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1、铁元素的介绍F0511003班，李奇崎，5051109079摘要：铁是当今的第一大金属，铁制品已渗透到生活的方方面面。本文就简要地介绍了铁元素及其单质、化合物的性质。关键词：铁元素 铁单质 铁的化合物0.引言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，而且它容易氧化生锈，加上它的熔点（1812K）又比铜（1356K）高得多，就使得它比铜难于熔炼。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，人类不可能大量
2、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。 在约公元前1500年左右，埃及和美索不达米亚开始有炼铁业。至公元前1000年左右，铁器才基本上从日常用具中排挤了铜器而占统治地位。我国是发现和掌握炼铁技术最早的国家。1973年在我国河北省出土了一件商代铁刃青铜钺，表明我国劳动人民早在3300多年以前就认识了铁，熟悉了铁的锻造性能，识别了铁与青铜在性质上的差别，把铁铸在铜兵器的刃部，加强铜的坚韧性。经科学鉴定，证明铁刃是用陨铁锻成的。随着青铜熔炼技术的成熟，逐渐为铁的冶炼技术的发展创造了条件。我国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交时期出现的。这从江苏六合县春秋墓出土的铁条、铁丸，和河南洛
3、阳战国早期灰坑出土的铁锛均能确定是迄今为止的我国最早的生铁工具。生铁冶炼技术的出现，它对封建社会的作用与蒸汽机对资本主义社会的作用可以媲美。铁的发现和大规模使用，是人类发展史上的一个光辉里程碑，它把人类从石器时代、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。铁的化学符号Fe来自它的拉丁文名称Ferrum，铁的英文名称是Iron。1.铁元素左面是铁元素的基本性质示意图，除此图介绍之外，铁天然存在四种同位素：54Fe、56Fe、57Fe、58Fe，其中丰度最大的是56Fe，为91.66%。铁现在还有一些人工合成的同位素，其中最常用于示踪
4、研究工作的是55Fe和59Fe，55Fe是通过54Fe（n，r）合成的，半衰期2.7d，衰变方式为轨道电子俘获，以其能释放出最高能量为5.6keV的软X射线和较长半衰期而成为生物学研究中的理想示踪原子。2.单质2.1概述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，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%至60%之间；磁铁矿Fe3O4,含铁量60%以上，有磁性，此外还有褐铁2Fe2O3.3H2O、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。
5、我国的铁矿资源非常丰富，著名的产地有湖北大冶、东北鞍山等。生物体中也含铁，每人平均含铁量为4.5g左右，地下水中也含铁。铁是有光泽的银白色金属，硬而有延展性，熔点为1535C沸点3000C，有很强的铁磁性，并有良好的可塑性和导热性。铁分为生铁、熟铁和钢三类。生铁含碳量在1.7%至4.5%之间，生铁坚硬耐磨，可以浇铸成型，如铁锅、火炉等。所以又称为铸铁。生铁没有延展性，不能锻打。熟铁含碳量在0.1%以下，近似于纯铁，韧性很强，可以锻打成型，如铁勺、锅炉等，所以又叫锻铁。钢的基本成分也是铁，但钢的含碳量比熟铁高，比生铁低，在0.1%至1.7%之间。钢兼具有生铁和熟铁的优点，即刚硬又强韧。铁能在高温
6、下吸收氢生成固溶体。在温度高于800时铁能与少量氮反应，但反应速度很慢，在温度超过400时很容易与氨气反应，生成Fe2N，这是钢铁表面氮化生成硬保护膜层的反应原理。铁容易和大多数非金属在适当高温下反应生成二元化合物。铁与氧的反应取决于反应条件。新还原出来的微细铁粉在空气中就会自燃，块状铁在温度超过150时在干燥空气中就开始氧化，在过量氧气中生成的主要产物是Fe2O3和Fe3O4，高于575和低氧空气中则主要氧化产物为FeO。铁与硫或磷反应时放出大量的热，分别生成FeS和Fe3P。卤素则可在较低温度（约200）与铁反应，氟、氯和溴与铁反应生成Fe（）化合物FeX3，而碘只生成Fe（）化合物FeI
7、2。 从铁的标准电极电势看，铁是个中等活泼的金属，单质铁在酸性溶液中是一种还原剂，而在碱性溶液中则是一种更强的还原剂。依照铁的电极电势在电位序中的位置，它可以从稀酸中置换出氢气，能从铜（）盐溶液中置换铜，本身转化成铁（）盐。氧化性酸，如硝酸、冷稀酸仍可与铁生成铁而铁（）盐，但热浓酸只能生成铁（）盐，在冷的浓硫酸或浓硝酸中会发生“钝化”而不与之继续反应。铁与许多金属有一重要差别，即不容易形成汞齐。铁在高于500时可以快速地同水蒸气反应放出氢气，温度低于570时生成的氧化物是Fe3O4,而高于？时则生成FeO,二氧化碳同样能与铁反应生成这两种氧化物（取决于温度条件），铁粉还能在一定条件下与一氧化碳
8、反应生成挥发性的剧毒化合物五羰合铁Fe(CO)5。铁的锈蚀是铁与空气和水发生作用生成水和氧化物的过程，锈蚀是一种电化学过程。反应如下：O2+2H2O+4-4OH- 2Fe2 Fe2+4-此时溶液中的Fe2+和OH-在氧气的作用下便生成了黄棕色的水和氧化铁（）沉淀物铁锈。防止铁器生锈的方法之一是在表面涂刷阻锈剂，如氢氧化钠、磷酸钠或铬酸钾溶液，还有一种“磷酸盐化处理”，是将铁器浸置在磷酸锰或磷酸锌溶液中，使铁表面生成一层磷酸铁保护层。还有一种防锈的方法是在铁表面遮镀上一层其它金属，如镀锌铁、镀锡铁等。涂刷红铅漆或油漆也是常用的方法。2.2铁的制备1）生铁的生产 从铁矿提取铁的第一步是在高炉中生产
9、铁或铸铁，一般的高炉其高度约为100英尺，直径约为25英尺，由耐火砖砌成，外包以钢板。从炉底通过喷嘴吹入预热的压缩空气（或富氧空气和柴油），从炉顶装入预先烧结的氧化铁和焦炭混合物，并掺入了石灰石。焦炭在空气中燃烧供给热量和一氧化碳。这样一来，高炉的下半部分就变得很热，将由氧化铁还原而产生的铁熔化而沉入高炉的底部。矿石和炭混合物继续由炉顶沉入热区“。每隔一定时间将熔化的铁从炉底排放出来，并从每次排放出来的熔铁表面上除掉炉渣。从炉顶排出的多余一氧化碳可用于预热鼓入炉中的压缩空气，使其温度达到800左右，高炉渣可用于生产建筑材料和炉渣水泥。高炉内主要反应为： 3Fe2O3 + CO2Fe3O4 +C
10、O2 Fe3O4 + 4CO3Fe + 4CO2 Fe2O3 + CO2FeO + CO22.）钢的生产 在碱性炼钢法中是在空气中除去生铁中的可氧化杂质。氧气可以通过不同的方式引入熔化的生铁中，在转炉法中是从转炉底部的气孔中鼓入空气，杂质被氧化产生的高温足以使金属保持熔化。用真空脱气的方法除去钢中的气态杂质和非金属杂质。在这一处理过程中将在高真空下熔化；此法对于生产高可锻型钢和高合金钢是特别有利的。3）纯铁的制备 纯铁可用氢还原纯氧化铁或氢氧化铁来制备，也可将五羰合铁气化并在250左右使之分解可得到不含任何杂质的微细粉末状纯铁，将这种纯铁在高真空下煅烧可以除去残留在铁中的痕量碳和氧，它们以一氧
11、化碳的形式被除去。3.铁的化合物在一般条件下，铁的常见氧化态是+2和+3，在很强的氧化条件下，铁可以呈现不稳定的+6氧化态。还原性是氧化数为+2的铁的化合物的特征化学性质。3.1铁（）的重要化合物3.1.1氢氧化亚铁在亚铁溶液中加入碱，开始能生成白色胶状沉淀氢氧化亚铁，但很容易被空气中的氧气氧化成红色的氢氧化铁沉淀。氢氧化亚铁一般不显酸性，但在浓碱中可生成Fe(OH)66-3.1.2硫酸亚铁 硫酸亚铁是比较重要的亚铁盐，它是一种含有七个结晶水的浅绿色晶体FeSO4.7H2O，俗称绿矾。它在农业上用作农药，主治小麦黑穗病，在工业上用作染色，制造蓝黑墨水和木材防腐、除草剂和饲料添加剂等。1）制备
12、硫酸亚铁的制备方法有以下几种：工业上用氧化黄铁矿FeS2的方法制取硫酸亚铁： 2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4或由Fe2O3制取Fe2(SO4)3，由Fe2(SO4)3和Fe的氧化还原反应制取硫酸亚铁：Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2OFe2(SO4)3 + Fe = 3FeSO4将铁屑溶于稀硫酸或用硫酸清洗钢铁表面所得的废液中都可以得到副产品硫酸亚铁：Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2工业上用硫酸法分解钛铁矿制取TiO2生产中的副产品即是硫酸亚铁：FeTiO3 + 2H2SO4 = TiOSO4 + FeSO
13、4 + 2H2O 2）性质 含7个结晶水的硫酸亚铁FeSO4.7H2O是浅绿色的，加热失水可得无水硫酸亚铁FeSO4，无水FeSO4是白色的。加强热，无水FeSO4分解为Fe2O3：FeSO4= Fe2O3 + SO3 + SO2 硫酸亚铁易溶于水，在水中有微弱的水解，使溶液显酸性(pH=3)： Fe2+ + H2O = Fe(OH)2 +H2 硫酸亚铁在空气中不稳定，可逐渐风化失水，并且表面容易被空气中的氧氧化，生成黄色或铁锈色的碱式硫酸铁（）盐：4FeSO4 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)SO4所以，在绿矾晶体表面常有铁锈色斑点，其溶液久置后常有棕红色沉淀。因此，保存FeSO4
14、溶液时，应加入足够浓度的硫酸，必要时加入几颗铁钉来防止氧化。 虽然Fe盐在酸性介质中比较稳定，但在强氧化剂KMnO4、K2CrO7等存在时，也会被氧化成Fe3+，因此，亚铁盐在分析化学中是常用的还原剂，用来标定重铬酸钾或高锰酸钾溶液的浓度。3.1.3硫酸亚铁铵 硫酸亚铁对于在空气的氧化不稳定，但硫酸亚铁与碱金属或铵的硫酸盐形成的复盐M12SO4.FeSO4.6H2O对空气的氧化，要比硫酸亚铁稳定得多。最重要的复盐是FeSO4(NH4)2SO4.6H2O，俗称摩尔氏盐，是常用的还原剂。在定量分析中用来标定重铬酸钾或高锰酸钾溶液的浓度：10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4=5Fe2(
15、SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O6 FeSO4 + K2Cr2O7 +7 H2SO4=3 Fe2(SO4)3 + K2SO4 + Cr2(SO4)3+ 7 H2O3.2铁(III)的化合物氧化性是氧化数为+3的铁的化合物的特征化学性质。3.2.1三氧化二铁 三氧化二铁Fe2O3是砖红色固体，可以用作红色颜料、涂料、媒染剂、磨光粉以及某些反应的催化剂。Fe2O3具有a和v两种不同的构型。a型是顺磁性的，而v型是铁磁性的。v型Fe2O3在673K以上可以转变为a型。自然界中存在的赤铁矿是a型Fe2O3，将硝酸铁或草酸铁加热，可得a型Fe2O3。将Fe2O3氧化所得产物是v
16、型Fe2O3。Fe2O3是碱性为主的两性氧化物。3.2.2四氧化三铁 铁除了生成FeO和Fe2O3之外，还生成一种FeO和Fe2O3的混合氧化物Fe3O4，亦称为磁性氧化铁，它具有磁性，是电的良导体，是磁铁矿的主要成分。将铁或氧化亚铁在空气中加热，或令水蒸气通过烧热的铁，都可以得到Fe3O4： 3Fe + 2O2 = Fe3O46FeO + O2 = 2Fe3O43Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H23.2.3三氯化铁三氯化铁是比较重要的铁（）盐，主要用于有机染色反应中的催化剂。因为它能引起蛋白质的迅速凝聚，在医疗上用作外伤止血剂。另外它还用于照相、印染、印刷电路的腐蚀剂和氧化剂。3
17、.2.3.1制备 三氯化铁有无水三氯化铁FeCl3和六水合三氯化铁FeCl36H2O。 无水FeCl3 将铁盾与氯气在高温下直接合成就可以得到棕黑色的无水FeCl3： 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 无水FeCl3的熔点（555K）、沸点(588K)都比较低，能借升华法提纯，并易溶于有机溶剂（如丙酮）中，这些都说明无水FeCl3具有明显的共价性。 在673K时，气态的FeCl3以双聚分子Fe2Cl6形式存在，其结构和Al2Cl6相似，1023K以上时，双聚分子分解为单分子FeCl3。 将铁屑溶于盐酸中，再往溶液中通入氯气，经浓缩、冷却，就有黄棕色的六水合三氯化铁FeCl3.6H2O（或
18、写成Fe(H2O)6 Cl3）晶体析出。 Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 2FeCl2 + Cl2 + 12H2O = 2FeCl3.6H2O 加热六水合三氯化铁晶体，则水解失去HCl而生成碱式盐： FeCl3.6H2O = Fe(OH)Cl2 + HCl3.2.3.2三氯化铁的性质1）Fe(III)的水解 Fe(III)的水解FeCl3及其它铁（）盐溶于水后都容易水解，因为 Fe3+有较高的正电场，离子半径为60pm，有较大的电荷半径比，因此在水溶液中明显地水解，使溶液显酸性。 水解过程复杂，首先发生逐级水解： 水解的最终产物是析出红棕色的氢氧化铁的胶状沉淀。 从水解平衡关系式
19、可以看出，当溶液中酸过量Fe3+主要以Fe(H2O)63+ 存在。pH值约为零时，溶液中含约99%的Fe(H2O)63+。如果是pH值提高到23时，水解趋势明显，聚合倾向增大，最终生成红棕色胶状氢氧化铁（或称为水合三氯化铁）沉淀。将溶液加热，同样也能促进Fe3离子的水解。使Fe3离子水解析出氢氧化铁沉淀，是长期以来作为一种典型的除铁的方法，在冶金和化工生产中得到广泛应用。例如，试剂生产中常用H2O2氧化Fe2+成Fe3+： 2Fe2+ H2O2 + 2H- = 2Fe3+ + 2H2O然后加碱，提高溶液的pH值，使Fe成为Fe(OH)3析出，以达到除铁的目的。但这种方法的主要缺点是Fe(OH)
20、3具有胶体性质，不仅沉淀速度慢，过滤困难，而且使一些物质被吸附而损失。（一般用凝聚剂将Fe(OH)3凝聚沉降，或长时间加热煮沸以破坏胶体。但当Fe浓度较大时，从溶液中分离Fe(OH)3仍然是很困难的。）在现代工业生产中使用NaClO3为氧化剂，将Fe2+氧化为Fe3+： 6Fe2+ + NaClO3 + 6H- = 6Fe3+ + NaCl + 3H2O 令Fe3在较小的pH（pH=1.6、1.8）条件下水解，温度保持在358368K，这时在溶液中只存在一些聚合的Fe2(OH)24+、Fe2(OH)42+离子，这些聚合离子能与SO42-结合，生成一种浅黄色的复盐晶体，其化学式为：M2Fe6(S
21、O4)4(OH)12 (M= K+ 、Na+、NH4+)俗称黄铁矾，如黄铁矾钠Na2Fe6(SO4)4(OH)12。黄铁矾在水中的溶解度小，而且颗粒大，沉淀速度快，很容易过滤，因此在湿法冶金中广泛采用生成黄铁矾的办法除去杂质铁。2）Fe(III)的氧化性 三氯化铁及其它铁（）盐在酸性溶液中是较强的氧化剂，可以将I-氧化成I2，将H2S氧化成单质S，还可以被SnCl2还原，标准电极电势为+0.771v： 在印刷制版中，就是利用FeCl3这一性质，作铜板的腐蚀剂，把铜版上需要去掉的部分溶解变成CuCl2。 3.3铁(VI)的化合物1在酸性介质中高铁酸根FeO42+离子是个很强的氧化剂，一般的氧化剂
22、很难把Fe3+离子氧化成FeO4+ 。因此，FeO4+在酸性介质中不稳定，会迅速分解转化成Fe3+：四.铁的配位化合物铁能形成多种配合物，例如铁能与CN-、F-、C2O42-、Cl-、SCN-等离子形成配合物。大多数铁的配合物呈八面体性，配位数为6。主要介绍以下几种铁的配合物：4.1氨配位化合物 ：4.2氰根配位化合物六氰合铁（）酸钾使亚铁盐与KCN溶液反应，得到Fe(CN)2沉淀，该沉淀溶解在过量的KCN溶液中： FeS + 2KCN = Fe(CN)2 + K2S Fe(CN)2 + 4KCN =K4Fe(CN)6从溶液中析出来的黄色晶体K4Fe(CN)6.3H2O就叫六氰合铁（）酸钾，或
23、称为亚铁氰化钾，俗称黄血盐。黄血盐在373K时失去所有的结晶水，形成白色的粉末K4Fe(CN)6，进一步加热即分解： K4Fe(CN)6 = 4KCN + FeC2 + N2黄血盐在水溶液中很稳定，只含有K离子和Fe(CN)64-离子，几乎检验不出Fe2-离子的存在。黄血盐溶液遇到Fe3+离子，立即生成名为普鲁士蓝（Prussian blue）的深蓝色沉淀，其化学式为KFeFe(CN)6，六氰合亚铁钾： K + Fe + Fe(CN)64- = KFeFe(CN)6 利用这一反应，可用黄血盐来检验Fe离子的存在。普鲁士蓝的结构图： 图中表示了铁原子和氰根位于立方体的每个角顶，氰根位于每一条边上
24、。一半铁原子是铁（），另一半铁原子是铁（）。每个CN-配体，N原子一方对着铁（）原子，C原子一方对着铁（）原子。每隔一个立方体在立方体中心含有一个K+离子。普鲁士蓝俗称铁蓝，在工业上用作燃料和颜料。六氰合铁（）酸钾用氯气来氧化黄血盐溶液，把Fe2+氧化成Fe3+，就可以得到深红色的K3Fe(CN)6六氰合铁（）酸钾的晶体，或称为铁氰酸钾，俗称赤血盐。 2K4Fe(CN)6 + Cl2 = 2KCl + 2K3Fe(CN)6赤血盐在碱性溶液中有氧化作用： 4K3Fe(CN)6 + 4KOH = 4K4Fe(CN)6 + O2 + 2H2O在中性溶液中赤血盐有微弱的水解作用。因此，使用赤血盐溶液时
25、，最好现用现配。赤血盐溶液遇到Fe2+离子，立即生成名为腾氏蓝（Turnbull blue）的沉淀，其化学式为KFeFe(CN)6六氰合亚铁酸铁钾： K3Fe(CN)6 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3KCN + 3HCN利用这一反应，可用赤血盐溶液来检验Fe2离子的存在。经结构研究证明，腾氏蓝的组成与结构和普鲁士蓝一样。4.3硫氰根配位化合物向Fe3溶液中加入硫氰化钾KSCN或硫氰化铵NH4SCN,溶液立即呈现出血红色： n=16，随SCN 的浓度而异。这是鉴定Fe3离子的灵敏反应之一，这一反应也常用于Fe 3的比色分析。该反应必须在酸性环境下进行，因为溶液的酸度小时，Fe3会发生水
26、解生成Fe(OH)3而破坏了硫氰合铁（）的配合物。 4.4卤离子配位化合物Fe3+离子能与卤素离子形成配位化合物，它和F离子有较强的亲合力，当向血红色的Fe(SCN)n3-n 配合物溶液中加入氟化钠NaF(NaF溶液的pH8)时，血红色的Fe(SCN)n3-n配离子被破坏，生成了无色的FeF63配离子： Fe(SCN)6+ 6F- = FeF63- (无色) + 6SCN-这是由于一方面Fe3+与F-有较强的亲合力，另一方面NaF加进去后降低了溶液的酸度，因此血红色的配合物Fe(SCN)n3-n解体了。在很浓的盐酸中，Fe能形成四面体的FeCl4- 配离子： Fe3+ + 4HCl = FeC
27、l4- + 4H+ 4.5羰基配位化合物Fe(CO)5：铁在373473K和2.0310Pa下与一氧化碳CO作用，生成淡黄色的液体五羰基配位化合物：Fe + 5CO = Fe(CO)5 在Fe(CO)5配合物中，Fe的氧化态为零，Fe原子的价电子数（3d4s）是8个，它周围的5个配体CO提供的电子数（每个CO提供两个电子）10个，加在一起满足18电子结构规则，是反磁性的。 金属羰基配合物的熔、沸点一般比常见的相应金属化合物低，容易挥发，受热易分解为金属和CO，利用金属羰基配合物的这些特性，可以制备纯度很高的金属。例如使Fe(CO)5的蒸气在473523K分解，可以得到含碳很低的纯铁粉：Fe(C
28、O)5 = Fe + 5CO这种铁粉可用于制造磁铁心和催化剂。 需要特别注意的是，羰基配合物有毒。例如吸入四羰基合镍，血红素便与CO化合，从而使血液把胶态镍带到全身器官，这种中毒是很难治疗的。所以制备羰基配合物必须在与外界隔绝的容器中进行。Fe(CO)2(NO)2铁的羰基配合物与一氧化氮作用，可以生成铁的羰基亚硝基配位化合物： Fe(CO)5 + 2NO = Fe(CO)2(NO)2 + 3CO在二羰基二亚硝基合铁配合物中，Fe的氧化数为2。 4.6二茂铁 Fe与键配位体环茂二烯离子C5H5可以生成环茂二烯基铁配合物，亦称为二茂铁。例如溴化环戊二烯镁与FeCl2在有机溶剂中反应即可得二茂铁：
29、2C2H5MgBr + FeCl2 = (C2H5)2Fe + MgBr2 + MgCl2二茂铁为橙黄色固体，熔点为446K，不溶于水，易溶于乙醚、苯、乙醇等有机溶剂中，373K即升华，是典型的共价化合物。二茂铁是燃烧油的添加剂，用以提高燃烧的效率和去烟，可作导弹和卫星的涂料，高温润滑剂等。4.7血红素卟啉与Fe2+的络合物。与不同的蛋白质结合形成血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素C、过氧化氢酶和过氧化物酶，在生物内部有重要的生理功能，例如血红蛋白是动物血液中输送氧和二氧化碳的载体。它是细小的棕色晶体，有暗紫色光泽，部分溶解于冰醋酸，有氧存在时可自由溶解。很不稳定，将血红蛋白用酸处理可获得血红素。参考文献：1元素化学，英N.N.Greenwood，A.Earnshaw著，高等教育出版社，1996年9月第一版；2无机化学丛书第九卷，谢高阳，俞练民，刘本耀等人编，科学出版社，1996年5月第一版；3无机化学第三版，武汉大学，吉林大学等校编，高等教育出版社，1994年10月第三版；4化学词典，周公度主编，化学工业出版社，2004年4月第一版。