度 4
維克斯硬度 608 MPA
Brinell硬度 200–1180 MPA
CAS號 7439-89-6
歷史
發現 公元前5000年之前
象徵 “ fe”:來自拉丁美洲
鐵的同位素
主要同位素 衰變
豐富 半衰期T 1/2 模式 產品
54 fe 5.85% 穩定的
55 fe 合成器 2.73 y ε 55 mn
56 fe 91.8% 穩定的
57 fe 2.12% 穩定的
58 fe 0.28% 穩定的
59 fe 合成器 44.6 d β 59 Co
60 fe 痕跡 2.6 × 10 6 y β 60 Co

是一種化學元素;它具有符號fe (來自拉丁語”)和原子數26。它是屬於第一個過渡系列週期表第8組的金屬。質量是地球最常見的元素,就在氧氣之前(分別為32.1%和30.1%),形成了地球的大部分外部核心。它是地殼中的第四大元素,主要由隕石存放在其金屬狀態,並在那裡發現其礦石

鐵礦石中提取可用的金屬需要能夠達到1,500°C(2,730°F)或更高的熔爐爐子,比聞到所需的熔爐高約500°C(932°F)。人類在公元前第二千年開始在歐亞大陸掌握這一過程,使用鐵工具武器開始取代銅合金- 在某些地區,僅在公元前1200年左右。該事件被認為是從青銅時代鐵器時代的過渡。在現代世界中,由於其機械性能和低成本,鋼鐵合金,例如不銹鋼鑄鐵特殊鋼,是迄今為止最常見的工業金屬。因此,鋼鐵行業在經濟上非常重要,鐵是最便宜的金屬,價格為每公斤或磅幾美元。

原始和光滑的純鐵表面是鏡面的銀灰色。鐵很容易與氧氣和反應,以產生棕色至黑色的水合氧化物,通常稱為生鏽。與形成鈍化層的其他一些金屬的氧化物不同,生鏽的體積比金屬更大,從而剝落了,從而暴露了更多新鮮的表面以進行腐蝕。高純鐵(例如電解鐵)對腐蝕更具耐藥性。

成年人的身體含有大約4克(體重0.005%)的鐵,主要是在血紅蛋白肌紅蛋白中。這兩種蛋白質脊椎動物的代謝中起著重要作用,分別通過肌肉中的血液和氧氣儲存來傳遞氧氣。為了維持必要的水平,人鐵代謝需要最少的飲食鐵。鐵也是許多重要的氧化還原酶的活性位點的金屬,用於植物和動物的細胞呼吸氧化和減少

從化學上講,鐵(II)鐵(III)的最常見氧化態。鐵具有其他過渡金屬的許多特性,包括其他8組元素唯一osmium 。鐵形成在廣泛的氧化態中,-4至+7。鐵還形成許多協調化合物。其中一些人,例如二代二世二氧甲酸酯普魯士藍色,具有大量的工業,醫學或研究應用。

最值得注意的是,鐵是可以在放熱核合成中產生的最高原子數元素。

特徵

同素

在室溫下α鐵的摩爾體積與α鐵的壓力

至少四種鐵的同素異形(固體中不同的原子排列)是已知的,通常表示αγδε

前三個形式在普通壓力下觀察到。當熔融鐵冷卻超過其1538°C的冰點時,它結晶成其δ同形,該δ同素具有以身體為中心的立方(BCC)晶體結構。隨著它進一步冷卻至1394°C,它變成了其γ鐵同素異形體,面部中心(FCC)晶體結構或奧氏體。在912°C及以下時,晶體結構再次變成BCCα鐵同素異形體。

由於與關於地球岩心和其他行星的理論相關,因此也對鐵的物理特性也進行了廣泛的研究。在大約10 GPA和幾百kelvin或更少的溫度之上,α鐵將變成另一個六角形封閉式(HCP)結構,這也稱為ε鐵。較高的溫度γ期也會變成ε鐵,但在較高的壓力下進行。

一些有爭議的實驗證據存在於高於50 GPA的壓力和至少1500 K的溫度下的穩定β相。它應該具有正交性或雙HCP結構。 (令人困惑的是,當它從鐵磁變為順磁性時,“β-鐵”一詞有時也被用來指curie點上方的α-鐵,即使其晶體結構沒有變化。)

通常認為地球內核是由具有ε(或β)結構的鐵合金組成。

熔化和沸點

純鐵的低壓相圖

鐵的熔化和沸點以及其霧化的焓低於從scandium的早期3D元素的熔化點,顯示3D電子對金屬粘結的貢獻減少,因為它們被越來越吸引到惰性中。核心的核心;但是,它們的值高於先前元素錳的值,因為該元素具有半填充的3D子殼,因此其D電子不容易被脫落。唯一的趨勢也出現同樣的趨勢,但不是osmium

鐵的熔點在實驗上是針對小於50 GPA的壓力的良好定義。對於更大的壓力,已發布的數據(截至2007年)仍然因數十千萬·卡爾文而異。

磁性特性

9個鐵磁材料的磁化曲線,顯示飽和。 1。 板鋼,2。 矽鋼,3。 鑄鋼,4。 鎢鋼,5。 磁鐵鋼,6。 鑄鐵,7。 鎳,8。 鈷,9。 磁鐵礦

在其770°C(1,420°F; 1,040 K)的Curie點以下,α鐵從順磁性變為鐵磁:每個原子中兩個未配對的電子的旋轉通常與鄰居的自旋保持一致,形成整體磁場, 。之所以發生這種情況,是因為這兩個電子的軌道(D z 2和d x 2 - 。y 2 )並不指向晶格中的相鄰原子,因此不參與金屬鍵合。

在沒有磁場的外部來源的情況下,原子會自發地分配到磁性域中,大約有10微米,因此每個域中的原子都有平行的旋轉,但有些域具有其他方向。因此,一塊宏觀的鐵將具有接近零的總磁場。

外部磁場的應用會導致在相同的一般方向上磁化的域以相鄰的域而生長,而相鄰方向則朝其他方向指向,從而加強了外部場。在需要引導磁場以實現設計功能的設備中利用此效果,例如電動變壓器磁性記錄頭和電動機。雜質,晶格缺陷或晶粒和顆粒邊界可以“釘”新位置中的域,因此即使去除外部場之後,效果仍然存在 - 從而將鐵對像變成(永久)磁鐵

某些鐵化合物表現出類似的行為,例如礦物磁鐵礦,一種混合​​鐵(II,III)的晶體形式,包括礦物質磁鐵礦(II,III)Fe 3 O 4 (儘管原子尺度機制,即鐵磁性,但有些不同)。帶有天然永久磁化( Lodestones )的磁鐵礦塊為導航提供了最早的指南針。磁鐵礦的顆粒被廣泛用於磁記錄介質,例如核心記憶磁帶軟盤磁盤,直到將它們取代為基於的材料。

同位素

鐵具有四個穩定的同位素54 Fe(佔天然鐵的5.845%), 56 Fe (91.754%), 57 Fe(2.119%)和58 Fe(0.282%)。還創建了二十四個人工同位素。在這些穩定的同位素中,只有57 fe具有核自旋( -1⁄2 。從理論上講, Nuclide 54 Fe可以將雙電子捕獲54 Cr,但是從未觀察到該過程,並且僅建立了3.1×10 22年的半衰期的下限。

60 FE是長期壽命(260萬年)的滅絕放射性核素。它在地球上找不到,但其最終的衰減產物是其孫女,即穩定的核素60 ni 。過去的許多關於鐵的同位素組成的工作都集中在60 Fe的核合成上,通過研究隕石和礦石形成。在過去的十年中,質譜的進展允許對微小的穩定同位素比率自然發生的分鐘進行檢測和量化。儘管對生物和工業系統的應用正在出現,但這項工作的大部分是由地球行星科學社區驅動的。

在隕石semarkonaChervony kut的階段中, 60 Ni的濃度, 60 fe的孫女與穩定的鐵同位素的濃度之間的相關性,為在太陽能係統形成時存在60 fe的證據提供了證據。 。可能是60 fe衰減的能量以及26 Al釋放的能量,導緻小行星成立46億年前的小行星的重複和分化。外星材料中存在的60個NI的豐度可能會進一步了解太陽系的起源和早期歷史。

最豐富的鐵同位素56 Fe對核科學家特別感興趣,因為它代表了核合成的最常見終點。由於超新星核反應中的α過程中的較輕的核很容易產生56 Ni(14個α顆粒)(請參閱矽燃燒過程),因此它是極巨大恒星內融合鏈的終點,因為添加了另一個alpha粒子,因此導致了另一個alpha顆粒。在60 Zn中,需要更多的能量。這些56 NI的半衰期約為6天,在這些恆星中的數量創建,但很快就會在超新星衰變產品中連續兩次衰減,在超新星殘餘氣雲中,首先是放射性56 CO,然後是穩定56 fe。因此,鐵是紅色巨人核心中最豐富的元素,它是鐵隕石中最豐富的金屬,在地球等綠色的金屬金屬中。它在宇宙中也很常見,相對於其他大約相同原子重的穩定金屬。鐵是宇宙中第六大元素,也是最常見的難治性元素。

A graph of attenuation coefficient vs. energy between 1 meV and 100 keV for several photon scattering mechanisms.
鐵的光子質量衰減係數

儘管可以通過合成62 Ni的合成來提取進一步的微小能量增益,而62 Ni的結合能略高於56 Fe,但恆星中的條件不適合此過程。超新星中的元素產生極大地利用鐵比鎳的偏愛,無論如何,由於其較輕的質子的較高分數,因此56 fe的質量仍然低於62 ni。因此,比鐵重的元素需要一個超新星的形成,涉及啟動56 fe核的快速中子捕獲

在宇宙的遙遠未來中,假設沒有發生質子衰減,通過量子隧穿發生的冷融合會導致普通物質中的光核將其融合到56 fe核中。然後,裂變和α粒子的發射將使沉重的核腐爛成鐵,將所有恆星質量物體轉化為純鐵的冷球。

本質上的起源和發生

宇宙發生

鐵在像地球這樣的岩石行星中的豐富度是由於其在IA型超新星的失控融合和爆炸期間的大量產生,它將鐵散射到太空中。

金屬鐵

鐵隕石的拋光且化學蝕刻的片段,據信與地球的金屬芯相似,顯示了鐵尼克利合金的單個晶體( widmanstatten模式

金屬或天然鐵很少在地球表面發現,因為它傾向於氧化。但是,據信,地球的內芯外部芯總共佔整個地球質量的35%,主要由鐵合金組成,可能是。據信液體外芯中的電流是地球磁場的起源。據信,其他陸地行星水星金星火星)以及月球的金屬芯主要由鐵組成。 M型小行星也被認為部分是由金屬鐵合金製成的。

稀有的鐵隕石是地球表面上天然金屬鐵的主要形式。從尚未開發鐵冶煉的時候,已經在各種考古遺址中發現了由冷工隕石製成的物品。據報導,格陵蘭島因紐特人使用了約克角隕石公司的鐵來進行工具和狩獵武器。大約20個隕石中的大約1個由獨特的鐵尼克礦物陶瓷(35-80%鐵)和kamacite (90-95%鐵)組成。天然鐵也很少在與岩漿形成的玄武岩中發現,這些岩漿與富含碳富含碳的沉積岩接觸,這些岩石已經充分降低了氧氣散發性,足以使鐵結晶。這被稱為telluric鐵,並從幾個地區描述,例如西格陵蘭的Disko Island ,俄羅斯的Yakutia和德國的Bühl。

地幔礦物質

Ferropericlase (Mg,Fe)O是一種固體溶液(MGO)和Wüstite (Feo),約佔地球下層壁架體積的20%,這使其成為該區域第二大礦物相位矽酸鹽鈣鈦礦( mg,fe)Sio 3之後;它也是下層中鐵的主要宿主。在地幔的過渡區的底部,反應γ- (mg,fe) 2 [siO 4 ]↔(mg,fe)[siO 3 ] +(mg,fe)oγ-寡粒轉化為混合物矽酸鹽鈣鈦礦和鐵膠酶,反之亦然。在文獻中,下地幔的這個礦物相通常被稱為Magnesiowüstite。矽酸鹽鈣鈦礦最多可能形成下層的93%,而鎂鐵的形式(Mg,Fe)Sio 3被認為是地球上最豐富的礦物質,佔其體積的38%。

地球的地殼

羅西隆的ocher路

雖然鐵是地球上最豐富的元素,但大部分鐵集中在內部外部核心上。地殼中的鐵的比例僅約佔地殼整體質量的5%,因此僅是該層中第四大元素(氧氣之後)。

地殼中的大多數鐵與其他各種元素結合在一起,形成許多鐵礦物。一個重要的類是氧化鐵礦物質,例如赤鐵礦(Fe 2 O 3 ),磁鐵礦(Fe 3 O 4 )和Siderite (Feco 3 ),它們是鐵的主要礦石。許多火成岩還含有硫化物礦物黃鐵礦五角石。在風化過程中,鐵傾向於從硫酸鹽作為硫酸鹽和矽酸鹽沉積物作為碳酸氫鹽浸出。這兩者在水溶液中都被氧化,並在pH中升高為鐵(III)氧化物

明尼蘇達州麥金利公園的帶狀鐵形成

鐵的大沉積物是帶狀的鐵地層,一種岩石,由重複的薄氧化鐵層組成,與鐵貧窮的頁岩cher孔交替。在37億年前18億年前的時間,帶有帶狀的鐵層。

自前歷時以來,含有細磨鐵(III)或氧化氧化物(例如Ocher )的材料已被用作黃色,紅色和棕色顏料。它們也為各種岩石和粘土的顏色做出了貢獻,包括整個地質地層,例如俄勒岡州油漆丘陵Buntsandstein (“彩色砂岩”,British Bunter )。通過Eisensandstein侏羅紀的“鐵砂岩”,例如來自德國的Donzdorf )和英國的浴石,鐵化合物負責許多歷史建築和雕塑的淡黃色。火星表面的眾所周知的紅色來自富含氧化鐵的岩石

硫化鐵礦物黃鐵礦中發生了大量的鐵(FES 2 ),但很難從中提取鐵,因此沒有被利用。實際上,鐵是如此普遍,以至於生產通常僅集中在其數量很高的礦石上。

根據國際資源小組在社會報告中的金屬股票,社會上使用的鐵的全球股票為人均2,200公斤。在這方面,較發達的國家與欠發達國家(7,000–14,000 vs 2,000公斤)不同。

海洋

海洋科學證明了鐵在古老的海洋中的作用在海洋生物群和氣候中。

化學和化合物

氧化狀態 代表性化合物
-4(D 10 S 2 [fein 6- x n x ]
-2(D 10 二氨基四苯苯二甲酸酯(Collman的試劑)
-1(D 9 FE2(CO)2-8
0(D 8 鐵五核
1(D 7 環戊二烯基鐵dicarbonyl二聚體(“ FP 2 ”)
2(D 6 亞鐵硫酸鹽二革新
3(D 5 鐵氯化鐵鐵氟氟化合物
4(D 4 Fe(Diars)2Cl2+2,Feo(BF4)2
5(D 3 Feo3-4
6(D 2 鐵鉀鉀
7(D 1 [FEO 4 ] - (矩陣隔離,4K)

鐵顯示了過渡金屬的特徵化學特性,即形成可變氧化狀態的能力,其氧化狀態因一個步驟而有所不同,並具有很大的協調和有機金屬化的化學:實際上,這是鐵化合物二循環的發現,使後者革新了。 1950年代的田野。由於其豐度及其在人類技術進步中所起的巨大作用,有時將鐵視為整個過渡金屬塊的原型。它的26個電子以配置[AR] 3d 6 4s 2排列,其中3D和4S電子的能量相對接近,因此可以將許多電子電離。

鐵形成化合物主要在氧化狀態+2(鐵(II) ,“亞鐵”)和+3(鐵(III) ,“ firric”)中。鐵也發生在較高的氧化態,例如紫色(K 2 Feo 4 ),其中含有+6氧化狀態的鐵。陰離子[FeO 4 ] -在其+7氧化狀態下鐵以及鐵(V) - 過氧異構體,在激光燃燒的Fe原子與O 2的混合物結合後,在4 K處檢測到紅外光譜。 / ar。鐵(IV)是許多生化氧化反應中的常見中間體。許多有機化合物包含+1,0,-1甚至-2的形式氧化態。氧化態和其他鍵合特性通常使用Mössbauer光譜技術評估。許多混合價化合物都包含鐵(II)和鐵(III)中心,例如磁鐵礦普魯士藍Fe 4 (Fe [Cn] 63 )。後者用作藍圖中的傳統“藍色”。

鐵是無法達到其+8的群氧化狀態的第一個過渡金屬,儘管其較重的同源物luthenium和Osmium can可以,而ruthenium比Osmium更加困難。唯一在其低氧化狀態下表現出水性化學,類似於鐵的水,但osmium卻沒有,有利於其形成陰離子復合物的高氧化狀態。在3D過渡系列的後半部分,垂直的相似性與元素週期表中的鐵與鄰居的水平相似性競爭,在室溫下它們在室溫下也是鐵磁性的,並且具有相似的化學性質。因此,鐵,鈷和鎳有時被分組為鐵三合會

與許多其他金屬不同,鐵不與形成汞合金。結果,汞在用鐵製成的標準化76磅燒瓶(34公斤)中進行交易。

鐵是迄今為止最具反應性的元素。當細細胞分裂並輕鬆溶解在稀酸中時,它是發熱量的,得到了​​2+ 。然而,由於形成不透水的氧化物層,它與濃硝酸和其他氧化酸沒有反應,而氧化物層可能與鹽酸反應。由於其氧化物層,高純鐵(稱為電解鐵)被認為對生鏽具有抗性。

二進制化合物

氧化物和硫化物

亞鐵或鐵(II)氧化物, feo
鐵或鐵(III)氧化物Fe 2 O 3
鐵染色或鐵(II,III)氧化物Fe 3 O 4

鐵形成各種氧化物和氫氧化物化合物;最常見的是鐵(II,III)氧化物(Fe3O4)和鐵(III)氧化物(FE2O3)。鐵(ii)氧化物也存在,儘管在室溫下它不穩定。儘管有名字,但實際上它們都是所有非化學計量化合物,其組成可能會有所不同。這些氧化物是生產鐵的主要礦石(請參閱Bloomery和爆炸爐)。它們還用於生產鐵氧體,計算機中有用的磁性儲存介質和顏料。最著名的硫化物是鐵黃鐵礦(FES2),由於其金色的光澤,也稱為愚人的金。它不是鐵(IV)化合物,而是實際上是含有Fe2+和S2-2離子的鐵(II)多硫化物,中的氯化鈉結構中。

pourbaix

鹵化物

Some canary-yellow powder sits, mostly in lumps, on a laboratory watch glass.
水合鐵(III)氯化物(氯化鐵)

二元亞鐵和鐵鹵化物是眾所周知的。亞鐵鹵化物通常是由用相應的羥基酸處理鐵金屬的產生的。

Fe + 2 Hx→Fex 2 + H 2 (X = F,Cl,Br,I)

鐵與氟,氯和溴的反應產生相應的滷化鐵,氯化鐵是最常見的。

2 Fe + 3 x 2 →2 Fex 3 (x = f,cl,br)

碘化鐵是一個例外,由於Fe 3+的氧化能力和I-的高還原能力,因此在熱力學上不穩定。

2 I - + 2 Fe 3+ →I 2 + 2 Fe 2+ (E 0 = +0.23 V)

碘化鐵,黑色固體,在普通條件下不穩定,可以通過在己烷存在下與一氧化碳的反應來製備,並在-20°C的溫度下用氧氣和水排除在-20°C的溫度下。碘化鐵和某些軟鹼的複合物是穩定的化合物。

溶液化學

比較鐵酸酯溶液(左)和錳酸鹽(右)的顏色

下面給出了某些常見鐵離子的酸性水溶液中的標準還原電位

[Fe(H 2 O) 6 ] 2+ + 2 E- fe E 0 = -0.447 V
[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + E- ⇌[Fe(H 2 O) 6 ] 2+ E 0 = +0.77 V
FeO2-4 + 8 H3O + + 3 E- ⇌[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + 6 H 2 O E 0 = +2.20 V

紅紫色四面體鐵甲酸(VI)陰離子是如此強大的氧化劑,以至於將氨氧化為氮(n 2 ),並將水氧化為氧氣

4 FeO2-4 + 34 H2O→4 [Fe(H2O)6] 3+ + 20 OH- + 3 O2

淺紫色六角aquo複合物[fe(h 2 o) 6 ] 3+是一種酸,使得pH 0已完全水解:

[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ [fe(h 2 o) 5 (oh)] 2 + + h + k = 10 -3.05 mol dm -3
[Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2+ [Fe(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + + H + k = 10 -3.26 mol dm -3
2 [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ [Fe(H 2 O) 4 (OH)] 4+ 2 + 2H + + 2H 2 O k = 10 -2.91 mol dm -3
藍綠鐵(II)硫酸鹽七水合物

隨著pH升高為0,上述黃色水解物種形式,並且在2-3以上時,紅棕色含水鐵(III)氧化物從溶液中沉澱出來。儘管Fe 3+具有AD 5構型,但其吸收光譜不像Mn 2+具有其弱的,自旋的Forbiddend d – d頻段,因為Fe 3+具有較高的正電荷並且更偏振,從而降低了其能量配體對金屬電荷轉移吸收。因此,以上所有復合物均具有強烈的顏色,而單一的六角形離子除外,即使在近乎紫外線區域的電荷轉移中,頻譜也以頻譜為主。另一方面,淡綠鐵(II)六喹群離子[Fe(H 2 O) 6 ] 2+不會進行明顯的水解。當添加碳酸鹽陰離子時,二氧化碳不會進化,而是導致白鐵(II)碳酸鹽被沉澱出來。在二氧化碳過多的情況下,這形成了略微溶於碳酸氫鹽,通常發生在地下水中,但在空氣中迅速氧化以形成鐵(III)氧化物,該氧化物(III)氧化物是大量流中存在的棕色沉積物。

協調化合物

由於其電子結構,鐵具有非常大的配位和有機金屬化學。

鐵氧化離子的兩個映體

許多鐵的配位化合物是已知的。典型的六坐標陰離子是六氯酸酯(III),[FECL 6 ] 3- ,在混合四甲基四氯酸鹽(甲基銨)六氯酸酯(III)氯化物中發現。具有多個雙齒配體的複合物具有幾何異構體。例如,反式氯氫化折射(Bis-1,2-(二苯基磷酸)乙烷)鐵(II)複合物用作具有Fe( DPPE2部分的化合物的起始材料。帶有三個草酸鹽配體(右圖顯示)的氧化離子顯示螺旋手性,其兩個不可用的幾何形狀標記為左手螺釘軸和右手螺絲軸的λ (lambda),並與左手螺釘軸和Δ (delta)相符。 IUPAC公約。鐵氧化鉀用於化學陽離子儀,並及其鈉鹽經歷了在老式的照相過程中施加的光電量鐵(II)草酸鹽二氫酸鹽具有一個聚合物結構,其共面草酸根離子在鐵中心之間與位於每個八面體的帽的結晶水之間橋接,如下所示。

鐵(II)草酸二水合物的晶體結構,顯示鐵(灰色),氧(紅色),碳(黑色)和氫(白色)原子。
鐵(III)的血紅紅硫氰酸硫氰酸酯檢測(III)

鐵(III)複合物與(III)的複合物非常相似,除了鐵(III)對o-二氧化體而不是n個donor配體的偏愛。後者往往比鐵(II)複合物更不穩定,並且經常在水中解離。許多Fe – O配合物都表現出強烈的顏色,並用作對苯酚烯醇的測試。例如,在氯化鐵檢測中,用於確定苯酚的存在,鐵(III)氯化物與苯酚反應形成深紫色複合物:

3 AROH + FECL 3 →Fe(OAR) 3 + 3 HCl(AR = ARYL

在鹵化物和偽荷甲化合物中,鐵(III)的氟配合物是最穩定的,無色[Fef 5 (H 2 O)] 2-是水溶液中最穩定的。如[FECL 4 ] -中,氯酸複合物的穩定性較低,偏愛四面體配位。 [2月4日] -和[FEI 4 ] -很容易減少到鐵(II)。硫氰酸酯是對鐵(III)的存在的常見測試,因為它形成了血紅色[fe(scn)(h 2 o) 5 ] 2+ 。像錳(II)一樣,大多數鐵(III)配合物都是高旋轉的,例外是配體在諸如氰化物光譜化學系列中高的配體。低自旋鐵(III)複合物的一個例子是[Fe(CN) 6 ] 3- 。鐵顯示了各種各樣的電子自旋狀態,包括從0(磁磁)到5⁄2 5個未配對電子)的D塊元件的每個可能的自旋量子數值。該值始終是未配對電子的一半。零至兩個未配對電子的複合物被認為是低自旋的,而四個或五個的複合物被認為是高旋轉的。

鐵(II)複合物不如鐵(III)複合物穩定,但對o-二元配體的偏愛較少,因此例如[Fe(NH 36 ] 2+是知道的,而[Fe(NH 36 ] 3+不是。它們具有被氧化為鐵(III)的趨勢,但可以通過低pH和使用的特定配體來調節。

有機金屬化合物

鐵五角星 - 坎骨

有機鐵化學是對鐵的有機金屬化合物的研究,其中碳原子與金屬原子共價結合。它們很多,而且各種各樣,包括氰化物配合物羰基複合物三明治半桑德維奇化合物

普魯士藍

Prussian Blue或“鐵膠質苯胺”,Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 ,是一種古老而眾所周知的鐵氰化物配合物,廣泛用作顏料和其他幾種應用。它的形成可以用作簡單的濕化學測試,以區分Fe 2+的水溶液和Fe 3+的水溶液,因為它們與鐵氰化鉀甲酰基鉀的反應分別反應,形成普魯士藍。

有機鐵化合物的另一個舊例子是鐵五核酸鐵(CO) 5 ,其中中性鐵原子與五個碳原子的碳原子結合。該化合物可用於製造羰基鐵粉,這是一種高反應性的金屬鐵。鐵五核的熱解會產生Triiron DodecacarbonylFe 3 (CO) 12 ,該複合物在其核心處有三個鐵原子的簇。 Collman的試劑,四碳四苯二二鈉,是有機化學的有用試劑。它在-2氧化態中含有鐵。環戊二烯基鐵二碳二二聚體在稀有+1氧化態中含有鐵。

二革新和粉末樣品的結構公式

該領域的一個地標是1951年的發現,是帕森(Pauson)和凱利(Kealy)和米勒(Miller)和同事獨立獨立的穩定穩定的三明治化合物Ferrecene Fe(C 5 H 52的發現,其令人驚訝的分子結構僅在一年後由Woodward和Woodward和Woodward和威爾金森菲舍爾。二封末仍然是該類最重要的工具和模型之一。

以鐵為中心的有機金屬物種用作催化劑。例如, knölker絡合物轉移氫化催化劑。

工業用途

在工業規模最大的鐵化合物中,鐵(II)硫酸鐵(FESO 4 ·7 H 2 O )和鐵(III)氯化物(FECL 3 )。前者是鐵(II)最容易獲得的來源之一,但對空氣氧化的穩定性不如MOHR的鹽(NH 42 Fe(SO 42 ·2·6H 2 O )。鐵(II)化合物傾向於將空氣中的鐵(III)化合物氧化。

歷史

鐵冶金的開發

鐵無疑是古代世界所知的要素之一。它已經工作或鍛造了幾千年。然而,由於鐵腐蝕的易於使用,大年齡的鐵偽像比金或銀製成的物體要稀有得多。該技術發展緩慢,即使在發現冶煉了,鐵將銅取代作為工具和武器的首選金屬花了數百年。

氣象鐵

格陵蘭島的鐵魚叉頭。鐵邊緣使用來自Cape York Cape Aleteorite隕石鐵(隕石)是已知的最大鐵隕石之一的隕石。

Ga Wainwright在埃及的Gerzeh發現了公元前3500年或更早的象光珠。珠子含有7.5%的鎳,這是像徵起源的標誌,因為在地殼中發現的鐵通常只有微小的鎳雜質。

由於其起源於天堂,因此高度重視隕石,並且經常被用來偽造武器和工具。例如,在圖坦卡蒙墓中發現了一個由隕石製成的匕首,其中包含類似的鐵,鈷和鎳的比例,與在該地區發現的隕石中,由古老的流星淋浴沉積。埃及人可能是由鐵製成的物品的歷史可追溯到公元前3000至2500年。

隕石鐵具有相當柔軟,延性且易於冷鍛造,但由於含量而加熱時可能會變脆。

鍛鐵

A circle, with a short, simple arrow shape extending diagonally upwards and rightwards from its edge
自古代以來,火星的符號已被用來代表鐵。
A pillar, slightly fluted, with some ornamentation at its top. It is black, slightly weathered to a dark brown near the base. It is around 7 meters (23 feet) tall. It stands upon a raised circular base of stone, and is surrounded by a short, square fence.
德里的鐵支柱是印度早期鐵提取和加工方法的一個例子。

第一批鐵生產始於中等青銅時代,但花了幾個世紀的時間才取代青銅。來自敘利亞北部的阿斯馬爾,美索不達米亞和高大的夏加爾集市的冶煉鐵的樣品在公元前3000至2700年之間。赫蒂特人在公元前1600年左右在阿納托利亞中北部建立了一個帝國。他們似乎是第一個從礦石中了解鐵生產並在社會上高度評價的人。公元前1500年至1200年之間,赫梯人開始聞到鐵的味道,在公元前1180年帝國墮落後,這種做法蔓延到近東的其他地區。隨後的時期稱為鐵器時代

印度發現的冶煉鐵偽像的歷史可追溯到1800年至1200年,在左右的公元前約1500年(暗示在安納托利亞高加索地區冶煉)。所謂的參考文獻(比較南亞的冶金歷史)與印度吠陀經中的鐵相比,已被用來宣稱印度在印度的早期用法,以迄今為止的文本。 Rigveda術語AYAS (金屬)是指銅,而鐵被稱為ŚyāmaAyas ,實際上是“黑銅”,首先是在岩具有後rigvedic atharvaveda中提到的。

一些考古證據表明,早在公元前八世紀,津巴布韋和東南非洲就冶煉了鐵。在公元前11世紀後期,將鐵的工作引入了希臘,在整個歐洲,它迅速從中蔓延。

來自古希臘的鐵鐮刀

熨斗在中歐和西歐的傳播與凱爾特人的擴張有關。根據普林尼(Pliny)的說法,在羅馬時代,鐵的使用很常見。在現在被認為是中國的土地上,鐵似乎公元前700 - 500年。鐵冶煉可能已通過中亞引入中國。最早在中國使用爆炸爐的證據可以追溯到公元1世紀,而沖天爐早在交戰狀態時期就被使用(公元前403 - 221年)。在歌曲朝代期間,爆炸和沖天爐的使用仍然很普遍。

在英國的工業革命期間,亨利·科特(Henry Cort)開始使用創新的生產系統將鐵從生鐵鍛鐵(或酒吧鐵)精煉。 1783年,他為精煉鐵礦石的水坑過程申請了專利。後來,包括約瑟夫·霍爾(Joseph Hall)在內的其他人改進了它。

鑄鐵

鑄鐵是在公元前5世紀首次在中國生產的,但直到中世紀直到歐洲才生產。最早的鑄鐵工件是由現在的現代盧海格縣江蘇的考古學家發現的。鑄鐵在古代中國用於戰爭,農業和建築。在中世紀時期,在歐洲發現了使用鍛造的鑄鐵生產鑄鐵鍛鐵的手段。對於所有這些過程,需要木炭作為燃料。

1801年晚上,Coalbrookdale

中世紀的爆炸爐高約10英尺(3.0 m),由防火磚製成;通常由手動的波紋管提供強制空氣。現代的爆炸爐越來越大,直徑為14米的壁爐使它們每天生產數千噸鐵,但基本上的運行方式與中世紀時期幾乎相同。

1709年,亞伯拉罕·達比(Abraham Darby I)建立了一個可樂燃料的爆炸爐,以生產鑄鐵,以取代木炭,儘管繼續使用爆炸爐。隨之而來的廉價鐵的可用性是導致工業革命的因素之一。到18世紀末,鑄鐵開始以某些目的取代鍛鐵,因為它便宜。鐵中的碳含量並不是直到18世紀鍛鐵,鑄鐵和鋼的性質差異的原因。

由於鐵變得更便宜,更豐富,因此在1778年建立了創新的第一鐵橋之後,它也成為了主要的結構材料。今天,這座橋仍然是鐵中鐵在工業革命中所扮演的角色的紀念碑。此後,將鐵用於軌道,船隻,船隻,渡槽和建築物,以及蒸汽機中的鐵缸中。鐵路一直是現代性和進步思想的形成和各種語言的核心,將鐵路稱為鐵路(例如,法國化學雜誌,德國艾森巴恩,土耳其demiryolu ,俄羅斯,俄羅斯жResжtripemianжtripemianжtrimianжtrimianжupi和韓國鐵道,越南語ngsắt )。

鋼(碳含量比生鐵較小,但比鍛鐵還要多)是使用鮮花的古代生產的。西波斯的Luristan的鐵匠在公元前1000年製造出優質的鋼。然後,改進的版本,印度的Wootz鋼大馬士革鋼分別開發了公元前300年和公元500年。這些方法是專門的,因此鋼直到1850年代才成為主要商品。

在17世紀,在膠結過程中設計了通過滲入鐵桿來生產它的新方法。在工業革命中,設計了生產無木炭的棒鐵的新方法,然後將其應用於生產鋼。在1850年代後期,亨利·貝塞默(Henry Bessemer)發明了一種新的鋼製造工藝,涉及通過熔融生鐵吹氣以生產碳鋼。這使鋼變得更加經濟,從而導致不再大量生產鍛鐵。

現代化學基礎

1774年, Antoine Lavoisier在白熾的鐵管內使用了水蒸汽與金屬鐵的反應,以在他的實驗中產生,從而證明了質量的保存,這對從定性科學變為定量的化學方面具有重要的作用。

象徵性的角色

ICH GABGOLDFürEisen ” - “我為鐵送了黃金”。來自第一次世界大戰的德國裔美國胸針。

鐵在神話中起著一定的作用,並發現了作為隱喻民間傳說的各種用法。希臘詩人赫西奧德(Hesiod)作品和日子(第109-201行)列出了不同年齡的人,它以金屬,銀,青銅和鐵等金屬命名,以佔人類的連續年齡。鐵器時代與羅馬和奧維德的變態密切相關

絕望的美德辭去了地球;人的墮落變得普遍和完整。硬鋼成功了。

- OVID,變態,第一本書,鐵器時代,線160 ff

1813年的德國運動中可以找到鐵象徵性角色重要性的一個例子。弗雷德里克·威廉三世(Frederick William III)當時委託第一個鐵十字作為軍事裝飾。柏林鐵珠寶在1813年至1815年之間達到了其高峰產量,當時普魯士王室敦促公民向軍事資金捐贈黃金和銀珠寶。在以後的戰爭努力中,也使用了銘文ICH GABGOLDFürEisen(我給鐵的金)。

金屬鐵的生產

鐵粉

實驗室路線

出於一些有限的目的,在需要時,通過用氫還原純氧化物或氫氧化物,或形成鐵五核酸鐵並將其加熱到250°C,以使其分解以形成純鐵粉,從而在實驗室中生產純鐵。 。另一種方法是將氯化亞鐵解釋到鐵陰極上。

主要工業路線

鐵生產2009(百萬噸
國家 鐵礦 生鐵 直接鐵
中國 1,114.9 549.4 573.6
澳大利亞 393.9 4.4 5.2
巴西 305.0 25.1 0.011 26.5
日本 66.9 87.5
印度 257.4 38.2 23.4 63.5
俄羅斯 92.1 43.9 4.7 60.0
烏克蘭 65.8 25.7 29.9
韓國 0.1 27.3 48.6
德國 0.4 20.1 0.38 32.7
世界 1,594.9 914.0 64.5 1,232.4

如今,鐵或鋼的工業生產由兩個主要階段組成。在第一階段,鐵礦石在爆炸爐中用焦炭還原,熔融金屬與諸如矽酸鹽礦物等雜質的雜質分開。該階段產生合金 -生鐵,其中含有相對較大的碳。在第二階段,用氧化降低了生鐵中的碳量以產生鍛鐵,鋼或鑄鐵。可以在此階段添加其他金屬以形成合金鋼

爆炸爐加工

爆炸爐裝有鐵礦石,通常是赤鐵礦Fe 2 O 3磁鐵礦Fe 3 O 4 ,以及可樂(已分別烘烤以除去揮發性成分的)和通量石灰石或多粒石)。預熱至900°C的空氣“爆炸”(有時具有氧氣富集)被吹入混合物中,足夠量將碳變成一氧化碳

該反應將溫度提高到約2000°C。一氧化碳將鐵礦石降低到金屬鐵

爐的高溫下部區域中的一些鐵直接與可樂反應:

通量去除礦石中的矽膠礦物質,否則會堵塞爐子:爐子的熱量將碳酸鹽分解為氧化鈣,該碳酸鹽與任何多餘的二氧化矽反應形成由矽酸鹽Casio 3或其他產物組成的爐渣。在爐的溫度下,金屬和爐渣均熔融。它們作為兩個不混溶的液體層(頂部的爐渣)在底部收集,然後很容易分離。該爐渣可用作道路建設中的材料,也可以用來改善農業礦物質的土壤。

因此,鋼材製造仍然是CO 2排放量最大的工業貢獻者之一。

鋼材製造

高爐工藝生產的生鐵含有多達4–5%的碳(按質量),少量的其他雜質,例如硫,鎂,磷和錳。這種高水平的碳使其相對較弱和脆弱。將碳的量減少到0.002–2.1%會產生,這可能比純鐵硬。然後,可以通過冷工作熱滾動鍛造加工等來製作各種各樣的鋼製物品。清除生鐵的雜質,但留下2-4%的碳,導致鑄鐵,這是由鑄鐵鑄成的例如爐灶,管道,散熱器,燈柱和導軌。

鋼鐵產品被偽造後經常經過各種熱處理退火包括將它們加熱到700–800°C幾個小時,然後逐漸冷卻。它使鋼製柔軟,更可行。

直接減鐵

由於環境問題,已經開發了替代的加工鐵方法。 “直接鐵還原將鐵礦石減少到適合鋼製造的稱為“海綿”的鐵或“直接”鐵。兩個主要反應包括直接減少過程:

天然氣被部分氧化(用熱和催化劑):

然後,用這些氣體在爐中處理鐵礦石,產生固體海綿鐵:

如上所述,通過添加石灰石通量來去除二氧化矽

熱點過程

鋁粉和氧化鐵混合物的點火通過熱反應產生金屬鐵:

或者,可以將生鐵鐵製成鋼或鍛鐵(商業純鐵)或鍛鐵。為此使用了各種過程,包括鍛造水坑爐,貝塞姆轉換器開放式爐爐基本氧氣爐電弧形爐。在所有情況下,目標是將某些或全部碳以及其他雜質氧化。另一方面,可以添加其他金屬以製成合金鋼。

熔融氧化物電解

熔融氧化物電解使用鉻,鐵和其他金屬合金,這些金屬與氧氣和液態鐵陰極反應,而電解質是熔融溶解鐵礦的熔融金屬氧化物的混合物。電流保持電解質熔融,並減少氧化鐵。除了純液體鐵外,還生產了氧氣,可以出售以抵消部分成本。生產單元格大小可變,並且可能比常規爐小得多。唯一的二氧化碳排放來自用於加熱和減少金屬的電力。

申請

各種形式的鐵的拉伸強度(TS)和Brinell硬度(BH)的特徵值。
材料 TS(MPA) BH(Brinell)
鐵鬍鬚 11000
遞觀(硬化)鋼 2930 850–1200
馬氏體鋼 2070 600
貝恩氏鋼 1380 400
珠鋼 1200 350
冷工的 690 200
小穀物鐵 340 100
含碳的鐵 140 40
純單晶鐵 10 3

作為結構材料

鐵是所有金屬中最廣泛使用的,佔全球金屬生產的90%以上。它的低成本和高強度通常使其成為承受壓力或發射力的首選材料,例如機械和機床的建造,軌道汽車船體船體混凝土增強桿以及建築物的負載框架。由於純鐵非常柔軟,因此最常見的是與合金元素結合起來製成鋼。

機械性能

鐵及其合金的機械性能與它們的結構應用非常相關。這些特性可以通過各種方式進行評估,包括Brinell測試Rockwell測試Vickers硬度測試

純鐵的特性通常用於校準測量或比較測試。然而,鐵的機械性能受樣品的純度顯著影響:純的,鐵的單晶實際上比鋁柔軟,而最純的工業生產的鐵(99.99%)的硬度為20–30 brinell。純鐵(99.9%~99.999%),尤其是稱為電解鐵,是由電解煉油產生的。

碳含量的增加將導致鐵的硬度和拉伸強度顯著提高。儘管合金具有低拉伸強度,但使用0.6%的碳含量實現了65 R C的最大硬度。由於鐵的柔軟度,與其更重的同類士兵扁桃osmium相比,使用要容易得多。

鋼和合金的類型

鐵碳相圖

α鐵是一種相當軟的金屬,只能溶解少量的碳(在910°C下質量不超過0.021%)。奧斯丁岩(γ-鐵)類似地柔軟和金屬,但可以溶解更多的碳(在1146°C時質量為2.04%)。這種形式的鐵用於用於製作餐具以及醫院和食品服務設備的不銹鋼類型。

根據純度和豐富的添加劑對市售鐵進行分類。生鐵具有3.5–4.5%的碳,並含有不同量的污染物,例如,矽和。生鐵不是可售的產品,而是鑄鐵和鋼的生產中的中間步驟。對生物鐵的污染物的減少,影響材料特性(例如硫和磷)產生含有2-4%碳,1-6%矽和少量的鑄鐵。生鐵的熔點在1420–1470 K的範圍內,低於其兩個主要組件中的任何一個,並且使其成為將碳和鐵加熱時熔化的第一種產品。它的機械性能差異很大,並取決於碳在合金中的形式。

“白色”鑄鐵含有碳酸鹽或鐵碳化物(Fe 3 c)的形式的碳。這種堅硬的,脆性的複合物占主導地位的白色鑄鐵的機械性能,使它們堅硬,但毫不動搖。白色鑄鐵的破碎表面充滿了破碎的鐵碳化物的細麵,這是一種非常蒼白,銀色,閃亮的材料,因此是稱謂。將鐵與0.8%碳的混合物冷卻低於723°C的混合物至室溫,從而形成了單獨的,交替的水泥岩和α-鐵,它們柔軟且可延展,並以其外觀稱為珠光體。另一方面,快速冷卻不允許時間進行這種分離,並創造堅硬而脆弱的馬氏體。然後,可以通過將鋼的溫度加熱到珍珠石和馬氏體的比例來調節鋼。低於0.8%的碳含量的最終產物是珍珠石-αFE混合物,而碳含量高於0.8%的含量是珍珠岩質地混合物。

灰鐵中,碳作為單獨的細片存在,並且由於石墨的鋒利薄片而產生材料中的應力濃度位點,因此使材料變脆。一種新的灰鐵的變體,稱為延性鐵,專門用痕量的治療,以改變石墨形狀到球體或結節,從而降低了應力濃度並大大增加了材料的韌性和強度。

鍛鐵含有少於0.25%的碳,但大量爐渣具有纖維狀特徵。這是一種堅硬的,可延展的產品,但不如生鐵那麼熔。如果磨練邊緣,它會很快失去。鍛鐵的特徵是夾著金屬中的礦渣纖維的存在。鍛鐵比鋼更具耐腐蝕性。它幾乎完全被傳統的“鍛鐵”產品和鍛造產品碳鋼完全取代。

低碳鋼比鍛鐵更容易腐蝕,但更便宜且廣泛使用。碳鋼含有2.0%或更少的碳,含量少量和矽。合金鋼含有不同量的碳以及其他金屬,例如,鎳,等。它們的合金含量會提高成本,因此通常僅用於專家用途。但是,一種常見的合金鋼是不銹鋼。最新的亞鐵冶金生產的發展產生了越來越多的微合金鋼,也稱為“ HSLA ”或高強度的低合金鋼,其中包含很小的添加劑,可產生高強度,並且通常以最低的成本以壯觀的韌性產生壯觀的韌性。

具有高純度元素化妝的合金(例如電解鐵的合金)具有特異性增強的特性,例如延展性拉伸強度韌性疲勞強度,耐熱性和耐腐蝕性。

除了傳統的應用外,鐵還用於防止電離輻射。儘管它比另一種傳統的保護材料輕,機械上要強得多。輻射的衰減與能量的函數顯示在圖中。

鐵和鋼的主要缺點是,純鐵,其大多數合金,即使不受某種方式保護的生鏽,造成了嚴重的損失,成本佔世界經濟的1%以上。繪畫鍍鋅鈍化,塑料塗料和藍圖都用於通過排除和氧或通過陰極保護來保護鐵免受鏽蝕。鐵生鏽的機制如下:

陰極:3 O 2 + 6 H 2 O + 12 E - →12 OH--
陽極:4 Fe→4 Fe 2+ + 8 E- ; 4 Fe 2+ →4 Fe 3 ++ 4 E-
總體:4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O→4 Fe 3+ + 12 OH - →4 Fe(OH) 3或4 Feo(OH) + 4 H 2 O

電解質通常是城市地區的鐵(II)硫酸鹽(在大氣中二氧化鐵攻擊鐵時形成)和海濱地區大氣中的鹽顆粒。

催化劑和試劑

由於FE是廉價且無毒的,因此已經為基於FE的催化劑和試劑的開發而付出了很多努力。但是,鐵在商業過程中比更昂貴的金屬不太普遍。在生物學中,含有鐵的酶無處不在。

傳統上,鐵催化劑用於Haber -Bosch工藝中,用於生產氨和Fischer -Tropsch工藝,用於將一氧化碳轉化為燃料和潤滑劑的碳氫化合物。酸性培養基中的粉狀鐵用於Bechamp還原硝基苯轉化為苯胺

鐵化合物

鐵(III)鋁粉混合的氧化物可以點燃,以產生一種熱反應,用於焊接大型鐵零件(如軌道)和淨化礦石。鐵(III)氧化物和氧化氧化物用作紅色和ocher顏料

鐵(iii)氯化物發現在水淨化和污水處理,布料染色,作為油漆中的著色劑,作為動物飼料中的添加劑,並用作印刷電路板製造中的。它也可以溶解在酒精中以形成鐵的tin劑,該鐵被用作停止在金絲雀中流血的藥物。

鐵(II)硫酸鹽用作其他鐵化合物的前體。它也用於減少水泥中的鉻酸鹽。它用於加強食物和治療缺水貧血鐵(III)硫酸鹽用於在水箱水中解決微小的污水顆粒。鐵(II)氯化物用作還原絮凝劑,在鐵配合物和磁氧化物的形成中以及有機合成中的還原劑。

硝化鈉是一種用作血管擴張劑的藥物。它在世界衛生組織的基本藥物清單上。

生物學和病理角色

生命需要鐵。鐵 - 硫簇普遍存在,包括負責生物氮固定的氮素酶。含鐵蛋白參與氧氣的運輸,儲存和使用。鐵蛋白參與電子轉移

血紅素B的簡化結構;在蛋白質中,附加配體附著在Fe上。

較高生物體中含鐵蛋白的實例包括血紅蛋白,細胞色素(請參閱高價值鐵)和過氧化氫酶。成年人類的平均體重約為鐵的體重,或大約四克,其中四分之三在血紅蛋白中 - 儘管每天只有大約一毫克鐵被吸收,但由於人體會循環循環其血紅蛋白,但仍保持恆定的水平對於鐵含量。

鐵(II)的氧化或鐵(III)的氧化可以幫助微生物生長。

生物化學

鐵採集對有氧生物構成了一個問題,因為鐵鐵在中性pH值附近可溶。因此,這些生物已經開發出一種吸收鐵作為複合物的方法,有時會吸收鐵鐵,然後將其氧化回鐵鐵。特別是,細菌已經進化出了非常高親和力的隔離藥物,稱為鐵載體

在人類細胞中攝取後,精確調節鐵儲存。該調節的一個主要組成部分是蛋白質轉移蛋白,該蛋白質結合了從十二指腸吸收的鐵離子,並將其在血液中攜帶到細胞中。轉鐵蛋白在扭曲的八面體的中間包含Fe 3+ ,粘合到一個氮,三個氧和螯合碳酸鹽陰離子,可捕獲Fe 3+離子:它具有很高的穩定性常數+離子甚至來自最穩定的複合物。在骨髓,轉鐵蛋白從Fe 3+和Fe 2+還原,並作為鐵蛋白儲存,以摻入血紅蛋白中。

最常見和研究的生物無機鐵化合物(生物鐵分子)是血紅素蛋白:例子是血紅蛋白肌紅蛋白細胞色素P450 。這些化合物參與運輸氣體,建造和傳輸電子金屬蛋白是一組具有金屬離子輔因子的蛋白質。鐵金屬蛋白的一些例子是鐵蛋白魯布雷蛋白。許多對生命至關重要的酶都含有鐵,例如過氧化氫酶脂氧酶IRE-BP

血紅蛋白是一種氧載體,發生在紅細胞中並貢獻其顏色,將動脈中的氧氣從肺部傳遞到轉移到肌紅蛋白的肌肉中,該肌肉將其儲存到肌紅蛋白,直到需要它來代謝葡萄糖的代謝氧化,從而產生能量的氧化。 。在這裡,血紅蛋白與氧化後產生的二氧化碳結合,該葡萄糖被氧化時產生,該葡萄糖通過血紅蛋白(主要是碳酸氫鹽陰離子)通過靜脈傳輸的,回到呼出的肺部。在血紅蛋白中,鐵是四個血紅素組之一,有六個可能的配位部位。四個被卟啉環中的氮原子佔據,在連接到血紅素基團的一個蛋白質鏈的組氨酸殘基中,咪唑氮由咪唑氮佔據第五,第六次保留用於它可以可逆地結合的氧分子。當血紅蛋白未連接到氧氣(然後稱為脫氧血紅蛋白)時,血紅素基團中心的Fe 2+離子(在疏水蛋白內部)處於高旋轉構型中。因此,它太大了,無法安裝在卟啉環內,該卟啉環將其彎曲成圓頂,上面有Fe 2+離子約55個皮儀。在這種配置中,為氧氣保留的第六個配位位點被另一個組氨酸殘基阻塞。

當脫氧血紅蛋白拾取氧分子時,該組氨酸殘基會移開並返回一旦氧氣牢固地附著以與其形成氫鍵。這導致Fe 2+離子切換到低自旋構型,導致離子半徑降低了20%,因此現在它可以適應卟啉環,該卟啉環成為平面。 (此外,這種氫鍵導致氧分子的傾斜,導致Fe – O -O鍵角約120°,避免形成Fe – O -O -Fe或Fe – O 2 - Fe – O 2 –Fe橋到電子轉移,將Fe 2+的氧化化為Fe 3+ ,並破壞了血紅蛋白。)這會導致所有蛋白質鏈的運動,導致血紅蛋白的其他亞基變化形狀,形成具有較大氧親和力的形式。因此,當脫氧血紅蛋白吸收氧氣時,其對更多氧氣的親和力反之亦然。另一方面,肌紅蛋白僅包含一個血紅素組,因此不可能發生這種合作效應。因此,儘管在肺中發現的高氧氣壓力中,血紅蛋白幾乎被氧氣飽和,但其對氧氣的親和力遠低於肌紅蛋白的氧氣,即使在肌肉組織中發現的低氧氣壓力下,肌紅蛋白也會氧氣氧氣。如Bohr效應(以Niels Bohr的父親Christian Bohr的名字命名)所描述的那樣,在存在二氧化碳的情況下,血紅蛋白的氧親和力降低。

人類羧基血紅蛋白的血紅素單位,顯示頂端的羰基配體,轉移到組氨酸殘基

一氧化碳三氟磷對人有毒,因為它們與氧氣相似,但強度更高,因此不能再在整個體內運輸氧氣。與一氧化碳結合的血紅蛋白稱為羧基血紅蛋白。這種作用在氰化物的毒性中也起著較小的作用,但主要影響是迄今為止其乾擾電子轉運蛋白細胞色素a的正常功能。細胞色素蛋白也涉及血紅素基團,並參與氧的代謝氧化。然後,另一個咪唑氮或蛋氨酸硫佔領第六個配位位點,因此這些蛋白在很大程度上被粘合到氧氣中- 除了直接與氧氣結合的細胞色素A,因此很容易被氰化物中毒。在這裡,電子轉移發生時,由於鐵保持低自旋,但+2和+3氧化狀態之間發生變化。由於每個步驟的降低勢略大於前一個步驟,因此逐步釋放能量,因此可以存儲在三磷酸腺苷中。細胞色素A略有不同,因為它發生在線粒體膜上,直接與氧結合,並運輸質子和電子,如下所示:

4 cytc2 + + o2 + 8h +內部→4 CYTC3 + + 2 H2O + 4H +外部

儘管血紅素蛋白是最重要的含鐵蛋白類別,但鐵硫蛋白也非常重要,參與電子轉移,這是可能的,因為鐵可以在+2或+3氧化狀態下穩定存在。它們具有一個,兩個,四個或八個鐵原子,每個原子大約四面體與四個硫原子協調。由於這種四面體協調,它們始終具有高旋轉鐵。最簡單的化合物是魯布雷德蛋白,它只有一個鐵原子與周圍肽鏈中半胱氨酸殘基的四個硫原子配位。鐵 - 硫蛋白的另一類是鐵蛋白,它們具有多個鐵原子。轉鐵蛋白不屬於這兩個類中的任何一個。

貽貝通過在富含蛋白質的角質層中使用有機金屬的鐵鍵來促進海貽貝維持對海洋岩石的握力的能力。基於合成複製品,這些結構中鐵的存在增加了彈性模量770次,拉伸強度58次,韌性92倍。永久損害它們所需的壓力增加了76倍。

營養

飲食

鐵無處不在,但特別豐富的飲食鐵包括紅肉牡蠣豆類家禽魚類葉蔬菜豆瓣豆腐黑帶糖蜜麵包早餐穀物有時會用鐵加固。

飲食補充劑提供的鐵通常被發現為鐵(II)富馬酸酯,儘管鐵(II)硫酸鹽較便宜並且吸收得同樣好。元素鐵或減少的鐵僅在效率(相對於硫酸鐵)的三分之一到三分之二的吸收,但經常被添加到早餐穀物或富集麥粉等食物中。螯合到氨基酸時,鐵最可用於人體,也可以用作常見的鐵補充劑甘氨酸是最便宜的氨基酸,最常用於生產糖粉補充劑。

飲食建議

美國醫學研究所(IOM)更新的估計平均需求(EAR)和建議的飲食津貼(RDA)在2001年。當前14-18歲婦女的鐵耳朵為7.9 mg/day,為19-50歲的19- 10歲的8.1和5.0此後(更年期後)。對於男性,19歲及以上的年齡為6.0毫克/天。 RDA為15-18、18.0的RDA為19-50和8.0的婦女為15.0 mg/天。對於男性,19歲及以上的8.0毫克/天。 RDA高於耳朵,以確定將覆蓋高於平均需求的人的金額。懷孕的RDA為27毫克/天,哺乳期為9 mg/天。對於1-3歲的兒童7毫克/天,為4-8歲的10歲兒童和9-13歲的8歲兒童。至於安全性,在證據足夠的情況下,IOM還為維生素和礦物質設定了可耐受的上層攝入水平(ULS)。在鐵的情況下,UL設置為45 mg/天。耳朵,RDA和ULS總共稱為飲食參考攝入量

歐洲食品安全局(EFSA)將集體信息集作為飲食參考價值,而不是人口參考攝入(PRI),而不是RDA,而平均需求而不是EAR。 AI和UL定義與美國相同。對於女性,PRI的年齡為13毫克/天15-17歲,年齡較大的婦女為16毫克/天,絕經前和11毫克/天的絕經後。對於懷孕和泌乳,16毫克/天。對於男性,PRI為11毫克/天的15歲及以上。對於1至14歲的兒童,PRI從7毫克/天增加到11毫克。除懷孕外,PRI高於美國RDA。 EFSA審查了同樣的安全問題並未建立UL。

如果嬰兒是奶牛牛奶,則可能需要鐵補充劑。頻繁的獻血者面臨低鐵水平的風險,通常建議補充其鐵攝入量。

對於美國食品和飲食補充標籤的目的,該份量中的數量表示為每日價值的百分比(%dv)。出於鐵的標記目的,每日值的100%為18 mg,截至2016年5月27日,以18 mg的速度保持不變。在參考每日攝入量時,提供了舊的和新成人每日值的表。

不足

鐵缺乏症是世界上最常見的營養缺乏症。當鐵損失無法通過足夠的飲食鐵的攝入量充分補償時,會發生潛在的鐵缺乏狀態,隨著時間的流逝,如果未治療,這會導致鐵缺陷貧血,其特徵是紅細胞數量不足,量不足。血紅蛋白。兒童,絕經前婦女(育齡婦女)和飲食不佳的人最容易受到這種疾病的影響。大多數鐵缺陷性貧血的病例是溫和的,但如果沒有治療,可能會引起諸如快速或不規則心跳,懷孕時並發症以及嬰兒和兒童的生長延遲的問題。

由於鐵通過血腦屏障緩慢運輸,大腦對急性鐵缺乏症具有抗性。鐵狀態的急性波動(由血清鐵蛋白水平標記)不能反映腦鐵的狀態,但懷疑延長營養鐵缺乏症會隨著時間的推移降低腦鐵的濃度。在大腦中,鐵在氧轉運,髓磷脂合成,線粒體呼吸以及作為神經遞質合成和代謝的輔助因子中起作用。營養鐵缺乏症的動物模型報告了類似於帕金森氏病和亨廷頓氏病的動物分子變化。但是,與年齡相關的鐵在大腦中的積累也與帕金森氏症的發展有關。

過量的

鐵吸收受人體的嚴格調節,人體沒有受調節的生理手段排泄鐵。由於粘膜和皮膚上皮細胞的裂縫,每天僅損失少量鐵,因此對鐵水平的控制主要是通過調節攝取來實現的。由於遺傳缺陷的結果,某些人的調節受到了損害,該缺陷映射到染色體6上的HLA-H基因區域,並導致肝素較低水平,這是鐵的關鍵調節劑,這是鐵進入循環系統中循環系統中鐵的關鍵調節劑哺乳動物。在這些人中,過度的鐵攝入會導致鐵超負荷疾病,從醫學上稱為血色素瘤病。許多人對鐵超載的遺傳敏感性未被診斷,並且不知道該問題的家族史。因此,除非鐵缺乏症並諮詢醫生,否則不應服用鐵補充劑。據估計,血色素症是高加索人所有代謝疾病的0.3-0.8%的原因。

過量攝入的鐵會導致血液中過量的游離鐵。高血液的游離亞鐵與過氧化物反應,產生高反應性的自由基,這些自由基會損害DNA蛋白質脂質和其他細胞成分。當細胞含有游離鐵時,鐵毒性就會發生,當鐵水平超過轉鐵蛋白以結合鐵時,通常會發生這種毒性。對胃腸道細胞的損害也可以防止它們調節鐵吸收,從而進一步增加血液水平。鐵通常會損害心臟肝臟和其他地方的細胞,從而導致不良反應,包括昏迷代謝性酸中毒休克肝衰竭凝結蛋白病,長期器官損傷甚至死亡。當鐵每公斤體重超過20毫克時,人類會經歷鐵毒性;每公斤60毫克被認為是致命劑量。鐵的過度消費通常是兒童吃大量用於成人食用的硫酸亞鐵片的結果,是六歲以下兒童中最常見的毒理學死亡原因之一。飲食參考攝入量(DRI)以45毫克/天的成年人將可耐受的上攝入水平(UL)設定。對於14歲以下的兒童,UL為40毫克/天。

鐵毒性的醫療管理很複雜,可以包括使用稱為脫氧胺的特定螯合劑來結合和排出人體多餘的鐵。

多動症

一些研究表明,低丘腦鐵水平可能在ADHD的病理生理中起作用。一些研究人員發現,補充鐵可以有效,尤其是在該疾病的不專心亞型中。一項研究還表明,鐵可能能夠降低用多動症藥物治療期間心血管事件的風險。

2000年代的一些研究人員提出,血液中的鐵和多動症低水平之間有聯繫。 2012年的一項研究發現沒有這種相關性。

癌症

鐵在癌症防禦中的作用可以描述為“雙刃劍”,因為它在非病理學過程中存在普遍存在。接受化學療法的人可能患上鐵缺乏症和貧血,為此,靜脈注射鐵治療用於恢復鐵水平。鐵超負荷可能是由於紅肉的高消耗而發生的,可能會引發腫瘤的生長並增加對癌症發作的敏感性,尤其是對大腸癌的敏感性。

海洋系統

鐵在海洋系統中起著至關重要的作用,可以充當浮游活性的限制營養素。因此,鐵的減少太多可能導致浮游植物(例如矽藻)的生長速率降低。在鐵含量高且氧氣低的條件下,鐵也可以用海洋微生物氧化。

鐵可以通過毗鄰的河流進入海洋系統,直接從大氣中進入海洋系統。一旦鐵進入海洋,就可以通過海洋混合併在細胞水平上進行回收,將其分佈在整個水柱中。在北極,海冰在海洋中的儲藏和分佈中起著重要作用,在冬季凍結時會耗盡海洋鐵,並在夏季解凍時將其釋放回水中。鐵循環可以使鐵的形式從水性變為顆粒形式,從而改變了鐵對主要生產者的可用性。發光和溫暖增加會增加主要生產者可用形式的鐵量。

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