奇妙的化学元素——铁
铁的特性
铁（）是一种金属元素，化学符号为 Fe，原子序数为 26，相对原子质量为 55.845，位于元素周期表第四周期第 VIII 族。铁有四种不同的同素异形体，这意味着它有四种不同的结构形式，原子以不同的方式组合。在室温下，铁最稳定的形式是铁素体。
物理特性：
铁是灰色金属，具有银白色光泽，密度较大，为7.86g/cm³，熔点为1539℃，沸点为2750℃。声音在铁中传播较快，为5120m/s。纯铁较软，但如果是铁与其他金属的合金，或掺杂有杂质，其硬度就会增加，熔点通常会降低。导电性、导热性、延展性良好，有较强的铁磁性，是一种磁性材料。铁的磁性很大程度上取决于其所含杂质及退火程度。铁的纯度越高，其磁导率就越大，磁滞损耗就越小。
生锈的铁钥匙
化学性质：
铁的化学性质活泼，极易腐蚀或生锈。它能溶于强酸和中强酸，但不溶于水。在高温下能与氧、卤素、碳、硅、磷、硫、水等发生反应。在常温下遇到浓硫酸或浓硝酸，表面会形成一层保护性氧化膜，使铁“钝化”。因此，铁制品可用来盛放冷浓硫酸或冷浓硝酸。铁常见的化学反应如下。
与非金属的反应：
铁与氧反应：在氧气中，铁能剧烈燃烧，生成四氧化三铁，燃烧时会产生火花，并放出大量的热，生成黑色固体。在空气中，铁只会缓慢氧化，不会剧烈燃烧。
铁和氯的反应：铁在氯气中也能剧烈燃烧，生成三氯化铁，放出热量，并形成棕色烟雾。
铁和硫的反应：铁和硫加热时发生反应，生成硫化亚铁。
与酸的反应：
铁与非氧化性酸（如盐酸或稀硫酸）反应时，会生成亚铁盐和氢气，这是一种置换反应。
铁还能与稀硝酸反应，生成不同价态的硝酸铁和硝酸亚铁，并放出氮气或一氧化氮气体，具体产物取决于硝酸浓度和反应条件。
与盐的反应：
铁还可以与某些金属盐溶液（如硫酸铜溶液）发生反应，取代铜。
此外，铁的化学性质还包括其还原性，能从其盐类中还原某些金属离子。
储藏方法：
需注意防锈、防腐蚀，可放入密封的储藏容器内，存放在阴凉干燥的库房内。
铁的发现
铁陨石
至少5000年前：考古证据表明，人类使用铁至少已有5000年历史。人类最早发现的铁是从天上掉下来的陨石。陨石中含有高比例的铁（铁陨石中铁含量为90.85%），是铁、镍和钴的混合物。考古学家曾在古墓中发现一把用陨铁制成的小斧头；
4000年前的古埃及：隐藏在第五、第六王朝金字塔中的宗教经文记载，太阳神等重要神的宝座是用铁制成的。铁在当时被认为是最珍贵、最神秘的金属，埃及人干脆把铁称为“天石”。在古希腊语中，“星星”和“铁”是同一个词。
公元前1500年左右，古代小亚细亚（今土耳其）的赫梯人首次利用铁矿石冶炼铁器，并利用这种坚硬的新金属获得经济和政治权力，开启了铁器时代。中国也是最早发现和掌握炼铁技术的国家之一。
随着时间的推移，人类逐渐掌握了冶铁技术，铁开始被广泛应用于农业、建筑、交通等各个领域，极大地促进了人类社会的发展。
铁在古代就被发现，英文名称为Iron（由Iren演变而来），德文名称为Eisen。铁是人类认识和利用的第一个化学元素，元素符号Fe来自拉丁文“iron”。
铁的来源
铁矿
铁是所有金属中最便宜的，地壳中铁的含量约为5%，排在氧、硅、铝之后，居第四位。铁也是宇宙中第六丰富的元素，在太阳和其他行星中也大量存在。火星表面呈红色，就是因为火星表面有大量的氧化铁，火星地壳中氧化铁的含量是地球的两倍多。
铁是世界上应用最广泛的金属，人们认为地核主要由铁组成，地壳中单质铁的存在极为稀少，但以化合物形式广泛存在，许多矿物因含有铁化合物而呈现独特的颜色，铁的最重要矿物为氧化物和碳酸盐，铁主要来源于赤铁矿（Fe2O3）和磁铁矿（Fe3O4），褐铁矿（FeO(OH)·nH2O）和菱铁矿（FeCO3）是两种重要来源。
铁的应用
炼铁厂炼铁场景
铁是一种非常重要的金属元素，在我们的日常生活和工业生产中有着广泛的应用。
建筑和制造：铁用于制造各种建筑结构，如钢结构、桥梁、塔等。它还用于制造各种机械设备，如机器、工具、汽车、飞机、船舶等。
电子工业：铁在电子工业中起着重要作用，用于制备电感器、变压器等电子元件，也用于制造计算机、手机、电视等各种电子设备。同时，铁粉在磁记录材料中也起着关键作用，用于制造磁带、磁盘等存储介质。
化学工业：铁及其化合物在化学工业中用途广泛。例如，铁可用作催化剂、还原剂以及用于制备铁盐。此外，铁还用于生产各种化学品，例如农药、颜料、油墨等。
交通运输行业：铁用于制造铁路轨道、火车车轮、汽车零件等。
能源工业：铁用于制造各种能源设备，如风力涡轮机、水电站和核电站。
家用电器：铁用于制造各种家用电器，如锅、水壶、烤箱、冰箱等。
医疗行业：铁用于制造各种医疗器械，如手术刀、注射器等。另外，铁是人体必需的微量元素之一，对维持正常的生理功能至关重要。铁用作营养补充剂，用于预防和治疗缺铁症。
其他应用：铁在其他领域也发挥着作用，如用作磁铁材料、热氢发生器、凝胶推进剂、燃烧活化剂、水洗吸附剂、烧结活化剂、粉末冶金制品、油墨、颜料、磨料、配制铸造修补胶和环氧胶粘剂的填料等。
铁与人体健康的关系
铁在人体中的作用
铁在人体中起着至关重要的作用，是人体必需的微量元素，主要表现在以下几个方面。
促进血红蛋白的合成：血红蛋白是红细胞中含有铁离子的蛋白质，铁是血红蛋白的重要组成部分。缺铁时，红细胞合成的血红蛋白会减少，使红细胞体积缩小，携氧能力下降，导致缺铁性贫血。血红蛋白的正常合成和功能，有助于维持体内各组织器官的供氧，保证正常的代谢和生理功能。
调节免疫功能：铁元素也参与免疫细胞的生成和功能，免疫细胞中的关键酶和蛋白质都需要铁元素的参与才能正常发挥作用。缺铁可导致白细胞杀菌能力减弱、淋巴细胞功能受损、免疫功能低下，因此，充足的铁元素摄入对维持免疫系统的正常功能至关重要。
维持能量代谢：铁参与多种酶的催化反应，其中酶与能量代谢有关。例如，铁在线粒体的电子传递链中起重要作用，促进能量的产生。适量补充铁有助于维持正常的能量代谢，使身体充满活力，改善身体健康。
维持大脑发育和认知功能：铁参与神经递质的合成和运输，对神经细胞的正常发育和功能起着重要作用。适量的铁供应可促进大脑的正常发育和认知功能的维持，有助于提高学习记忆能力。
参与氧化还原反应：铁在体内可以发生氧化还原反应，如电子的转移和氧分子的还原，这对细胞代谢过程和能量产生至关重要。
维持酶活性：许多酶需要铁作为辅助因子来维持其活性。
此外，铁元素可以使皮肤更加红润，加速伤口愈合，防止脱发，使人精力充沛，增进食欲，促进其他微量元素的吸收。
简而言之，铁在人体中起着至关重要的作用。它参与多种生理过程，对人体健康有着深远的影响。然而，过量摄入铁也可能对身体产生负面影响，例如肝脏和心脏受损。因此，保持适当的铁摄入量对身体健康非常重要。
铁的消化和代谢
铁的吸收：饮食中的铁分为血红素铁和非血红素铁。铁主要在小肠中吸收，但小肠黏膜上皮细胞对血红素铁的吸收率远高于非血红素铁。由于每种食物中铁含量差异很大，以及一些生理原因，饮食中铁的吸收率差异很大。
铁的代谢：体内铁的基本损失是由于皮肤、呼吸道、胃肠道、泌尿系统等黏膜细胞代谢引起的细胞脱落、死亡，每日铁的损失主要通过粪便排出，也有少量通过汗液、皮肤细胞脱落、尿液等流失。
人体所需的铁量
铁约占体重的0.006%，成年男性总铁含量约为50~55毫克/公斤体重，女性为35~40毫克/公斤体重。
人体每天需要20-25毫克的铁来维持正常造血，这主要来自于衰老和受损的红细胞。为维持体内铁的平衡，成年人每天需从食物中摄取1-1.5毫克的铁，孕妇及哺乳期妇女则需要2-4毫克。
缺铁对人体健康的不利影响
贫血：铁是血红蛋白的重要成分，缺铁会导致血红蛋白合成不足，从而引发贫血，贫血会出现乏力、头晕、心悸、气短等症状。
免疫力下降：缺铁会影响免疫系统的功能，使人更容易患病。
智力发育受损：缺铁会影响大脑发育，尤其是儿童和青少年，并可能导致智力发育受损。
精神和行为异常：缺铁可能导致情绪不稳定、易怒、注意力不集中等精神和行为异常。
影响体力和耐力：缺铁会影响肌肉的供氧能力，使人感到疲倦、无力，从而影响体力和耐力。
富含铁的食物
动物肝脏：如猪肝，含有丰富的铁质，且易被人体吸收，是补铁的首选食物。
血液制品：猪血、鸭血、鸡血中铁的利用率为12%。
各种豆制品：如黄豆、黄豆、黑豆、豆腐等，人体的吸收率可达7%。
瘦肉：如猪肉、牛肉、羊肉等。铁含量虽然较低，但人体利用率较高。
蔬果类：如菠菜、黑木耳、香菇、芹菜、海带等。
铁过量对人体健康的不利影响
胃肠道刺激：过量摄入铁可能会刺激胃肠道粘膜，导致胃痛，恶心，呕吐和腹泻等症状。
肝损伤：过量的铁会积聚在肝脏中，导致肝损伤甚至肝硬化。
心血管疾病：过量的铁可能会增加患心血管疾病的风险，例如心脏病和中风。
糖尿病：过量的铁可能会影响胰岛素的分泌和作用，增加患糖尿病的风险。
神经系统问题：过量的铁可能会对神经系统产生负面影响，引起头痛、疲劳和记忆力减退等症状。
如何处理过量的铁
如果检测结果显示体内铁含量超标，我们可以从以下几个方面进行改善。
注意合理饮食：人体含铁量较高，可以多吃碱性食物，碱性食物可抑制人体对铁的吸收。喝茶也会减少铁的吸收。多吃蔬菜水果。
积极运动：加速铁质排泄代谢，比服用营养补充品更有效。
少吃动物内脏：尽量少吃动物内脏等含铁量高的食物。
多吃高纤维食物：如荞麦或豆类，有利于铁的排泄。
避免使用铁制炊具：做饭的时候，尽量避免使用含铁的炊具，如铁锅、铁勺、铁铲等。
健康饮食：食材丰富，营养均衡，有益健康。
铁的危害
环境危害
城市生活垃圾若不及时处理处置，会占用农田、破坏农业生产，以及破坏地貌、植被、自然景观等。
废铁堆积产生铁锈味，严重影响空气质量。
健康危害
铁本身无毒，但过量摄入或意外食入过量的铁制剂，会导致铁中毒。
短期接触：吸入铁粉或氧化铁烟尘会刺激呼吸道，引起咽喉炎症、咳嗽、呼吸短促、虚弱、疲劳、发冷、出汗、肌肉和关节疼痛；皮肤接触热金属会引起灼伤，眼睛接触粉尘会引起炎症和灼伤；食入会引起嗜睡、呆滞、心跳和呼吸加速、休克、呕血和腹泻；
长期接触：过量吸入可致铁质沉积于肺、脾、淋巴系统；吸入粉尘可致肺部沾污。
毒理学资料
铁及其氧化物的蒸汽和烟雾会对人体造成非致命的刺激和疼痛，称为金属烟热。然而，铁化合物羰基铁 Fe(CO)5 具有极强的毒性。羰基铁在暴露于热或阳光时会分解产生一氧化碳。
结论
铁是人类文明发展的一部分，它不仅改变了人们的生活方式，也推动了科学的进步。同时，铁是人体必需的微量元素之一，对人体正常的生理功能和健康至关重要。随着科技的进步和工业的发展，铁的应用将不断扩大和深入。