铁

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。[8]

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[9][10]。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。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双六方最密堆积结构。[11]（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。）[12]

科学家通常假定地球内核由ε相（或β相）的铁镍合金组成。[13]

铁的熔点、沸点和原子化焓都低于早期的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。[14]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，但没有出现在锇中。[8]

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。[15]

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[16]

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。[17]这两个电子的轨道d_z²和d_{x² − y²}不指向晶格中的其它原子，因此不参与金属键。[12]

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。[18]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。[19]

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。[17]

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成⁵⁴Cr，但该过程仍未被观察到，半衰期下限3.1×10²²年。[20]

⁶⁰Fe是有长半衰期（260万年）的绝种同位素。[21]它已经全部衰变成稳定的⁶⁰Ni，所以已经不存在于地球。[20]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。[22]

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。[23]

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。[24]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。[25]相较于其它原子量相近的元素，铁很常见。[25][26]它是宇宙中第六丰富的元素，也是最常见的耐火元素。[27]

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。[28]比铁重的元素都需要超新星通过⁵⁶Fe的r-过程合成。[25]

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，所有恒星质量的物体都会变成冰冷的铁球。[29]

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。[30][31]

鲁西永的红土

铁是地球上分布最广的金属之一，占了地壳质量的5%，位居第四，仅次于氧、硅和铝。[32]这些铁大多和各种元素化合，生成各种铁矿，其中主要的是赤铁矿（Fe₂O₃）、磁铁矿（Fe₃O₄）和菱铁矿（FeCO₃）。铁也有硫化物矿物，它们在自然界中以火成岩磁黄铁矿和镍黄铁矿形式存在。[33][34]铁的硫化物和硅酸盐风化时容易分别转化成硫酸盐和碳酸氢盐，它们在水溶液中都会被氧化成三氧化二铁沉淀。[35]

条状铁层

条状铁层中存在大量的铁矿床，它们是在37亿年至18亿年前形成的。[36][37]

赭石等富含铁(III)氧化物或氢氧化物的材料自史前时代就被用作黄色、红色和棕色的颜料，也使岩石和粘土呈现出各种颜色。[38]铁化合物是许多历史建筑和雕塑中黄色颜料的成分。[39]火星表面著名的红色是富含氧化铁的表岩屑引起的。[40]

黄铁矿（FeS₂）里虽然也有大量的铁，但因为其中的铁难以开采[41]，所以黄铁矿大多用于生产硫酸。[42]铁是如此常见，以至于铁的开采通常只集中在铁含量非常高的矿石上。[43]

根据国际资源委员会的社会金属库存报告，全球人均使用的铁为2200公斤。已发展国家的这个值比未发展国家高。[44]

高铁酸盐（左）和高锰酸盐（右）的颜色比较

以下是在酸性条件下，常见含铁离子的标准电极电势：[12]

红紫色的高铁酸根离子是强氧化剂，能在室温下把氨气氧化成氮气，在酸性或中性条件下甚至能氧化水：[53]

4 FeO2−
4 + 10 H
2O → 4 Fe3+
+ 20 OH−
+ 3 O₂

Fe³⁺离子的阳离子化学较丰富，但其六水合离子[Fe(H
2O)
6]³⁺在pH大于0时极易水解：[54]

[Fe(H
2O)
6]³⁺在pH大于0时会变成上述的黄色水解产物，而继续升高pH至2–3时则会产生红棕色的水合氧化铁沉淀。Fe³⁺的水合离子都具有相当强烈的颜色，但[Fe(H
2O)
6]³⁺例外。[54]另一方面，淡绿色的[Fe(H
2O)
6]²⁺不会水解。把碳酸根加入溶液中并不会产生二氧化碳气体，而是产生白色的碳酸亚铁沉淀。在二氧化碳过量的情况下，反应会产生微溶的碳酸氢盐，但它在空气中会迅速被氧化成氧化铁，这也是许多溪流中棕色沉积物的来源。[55]

铁有多种氧化物，其中四氧化三铁（Fe₃O₄）和三氧化二铁（Fe₂O₃）较为常见。虽然氧化亚铁存在，但它在室温下不稳定。它们虽然有类似整比化合物的名字，但其实都是成分可变的非整比化合物。[56]铁最著名的硫化物是二硫化亚铁（FeS₂），它在自然界中以黄铁矿和白铁矿形式存在。[49]FeS₂里没有Fe⁴⁺，而是Fe²⁺和S2−
2离子形成的化合物。[56]另一种硫化物硫化亚铁则可以通过铁和硫直接反应而成。[57]铁溶于稀硫酸[58]或是二硫化亚铁的燃烧[59]都可以制备硫酸亚铁：

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂

2 FeS₂ + 7 O₂ + 2 H₂O → 2 FeSO₄ + 2 H₂SO₄

水合三氯化铁

铁的二卤化物可以由金属铁和对应的氢卤酸反应而成。[49]

Fe + 2 HX → FeX₂ + H₂（X = F、Cl、Br、I）

铁可以和氟气、氯气或溴反应，生成对应的三卤化物，其中三氯化铁最常见。[53]

2 Fe + 3 X₂ → 2 FeX₃（X = F、Cl、Br）

因为Fe³⁺会氧化I⁻，所以碘化铁不能通过此法制备。[53]

2 I⁻ + 2 Fe³⁺ → I₂ + 2 Fe²⁺（E⁰ = +0.23 V）

碘化铁是不稳定的黑色固体，可由−20 °C时五羰基铁、碘和一氧化碳隔绝氧气和水，并在己烷和光照下反应而成。[53]碘化铁的某些配合物可由稳定存在。[60][61]

五羰基铁

普鲁士蓝

有机铁化合物是含有碳-铁键的化合物。有机铁化合物的一个例子是用作颜料的普鲁士蓝 Fe₄[Fe(CN)₆]₃。普鲁士蓝可以由Fe²⁺和铁氰化钾或是Fe³⁺和亚铁氰化钾反应而成。[49]

五羰基铁 Fe(CO)₅则是有机铁化合物的另一个例子，由铁原子和五个一氧化碳分子成键而成，可由铁和一氧化碳于150°C和175大气压下反应得到。[62]

Fe + 5 CO → Fe(CO)₅

五羰基铁的热分解会产生十二羰基三铁 Fe
3(CO)
12。四羰基铁酸二钠又称Collman试剂含有−2氧化态的铁，是有机化学试剂。二羰基环戊二烯基铁二聚物中的铁则含有罕见的+1氧化态。[63]

二茂铁的结构和样本

有机金属化学的一个里程碑是由Pauson和Kealy[64]及Miller等人[65]在1951年独立发现、不寻常稳定的夹心配合物二茂铁 Fe(C
5H
5)
2。次年，罗伯特·伯恩斯·伍德沃德和杰弗里·威尔金森[66]以及恩斯特·奥托·菲舍尔[67]也独立发现了它特别的结构。

某些有机铁化合物可用作催化剂，如催化酮转移氢化的Knölker配合物。[68]

铁是古代就已知的金属之一[69]，但因为铁容易生锈，所以很久以前的铁制品要比金银制品少很多。[70]

图为来自格陵兰的铁鱼叉，它的铁源自已知最大的陨石之一约克角陨石

在格尔津发现了可追溯到公元前3500年，由陨铁做成的珠子。[71]这些珠子含镍7.5%，而地壳中的铁的镍杂质很少，表示它们是用陨石制造的。

当时人们认为陨铁来自天界，所以它们备受推崇，常被用来锻造武器和工具。[71]举个例子，在图坦卡蒙的陵墓中有一把由陨铁打造的匕首，其铁、钴和镍的比例与当地陨石相似。[72][73][74]埃及人使用的铁制品可追溯到公元前3000年至公元前2500年。[70]

由于其中的镍，陨铁较软、韧性较高、容易锻造，但在高温下容易变脆。[75]

1774年，安托万-洛朗·德·拉瓦锡通过金属铁和水蒸气生成氢气的反应演示能量守恒定律，这将化学从定性研究转变为定量研究。[76]

铁，化学符号Fe的来源是拉丁文名称Ferrum。

《說文解字》：「」

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。[35]它也可由氯化亚铁用铁阴极电解而成。[77]

铁也可以通过铝热反应得到：[78]

${\displaystyle {\rm {Fe_{2}O_{3}+2Al\rightarrow 2Fe+Al_{2}O_{3}}}}$

铁是用处最广泛的金属，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。[79]

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。[80]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。[81]铁催化剂在把生物质转化成燃料[82]、合成精细化学品[83][84]、燃料电池[85]以及危险化学品无害化[86][87][88][89]中发挥着至关重要的作用。

铝热剂（氧化铁和铝粉的混合物）可用于焊接铁轨。[90][91]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。[92]三氯化铁的乙醇溶液可以止金丝雀的血。[93]

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。[92]

富含铁的食物有红肉、牡蛎、豆类、家禽、鱼类、绿叶蔬菜、西洋菜、豆腐和糖蜜。[5]面包和谷物片有时也会特别加铁。[5][100]

铁膳食补充剂通常以延胡索酸亚铁或硫酸亚铁形式存在。[92]单质铁虽然吸收率只有硫酸亚铁的三分之一至三分之二，[101]但也常被加到谷物片和面粉中。和氨基酸螯合的铁的吸收率最高[102]，因此也可作为铁补充剂。最便宜的氨基酸甘氨酸就常被用来生产甘氨酸铁补充剂。[103]

美国国家医学院在2001年发布了铁最新的估计平均需求和推荐膳食摄入量。[5]对14–18岁的女人来说，铁的估计平均需求是每天7.9毫克，到了19–50岁增加到8.1毫克，而绝经后则减少到5.0毫克。对于19岁和以上男人，他们的估计平均需求为每天6.0毫克。15–18岁的女人的铁推荐膳食摄入量为每天15.0毫克、19–50岁18.0毫克、超过50岁8.0毫克。19岁和以上的男人的铁推荐膳食摄入量都是每天8.0毫克。孕妇的铁推荐膳食摄入量是每天27毫克，而哺乳期妇女的则为每天9毫克。[5]1–3岁的儿童的铁推荐膳食摄入量为每天7毫克、4–8岁10毫克、9–13岁8毫克。出于安全原因，当证据充足时，美国国家医学院也会给营养素设定可耐受最高摄入量。铁的可耐受最高摄入量为每天45毫克。这些值都是参考膳食摄入量。[104]

如果婴儿喝的是牛乳，那么他们可能也需要铁补充剂。[105]频繁捐血的人有缺铁的风险，因此常被建议补充铁。[106]

缺铁是世界上最常见的营养不良。[5][107][108][109]如果缺少的铁没有通过饮食补充，就会导致潜伏性缺铁，之后会更进一步导致缺铁性贫血。[110]儿童、停经前期的女人和饮食不当的人最容易患此病。虽然大多数缺铁性贫血病例轻微，但如果不治疗，就会造成心跳加快或不规律、妊娠并发症以及婴儿和儿童生长迟缓等问题。[111]