鐵的基礎(chǔ)知識鐵是人類文明發(fā)展的重要基石，從古代工具到現(xiàn)代工業(yè)的核心元素。目錄基礎(chǔ)概念歷史、位置、豐度、同位素物理與化學(xué)性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)、磁性、化學(xué)反應(yīng)化合物與應(yīng)用氧化物、冶煉、工業(yè)用途、生物作用未來發(fā)展與環(huán)境第一部分：鐵的概述化學(xué)元素元素符號Fe，原子序數(shù)26關(guān)鍵特性銀白色金屬，具磁性，高熔點歷史意義鐵的歷史1鐵器時代約公元前1200年始2中國冶鐵春秋戰(zhàn)國時期（公元前770-221年）3工業(yè)革命18世紀，鐵生產(chǎn)技術(shù)突破4現(xiàn)代鋼鐵鐵在元素周期表中的位置第四周期主要過渡金屬1第八族與鈷、鎳同族2d區(qū)元素電子構(gòu)型[Ar]3d?4s23過渡金屬可變價態(tài)，形成配合物鐵在地殼中的豐度4.7%地殼豐度質(zhì)量百分比2金屬排名僅次于鋁5.5%地球總質(zhì)量主要分布于地核35%地核成分地核主要成分鐵的同位素同位素豐度特性鐵-545.8%穩(wěn)定鐵-5691.72%最穩(wěn)定，核聚變產(chǎn)物鐵-572.1%穆斯堡爾效應(yīng)重要同位素鐵-580.28%最重穩(wěn)定同位素第二部分：鐵的物理性質(zhì)1外觀特性銀白色有光澤金屬2力學(xué)性能高強度、韌性、可塑性3熱學(xué)特性高熔點、導(dǎo)熱性良好4電磁特性鐵磁性、導(dǎo)電性鐵的基本物理性質(zhì)熔點1538°C沸點2862°C密度7.87g/cm3常溫下固態(tài)鐵磁性居里點770°C原子質(zhì)量55.845u原子半徑126pm鐵的晶體結(jié)構(gòu)α-鐵(體心立方)910°C以下鐵磁性γ-鐵(面心立方)910°C-1390°C順磁性δ-鐵(體心立方)1390°C-1538°C順磁性鐵的同素異形體α-鐵低溫穩(wěn)定形式，含碳量低1γ-鐵中溫穩(wěn)定，可溶解更多碳2δ-鐵高溫形式，熔點前相變3ε-鐵高壓下六方密堆積結(jié)構(gòu)4鐵的磁性鐵磁性室溫下自發(fā)磁化居里點轉(zhuǎn)變770°C時轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判怨I(yè)應(yīng)用電機、變壓器、永磁材料鐵的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性電導(dǎo)率1.0×10?S/m銅的六分之一熱導(dǎo)率80.4W/(m·K)中等導(dǎo)熱性應(yīng)用電熱設(shè)備電子元件第三部分：鐵的化學(xué)性質(zhì)鐵的化學(xué)活性電極電勢Fe2?/Fe:-0.44VFe3?/Fe2?:+0.77V還原性能還原氫離子弱于堿金屬和堿土金屬氧化性Fe3?可氧化I?、Cu?等Fe3?/Fe2?為重要氧化還原對鐵的常見氧化態(tài)0價(單質(zhì))銀白色金屬態(tài)+2價(亞鐵)淺綠色，易被氧化+3價(鐵)黃褐色，較穩(wěn)定+6價(鐵酸)紫色，強氧化性鐵與氧氣的反應(yīng)緩慢氧化4Fe+3O?→2Fe?O?粉末燃燒發(fā)出明亮火花鋼絲燃燒1000°C以上迅速氧化鐵銹形成需氧氣、水、電解質(zhì)共同作用鐵與酸的反應(yīng)鐵與水的反應(yīng)常溫反應(yīng)極其緩慢表面鈍化高溫反應(yīng)紅熱鐵與水蒸氣3Fe+4H?O→Fe?O?+4H?應(yīng)用水煤氣反應(yīng)制氫方法鐵的置換反應(yīng)原理活潑金屬置換活潑性弱金屬經(jīng)典反應(yīng)Fe+CuSO?→FeSO?+Cu現(xiàn)象藍色溶液變淺綠，表面沉積紅銅應(yīng)用金屬活動性順序檢測第四部分：鐵的重要化合物氧化物系列FeO、Fe?O?、Fe?O?氫氧化物Fe(OH)?、Fe(OH)?硫化物、鹵化物FeS、FeCl?、FeCl?配合物亞鐵氰化鉀、高鐵血紅蛋白氧化鐵系列氧化亞鐵(FeO)黑色粉末，不穩(wěn)定三氧化二鐵(Fe?O?)紅棕色粉末，最穩(wěn)定四氧化三鐵(Fe?O?)黑色，強磁性氧化亞鐵（FeO）物理特性黑色粉末，熔點1377°C1化學(xué)性質(zhì)易氧化為Fe?O?或Fe?O?2制備方法碳酸亞鐵高溫分解3應(yīng)用顏料、陶瓷著色劑4三氧化二鐵（Fe?O?）α-Fe?O?赤鐵礦，紅棕色，最穩(wěn)定γ-Fe?O?磁赤鐵礦，褐色，磁性應(yīng)用顏料、拋光劑、催化劑、磁性材料四氧化三鐵（Fe?O?）基本特性黑色固體，強磁性鐵的混合氧化物(FeO·Fe?O?)自然存在磁鐵礦，重要鐵礦海洋生物導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域磁性材料、催化劑醫(yī)學(xué)成像、數(shù)據(jù)存儲氫氧化鐵系列氫氧化亞鐵Fe(OH)?灰綠色沉淀易被氧化氫氧化鐵Fe(OH)?紅褐色膠狀沉淀兩性氫氧化物轉(zhuǎn)化關(guān)系4Fe(OH)?+O?+2H?O→4Fe(OH)?受氧氣影響明顯氫氧化亞鐵Fe(OH)?1制備Fe2?+2OH?→Fe(OH)?↓2特性灰綠色沉淀，空氣中迅速氧化變褐3反應(yīng)性溶于酸，形成亞鐵鹽氫氧化鐵Fe(OH)?制備Fe3?+3OH?→Fe(OH)?↓特性紅褐色膠體沉淀，帶負電荷兩性溶于酸（形成鐵鹽）和強堿（形成亞鐵酸鹽）應(yīng)用水處理絮凝劑，色譜分離鐵的硫化物鐵的碳化物Fe?C（滲碳體）鋼鐵硬度來源2形成條件高溫碳與鐵結(jié)合顯微結(jié)構(gòu)奧氏體、珠光體、萊氏體鐵的鹵化物化合物顏色特性FeCl?淡綠色易溶于水FeCl?棕黃色強酸性，強氧化性FeBr?淡黃色吸濕性FeI?灰綠色易氧化鐵的配合物亞鐵氰化鉀黃色結(jié)晶，K?[Fe(CN)?]鐵氰化鉀紅色結(jié)晶，K?[Fe(CN)?]普魯士藍深藍色顏料，F(xiàn)e?[Fe(CN)?]?第五部分：鐵的冶煉與生產(chǎn)鐵礦開采露天或地下開采冶煉提純高爐煉鐵，轉(zhuǎn)爐煉鋼加工成型鑄造、鍛造、軋制深加工合金化、熱處理鐵礦石的種類赤鐵礦Fe?O?，含鐵量高達70%磁鐵礦Fe?O?，含鐵量72%，磁性褐鐵礦2Fe?O?·3H?O，含鐵量低菱鐵礦FeCO?，含鐵量48%高爐煉鐵原理裝料鐵礦石、焦炭、石灰石鼓風(fēng)熱風(fēng)通過風(fēng)口進入還原CO+Fe?O?→2Fe+3CO?出鐵生鐵和爐渣分離煉鋼的基本方法轉(zhuǎn)爐法吹氧去除雜質(zhì)生產(chǎn)效率高電爐法電弧加熱鋼鐵適合特種鋼平爐法燃料加熱熔煉傳統(tǒng)方法，使用減少鐵的提純方法化學(xué)提純碳熱還原法，純度中等電解提純電解精煉，純度高區(qū)域熔煉逐段結(jié)晶，去除雜質(zhì)真空熔煉高溫真空環(huán)境，去除氣體雜質(zhì)第六部分：鐵的應(yīng)用建筑業(yè)機械制造交通運輸電子電器其他領(lǐng)域鐵在工業(yè)中的應(yīng)用機械制造機床、發(fā)動機、工業(yè)設(shè)備管道系統(tǒng)輸油、輸氣、給排水儲存容器壓力容器、儲罐鐵在建筑業(yè)中的應(yīng)用高層建筑鋼結(jié)構(gòu)框架，高強度支撐橋梁工程大跨度結(jié)構(gòu)，高承載力住宅建筑鋼筋混凝土，增強抗震能力特殊建筑體育場館，大型公共設(shè)施鐵在交通運輸中的應(yīng)用鐵在日常生活中的應(yīng)用廚房用品鍋具、餐具、器皿堅固耐用，導(dǎo)熱性好家具配件門窗框架、家具骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，承重能力強園藝工具鋤頭、鏟子、園藝剪硬度高，易于維護鐵在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用醫(yī)療器械手術(shù)刀、針具、診斷設(shè)備植入物骨釘、人工關(guān)節(jié)、支架醫(yī)用磁體核磁共振成像(MRI)醫(yī)療設(shè)施治療床、手術(shù)臺、護理設(shè)備第七部分：鐵與生命血液成分血紅蛋白中心元素氧氣運輸連接并釋放氧分子能量產(chǎn)生細胞呼吸關(guān)鍵成分免疫功能支持免疫系統(tǒng)運作鐵是人體必需的微量元素4g成人體內(nèi)總量70%在血紅蛋白中8-18mg每日需求量女性需求高于男性15%飲食吸收率血紅素鐵吸收率高1-2mg日均損失量通過皮膚、消化道排出鐵在血紅蛋白中的作用1血紅蛋白結(jié)構(gòu)每分子含4個亞基，每個亞基含1個鐵離子2氧氣結(jié)合Fe2?可逆結(jié)合O?分子3氧氣運輸從肺部到全身組織4二氧化碳回收輔助運輸部分CO?鐵在酶中的作用細胞色素電子傳遞鏈組分呼吸作用必需過氧化物酶分解H?O?防止氧化損傷脂肪酸去飽和酶脂肪代謝合成必需脂肪酸鐵的缺乏與過量缺鐵性貧血疲勞、蒼白、頭暈、免疫力下降鐵過載血色素沉著癥，肝臟、心臟損傷鐵平衡調(diào)節(jié)通過腸吸收和儲存調(diào)節(jié)鐵代謝疾病遺傳性血色素沉著癥、珠蛋白病食物中的鐵第八部分：鐵的環(huán)境效應(yīng)生態(tài)循環(huán)微生物參與鐵元素轉(zhuǎn)化鐵細菌在水循環(huán)中的作用環(huán)境污染采礦和冶煉產(chǎn)生廢料酸性礦山排水問題環(huán)境修復(fù)零價鐵用于污染物降解鐵基材料用于水處理鐵在自然界的循環(huán)巖石風(fēng)化釋放鐵離子1生物吸收植物和微生物利用2沉淀固定形成鐵礦物3還原溶解厭氧條件下轉(zhuǎn)化為Fe2?4鐵與水體富營養(yǎng)化限制性營養(yǎng)元素海洋浮游植物生長限制因子促進藻類生長鐵肥施加可刺激藻類繁殖碳封存潛力海洋鐵肥增加CO?吸收鐵銹與環(huán)境保護銹蝕危害結(jié)構(gòu)損壞，資源浪費綠色防銹環(huán)保涂料，生物基抑制劑鐵銹再利用催化劑，環(huán)境修復(fù)材料第九部分：鐵的未來發(fā)展新材料高強度、輕量化鐵基合金綠色冶煉低碳排放鐵冶煉工藝能源應(yīng)用鐵電池、燃料電池催化劑生物醫(yī)學(xué)可降解植入物，藥物遞送新型鐵基材料1高強鋼超高強度，高韌性2形狀記憶合金變形后加熱恢復(fù)原形3非晶態(tài)鐵合金無晶界，軟磁性優(yōu)異4高熵合金多元素等比例，性能優(yōu)異納米鐵技術(shù)零價納米鐵環(huán)境修復(fù)，降解污染物磁性納米鐵靶向藥物遞送，磁共振造影納米多孔鐵高效催化，氣體分離鐵基超導(dǎo)體2008發(fā)現(xiàn)年份鐵砷系首個鐵基超導(dǎo)體55K最高臨界溫度鐵硒系超導(dǎo)體2超導(dǎo)家族排名僅次于銅氧化物~100已知鐵基超導(dǎo)體研究仍在快速發(fā)展鐵在可再生能源中的應(yīng)用鐵流電池大規(guī)模能源存儲，環(huán)保風(fēng)力發(fā)電渦輪機組件，高強度支架氫能源制氫催化劑，燃料電池組件總結(jié)未來發(fā)展新材料，綠色工藝，跨領(lǐng)域應(yīng)用2廣泛應(yīng)用工業(yè)，建