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铁

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此条目页的主題是化學元素「鐵」。关于人體必需的營養素，請見「鐵質」。
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铁 26Fe
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
-
↑
铁
↓
钌
锰 ← 铁 → 钴
外觀
金屬：淺灰色至銀白色


鐵的光譜線
概況
名稱·符號·序數铁（Iron）·Fe·26
元素類別過渡金屬
族·週期·區8·4·d
標準原子質量55.845(2)
电子排布[Ar] 3d6 4s2
2, 8, 14, 2
铁的电子層（2, 8, 14, 2）
铁的电子層（2, 8, 14, 2）
歷史
物理性質
物態固體
密度（接近室温）
7.873 g·cm−3
熔点時液體密度6.98 g·cm−3
熔点1808 K，1535 °C，2795 °F
沸點3343 K，3070 °C，5558 °F
熔化热13.81 kJ·mol−1
汽化热340 kJ·mol−1
比熱容25.10 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1728 1890 2091 2346 2679 3132
原子性質
氧化态−4、−2、−1、0、+1[1]、+2、+3、+4、+5[2]、+6、+7[3]
（兩性）
电负性1.83（鲍林标度）
电离能第一：762.5 kJ·mol−1
第二：1561.9 kJ·mol−1
第三：2957 kJ·mol−1
（更多）
原子半径126 pm
共价半径132±3（低自旋），152±6（高自旋） pm
铁的原子谱线
雜項
晶体结构體心立方
磁序鐵磁性
居里点1043 K
電阻率（20 °C）96.1n Ω·m
熱導率80.4 W·m−1·K−1
膨脹係數（25 °C）11.8 µm·m−1·K−1
聲速（細棒）（室溫）（電解）
5120 m·s−1
杨氏模量211 GPa
剪切模量82 GPa
体积模量170 GPa
泊松比0.29
莫氏硬度4
維氏硬度608 MPa
布氏硬度490 MPa
CAS号7439-89-6
同位素
主条目：铁的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
54Fe 5.85% 穩定，帶28粒中子
55Fe syn 2.73 y ε 0.231 55Mn
56Fe 91.75% 穩定，帶30粒中子
57Fe 2.12% 穩定，帶31粒中子
58Fe 0.28% 穩定，帶32粒中子
59Fe syn 44.503 d β− 1.565 59Co
60Fe trace 2.6×106 y β− 3.978 60Co

鐵（拼音：tiě，注音：ㄊ丨ㄝˇ，粤拼：tit3；英語：Iron），是一種化學元素，化學符號为Fe（源于拉丁語：Ferrum），原子序數为26，原子量為55.845 u，属于第一列過渡元素，位在週期表的第8族。依質量計，是在地球上是佔比最多的元素，為地球外核和內核的主要成分。它也是地殼中含量第四多的元素。

地殼中的純鐵十分稀少，基本上只存在於隕石中。鐵礦的蘊藏量相當豐富，但要提煉出可用的鐵金屬，需要可以達到1500 °C以上的窯或爐，比冶煉銅的溫度還要高500 °C。僅在公元前2000年左右，人類開始在歐亞大陸導入這一製程，大約在公元前1200年，鐵在某些地區開始取代銅合金，作為工具或武器，這個事件被認為是從青銅時代過渡為鐵器時代，歷史上的一些帝國由此技術的突破而誕生。由於其機械性能和低成本，鐵合金（如鋼、不銹鋼和合金鋼）是到目前為止仍是最常見的工業金屬。

平滑的純鐵表面為如鏡面般的銀灰色，但鐵容易與氧和水反應，產生棕色或黑色的水合氧化铁，俗稱鐵鏽。不同於其它金屬的氧化物可以鈍化金属，鐵鏽的體積大於原本的铁，容易剝落，露出新的表面并繼續被鏽蝕。虽然铁容易反应，但电解产生的高纯铁有较好的抗腐蚀性。

一個成年人的身體含有約4公克（0.005％的體重）的鐵，主要分布在血基質和肌紅素。這兩種蛋白質在脊椎動物代謝中扮演極為重要的角色，前者負責在血液中運送氧氣，而後者則承擔起在肌肉中儲藏氧氣的責任。為了維持人體中鐵的恆定及代謝，需要從飲食中攝取足量的鐵。鐵也是許多氧化還原酶的活性位置上的金屬，其涉及細胞呼吸作用及植物和動物的氧化還原反應。[4]

在化學上，鐵最常見的氧化態為二價鐵離子和三價鐵離子。鐵具有其他過渡金屬的特性，包括了其他第8族元素、釕和鋨。鐵可形成各種氧化態的化合物（-2到+7）。鐵也可形成多種錯合物，例如：二茂鐵、草酸鐵離子及普魯士藍，具有大量的工業、醫學及研究應用。

物理性质

纯鐵是有光澤、较软、有延展性的銀白色金屬，密度7.873 g/cm3，熔點為1535℃，沸點为3070℃。[5]它有很強的鐵磁性，並有良好的可塑性（英语：Formability）和導熱性。日常生活中的铁通常含有碳因而暴露在氧气中容易在遇到水的情况下发生电化学腐蚀，而纯度（英语：Fineness）较高的铁则不易腐蚀[6]。

同素异形体

主条目：铁的同素异形体
α-铁在室温下的摩尔体积与压力的关系

铁有四种已知的同素异形体，它们的名称通常表示为α、γ、δ和 ε。

在低压下，铁的相图

前三种铁的同素异形体可以在常压下存在。当液态的铁冷却到1538 °C以下时，它会结晶成体心立方晶系的δ-铁。继续冷却到1394 °C时，它会变成面心立方晶系的γ-铁（奥氏体）。到了912 °C以下，铁又会变成体心立方晶系的α-铁。[7]

因为与地球和其它行星核心的理论相关，铁在非常高的压力和温度下的物理特性得到了广泛研究[8][9]。在约10 GPa和低温下，α-铁会转变成六方最密堆积结构的ε-铁（英语：hexaferrum）。高温下的γ-铁也会转变成ε-铁，不过需要更高的压力。

有争议的实验证据称在50 GPa以上的压力和至少1500 K的温度下存在稳定的β相。它应该具有正交晶系或六方最密堆积结构。[10] （令人困惑的是，“β-铁”有时也用来指居里点以上，从铁磁性变为顺磁性的α-铁，但其晶体结构其实没有改变。）[11]

科学家通常假定地球内核由ε相（或β相）的铁镍合金组成。[12]

熔点和沸点

铁的熔点、沸点和原子化焓（英语：enthalpy of atomization）都低于早期的3d元素——钪到铬，显示3d电子对金属键的贡献随着原子核越来越大而被吸引而减少。[13]然而，锰的这些数据都低于铁，因为它具有半充满的3d亚电子层，因此d电子不容易离域。这个现象也出现在钌中，但没出现在锇中。[7]

铁在低于50GPa的压力下的熔点已通过实验测量。对于更大的压力，截至2007年公布的数据仍然存在巨大的差异。[14]

磁性

9种铁磁性材料的磁化曲线，显示磁场强度H大到一定程度时会发生磁饱和。1. 钢板、2. 硅钢、3. 铸钢、4. 钨钢、5. 磁钢、6. 铸铁、7. 镍、8. 钴、9. 磁铁矿[15]

在居里点770 °C（1,420 °F；1,040 K）以下，α-铁会从顺磁性转变成铁磁性。铁原子有两个不成对电子，它们的自旋通常会和周围电子的自旋一样，产生磁场。[16]这两个电子的轨道dz2和dx2 − y2不指向晶格中的其它原子，因此不参与金属键。[11]

在没有外部磁场的情况下，铁原子会自发形成大小约10微米的磁畴。[17]磁畴中的原子的磁矩方向保持一致，但每个磁畴的磁矩方向都不一样，抵消了其它磁畴的磁场，所以大块铁的磁场几乎为零。[18]

外部磁场会使所有磁畴的磁矩指往一个方向，从而增强外部磁场。这可以用来改变物体的磁场，并在变压器、磁储存和电动机中得到应用。杂质和晶格缺陷可以使磁畴固定在那个方向，从而使铁制品移除外部磁场后仍有磁性，变成永久磁铁。[16]

同位素

主条目：铁的同位素

铁有四种稳定同位素，分别是54Fe（丰度5.845%）、56Fe（91.754%）、57Fe（2.119%）和58Fe（0.282%）。铁除了这些稳定同位素以外还有24种人造同位素。稳定同位素中只有57Fe有自旋（−1⁄2）。54Fe理论上可以双电子捕获（英语：double electron capture）成54Cr，但该过程仍未被观察到，半衰期下限3.1×1022年。[19]

60Fe是有长半衰期（260万年）的绝种同位素（英语：extinct radionuclide）。[20]它已经全部衰变成稳定的60Ni，所以已经不存在于地球。[19]过去关于铁同位素组成的大部分研究都集中在60Fe的核合成。质谱法的进步使我们可以检测和量化铁的稳定同位素比率的微小变化。[21]

对陨石Semarkona和Chervony Kut里的60Ni（60Fe的衰变产物）丰度和铁的稳定同位素的丰度研究表明太阳系形成时存在60Fe。在46亿年前小行星形成之后，60Fe和26Al的衰变产生的能量可能使它们重新熔化和分异。太阳系星体中的60Ni丰度可以使我们进一步了解太阳系的起源和早期历史。[22]

铁最常见的同位素56Fe因为是核合成最常见的终点，所以是核科学家感兴趣的对象。[23]因为56Ni（由14个α粒子聚变而成）可通过超新星的氦核作用 （见硅燃烧过程）合成，而再加多一个α粒子产生60Zn需要吸收能量，所以56Ni是第三星族星核聚变的终点。半衰期六天的56Ni会被大量产生，但很快就会在超新星遗迹中先衰变成有放射性的56Co，再衰变成稳定的56Fe。这使得铁成为红巨星核心里最常见的元素，也是铁陨石和像地球这样的类地行星的核心中最常见的金属。[24]相较于其它原子量相近的元素，铁很常见。[24][25]它是宇宙中第六丰富的元素，也是最常见的耐火元素。[26]

虽然62Ni有比56Fe略高的结合能，但恒星的条件无法合成62Ni。超新星比起合成镍更倾向于合成铁，而且因为质子占比更大，使得56Fe的每个核子的平均质量低于62Ni。[27]比铁重的元素都需要超新星通过56Fe的r-过程合成。[24]

在遥远未来，如果质子不会衰变，那么量子隧穿效应会使比56Fe轻的原子核都聚变成56Fe，而比56Fe重的原子核则会通过自发裂变和α衰变衰变成56Fe。最终，所有有恒星质量的物体都会变成冰冷的铁球。[28]

分布

铁是地球上分布最广的金属之一。约占地壳质量的5.1%，居元素分布序列中的第四位，仅次于氧、硅和铝。

在自然界，游离态的铁只能从陨石中找到，而分布在地壳中的铁都以化合物的状态存在。铁的主要矿石有：赤铁矿(Fe2O3)，含铁量在50%~60%之间；磁铁矿(Fe3O4)，含铁量60%以上，有亚铁磁性，此外还有褐铁矿(Fe2O3·nH2O)、菱铁矿(FeCO3)和黄铁矿(FeS2)，它们的含铁量低一些，但比较容易冶炼。

宇宙

因为Ia超新星核聚变和爆发向太空喷出了大量的铁，所以铁在类地行星中大量存在。[29][30]

化学性质和化合物

主条目：铁化合物
氧化態 代表化合物
−2（d10） 四羰基铁酸二钠（Collman試劑）
−1（d9） Fe
2(CO)2−
8
0（d8） 五羰基铁
1（d7） 二羰基环戊二烯基铁二聚物（英语：Cyclopentadienyliron dicarbonyl dimer）（"Fp2"）
2（d6） 硫酸亚铁、二茂铁
3（d5） 氯化铁、四氟硼酸二茂铁
4（d4） Fe(diars)
2Cl2+
2、四氟硼酸氧化铁(IV)（英语：Iron(IV) oxytetrafluoroborate）
5（d3） FeO3−
4
6（d2） 高铁酸钾
7（d1） [FeO4]–（基质隔离，4K）

铁是典型的过渡金属，可以形成多种氧化态，且有许多配合物和有机金属化合物。1950年代，铁化合物二茂铁的发现彻底改变了有机金属化学。[31]出于其丰度和在人类的技术进步中发挥的作用，铁可看作是所有过渡金属的原型。[32]

铁主要的氧化态为+2（二价铁、亚铁）和+3（三价铁）。铁也有更高的氧化态，如紫色的高铁酸钾（K2FeO4），其中铁的氧化态为+6。虽然有人声称合成出了含有+8氧化态的四氧化铁（FeO4），但该合成无法重现，而且计算表明含+8氧化态的铁的化合物不存在。[33]不过，含有+7氧化态铁的[FeO4]–已在4 K下通过红外光谱检测到。[34]铁(IV)是许多生物氧化反应的中间体。[35][36]在有机铁化合物中，铁的氧化态可以达到+1、0、−1甚至是−2。铁化合物的氧化态和成键性质可用穆斯堡尔谱评估。[37]铁也有很多混合价态化合物，它们同时含有铁(II)和铁(III)，如四氧化三铁和普鲁士蓝（Fe
4(Fe[CN]
6)
3）。[36]普鲁士蓝是蓝图中蓝的来源。[38]

虽然在铁下方的8族元素钌和锇都可以达到+8氧化态，但铁不能。[11]钌在水溶液中仍有和铁类似的地方，但锇在水溶液中则以高氧化态含氧酸盐存在。[11]铁、钴和镍在室温下都有铁磁性，而且化学性质相似，因此它们有时合称为铁系元素。[32]

铁和大部分金属不同，它不会和汞形成汞齐，因此汞都是用铁烧杯交易的。[39]铁是8族元素中最活泼的元素。铁粉会自燃，易溶于稀酸中并产生Fe2+。不过，铁和浓硝酸和其它氧化性酸反应会产生氧化物钝化层，所以不会进一步反应。这层氧化物钝化层仍然会和盐酸反应。[11]

具有金属单质的通性，能与非金属单质、酸、盐等反应。

铁在氧气中燃烧后生成四氧化三铁

在高温下，铁可以与水蒸汽反应，生成四氧化三铁和氢气。

铁元素可以形成3种氧化物，分别是氧化亚铁（FeO），氧化铁（Fe
2O
3），和四氧化三铁（Fe
3O
4）（FeO·Fe
2O
3）。

铁和非氧化性酸反应得到Fe2+（亚铁离子，浅绿色），和氧化性酸反应得到Fe3+（铁离子，黄色），铁在浓硫酸和浓硝酸中钝化。

铁加热、加压下可以和一氧化碳反应得到羰基化合物：

铁和氯气反应（点燃）得到三氯化铁，而和硫反应（加热）只能得到硫化亚铁：

[40]

铁和Fe3+反应得到Fe2+：

[41]

历史

铁是古代就已知的金属之一。铁矿石是地壳主要组成成分之一，铁在自然界中分布极为广泛，但人类发现和利用铁却比黄金和铜要迟。首先是由于天然的单质状态的铁在地球上非常稀少，而且鐵容易氧化生锈，加上鐵的熔点（1812K）又比铜（1356K）高得多，使得鐵比铜难于熔炼。

人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石，陨石中含铁的百分比很高，是铁和镍、钴等金属的混合物，在融化铁矿石的方法尚未问世，人类无法大量获得生铁的时候，铁一直被视为一种带有神秘性的最珍贵的金属。

铁的发现和大规模使用，是人类发展史上的一个里程碑，它把人类从石器时代、青铜器时代带到了铁器时代，推动了人类文明的发展。至今铁仍然是现代化学工业的基础，人类进步所必不可少的金属材料。

名称由来

铁，化学符号Fe的来源是拉丁文名称Ferrum。

《說文解字》：「鐵，黑金也。从金，𢧤聲。銕，古文鐵，从夷。」

生产

单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿（Fe2O3）和磁铁矿（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），一氧化碳和礦石內的氧化铁作用就生成金属铁。

以上反应都是可逆反应，所产生的一氧化碳浓度越大越好，要使反应进行完全必须在800度以上进行。

实验室制法

在实验室里，少量纯铁可以通过用氢气还原纯氧化铁或氢氧化铁而成，或是由五羰基铁在250 °C下热分解而成。[42]它也可由氯化亚铁用铁阴极电解而成。[43]

铝热反应

主条目：铝热法

铁也可以通过铝热反应得到：[44]

用途

建材

铁是用处最广的金属，占了全球金属生产量的90%。铁的低成本和高强度使它成为承受压力或传递力的首选材料，如机床、铁轨、汽车、船体、钢筋和建筑的承重框架。纯铁较软，因此铁通常会和其它金属混合，形成合金。[45]

催化剂

生产氨的哈伯法和把一氧化碳转化成碳氢化合物的费托合成都需要铁催化剂。[46]铁粉的酸性溶液则是贝尚还原反应中把硝基苯还原成苯胺的还原剂。[47]铁催化剂在把生物质转化成燃料[48]、合成精细化学品[49][50]、燃料电池[51]以及危险化学品无害化[52][53][54][55]中发挥着至关重要的作用。

铁化合物

铝热剂（氧化铁和铝粉的混合物）可用于焊接铁轨。[56][57]三氯化铁用于水净化、污水处理、布料染色、动物饲料添加剂和印制电路板的蚀刻。[58]三氯化铁的乙醇溶液可以止金丝雀的血。[59]

硫酸亚铁可以生产其它铁化合物。它也用于还原水泥中的铬酸盐，对食物营养强化和治疗缺铁性贫血。硫酸铁则用于沉淀水池中的微小颗粒。氯化亚铁是絮凝剂，也是有机合成的还原剂。[58]

对生物的影响

主条目：生物学中的铁（英语：Iron in biology）

生命需要铁。[4][60][61]可以固氮的固氮酶中含有铁硫簇。含铁蛋白质参与了氧气的运输和储存，[4]还参与了电子转移。[62]

血红素B的结构

含铁蛋白质包括血红蛋白、细胞色素和过氧化氢酶。[4][63]成年人体内含约四克的铁，其中有四分之三以血红蛋白形式存在。虽然人每天只吸收了一毫克的铁，[62]但因为人体会回收血红蛋白中的铁[64]，所以人体的铁含量一直保持恒定。

铁(II)的氧化或铁(III)的还原可能有助于微生物生长。[65]

参见

參考文獻

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