金屬鐵

金屬鐵

鐵是一種化學元素,它的化學符號是Fe,它的原子序數是26,是最常用的金屬。它是過渡金屬的一種。是地殼含量第二高的金屬元素。

  • 中文名稱
    金屬鐵
  • 最早冶鐵地區
    地中海沿岸和埃及
  • 性    質
    銀白色的金屬,富有延展性
  • 冶鐵書籍
    《天工開物》

發展史

兩河流域,地中海沿岸和埃及是世界上最早發明冶煉鑄鐵的地區。我國考古工作者曾發現公元前五世紀的鐵器,但數量不很多;另外,還發現公元前三、四世紀的鐵器,數量較多,而且冶鑄水準較高。如1950年,我國考古工作者曾在河南輝縣固圍村發掘戰國時代的魏墓,發現鐵製生產工具九十多件,其中有鐵犁、鐵鋤、鐵鐮刀、鐵斧、鐵鏈等。從這些實物可以推斷,我國勞動人民早在近三千年前的周代,已會冶煉鑄鐵了。到了公元前三、四世紀,我國鐵器的使用便普遍起來。這說明我國使用鑄鐵的時間要比歐洲早出一千六百年,是我國古代勞動人民對世界冶金技術的偉大貢獻。

自春秋以來,我國設有專門管理煉鐵的"鐵官",也有專門經營煉鐵的"鐵商"。到了漢朝,我國已普遍用熟鐵製造工具代替鑄鐵工具。到了唐朝,鐵的年產量達一千多萬斤。宋朝,鐵的年產量達三千萬斤以上。明朝,鐵的年產量則高達九千萬斤以上。明末宋應星著的《天工開物》一書,不僅對古代的煉鐵技術作了詳細地介紹,而且還畫成了插圖。作了形象的描繪。

分類

鐵在地殼中的藏量為4.2%,就金屬而論,僅次于鋁,佔第二位。據不完全統計,到1971年,世界各國已查明的鐵礦儲量為2500億噸以上。另外,還有5000億噸屬可利用的鐵礦資源。在大自然中,純凈的金屬鐵很少--隻有從天上掉下來的"隕石"才幾乎是純鐵(僅含一點點雜質鎳Ni),絕大部分鐵都是以化合物的狀態存在:烏黑發亮、具有磁性的磁鐵礦Fe3O4,紫紅色的赤鐵礦Fe2O3,棕黃色的褐鐵礦2Fe2O3·3H2O,黑灰色的菱鐵礦FeCO3,金光閃閃的黃鐵礦FeS2。除了黃鐵礦含硫太高,不適用于煉鐵,一般隻用作製造硫酸的原料外,磁鐵礦等都是煉鐵的原料。

用途

純凈的鐵是銀白色的金屬,富有延展性。不過,純鐵的機械強度不高,在工業上不很常用。通常所說的"鋼鐵",這"鋼"與"鐵"是兩回事。在工業上,鐵是分生鐵、熟鐵兩種--生鐵含碳1.7-4.5%,熟鐵含碳0.1%以下,而鋼呢?含碳量在0.1-1.7%之間。因此,生鐵、鋼、熟鐵的不同,主要在于含碳量的不同。

隨著含量的高低不同,生鐵、鋼、熟鐵的性能大步相同,用途也不同:生鐵很脆,一般是澆鑄成型,所以又稱"鑄鐵",如鐵鍋、火爐等,在工業上用來製造機床的床身、蒸汽機內燃機汽缸等,它的成本比較低廉、耐磨,但沒有延性和展性,不能鍛打。熟鐵所含雜質少,接近于純鐵,韌性強,可以鍛打成型,所以又叫"鍛鐵",如鐵勺、鍋鏟等。鋼的韌性好,機械強度又高,在工業上的用途最廣。按含碳量的高低,分為三種碳素鋼,即低碳鋼(含碳低于0.25%),中碳鋼(含碳在0.25-0.6%之間),高碳鋼(含碳0.6%以上)。含碳約多,鋼的強度越大,硬度越高,但韌性、塑性卻越差。由于低碳鋼的性能與熟鐵近似,而成本比熟鐵低得多,工業上大都用低碳鋼代替熟鐵,如製造鐵絲、鉚釘、白鐵皮(鍍鋅Zn)、馬口鐵(鍍錫Sn)等。碳素鋼廣泛的被用來製造各種機器零件,如齒輪、凸輪、螺帽、鐵軌、鋼筋等等;日常生活中用的刀、手表殼、鋼筆尖、針、剪刀等。另外,在鋼中加入各種不同的金屬或非金屬,可以製成許多性能不同的合金鋼。如含(Ni) 36%的鎳鋼幾乎不因冷熱而熱脹冷縮,用來製造精密儀表零件;含18%鎢(W)的鎢鋼,即使已熾熱,仍非常堅硬,用來製造高速切割的車刀;含少量(V)的釩鋼,可使鋼的彈性增加一倍,用來製造各種彈簧;含2.5%矽(S)i的矽鋼做成矽鋼片,用作變壓器的鐵心,不僅可減少變壓器發熱現象,而且大量節約了電能。

在工業上,人們是在高爐中把鐵礦同焦炭、石灰石等混合在一起,在高溫下煉製鐵 。焦炭是作為燃料與還原劑,石灰石則用來除去鐵礦中的雜質,如氧化矽、硫、磷等。從高爐中煉出來的是生鐵。生鐵還需放入轉爐或平爐、電爐中,除去部分碳,煉製成鋼。

比之鋁、等金屬,鐵有一個很大的缺點,就是容易被銹蝕。純鐵雖是銀白色的,但是日常所見的鐵,表面總是布滿褐色的鐵銹。不過,鐵在幹燥的空氣裏,放幾年也不會生銹;把鐵放在煮沸的、幹凈的水裏,也很久不會生銹。隻有在潮濕的空氣或溶有空氣(使鐵生銹主要是空氣中的氧氣)的水中,才易使鐵生銹。鐵銹,是鋼鐵的心腹大患。據統計,在1890-1923年這33年之中,全世界生產的鋼鐵有40%因生銹而損失掉了!為了防銹,人們常在鋼鐵製品表面塗上油漆、陶瓷或鍍上防銹金屬。

氧化物

最重要的鐵的化合物是氧化鐵Fe2O3和硫酸亞鐵FeSO4。氧化鐵是咖啡色的,常用的棕色顏料便是它(顏色深淺與粉末粗細有關)。氧與鐵的化合物還有兩種--氧化亞鐵FeO是黑色的,而四氧化三鐵Fe3O4也是黑色的,但表面閃著藍光。時鍾的針、發條表面常是黑中透藍,便是表面經過"發藍處理"--用化學方法使表面生成一層致密的四氧化三鐵,可以防銹。至于硫酸亞鐵,本是白色的粉末,但常見的硫酸亞鐵晶體通常是淺綠色的,那時因為含有結晶水的緣故FeSO4·7H2O。所以,硫酸亞鐵的俗名便叫"綠礬"。綠礬是十分重要的無機農葯,也是製造藍黑墨水的主要原料。

鐵鹽

還有兩種常見的鐵鹽:一種叫"黃血鹽",是黃色的晶體,化學成分為亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6]。黃血鹽與鐵離子Fe3+作用生成藍色的亞鐵氰化鐵Fe4[Fe(CN)6]3的藍色沉淀,俗稱普魯士藍,用作藍色顏料。這個生成普魯士藍沉淀的反應,在分析化學上常用來鑒定鐵離子。另一種叫"赤血鹽",是紅色晶體,化學成分為鐵氰化鉀K3[Fe(CN)6]。赤血鹽與亞鐵離子Fe2+作用生成鐵氰化亞鐵Fe3[Fe(CN)6]2的藍色沉淀,俗稱騰氏藍。這一反應,在分析化學上常用來鑒定亞鐵離子。

生物作用

一個成年人的血液中,大約含有3克鐵,相當于一根小鐵釘的重量。這些鐵,有75%是存在于血紅素中,因為鐵原子是血紅素的核心原子--這正如葉綠素的核心原子一樣。在器官中,含鐵最多的是肝和

植物,也離不了鐵,因為鐵是植物製造葉綠素時不可缺少的催化劑。如果一盆花得不到鐵,那麽,花很快就失去那艷麗的顏色,失去那沁人肺腑的芳香,葉子也發黃枯萎。

在鐵礦附近的水、泥沼、池塘以及自來水管中,常繁殖著一種"鐵菌"。它們把兩價鐵的化合物變成三價鐵的化合物,形成厚厚的紅棕色的氫氧化鐵Fe(OH)3沉淀。

在一般土壤中,含有不少鐵的化合物。如紅土壤中,便含有很多氧化鐵。也有的土壤缺乏鐵,就得施加"鐵肥"--硫酸亞鐵了以適當的濃度和形式存在于環境(介質)中時,可以防止或減緩材料腐蝕的化學物質或復合物,因此緩蝕劑也可以稱為腐蝕抑製劑。它的用量很小(0.1%~1%),但效果顯著。這種保護金屬的方法稱緩蝕劑保護。緩蝕劑用于中性介質(鍋爐用水、迴圈冷卻水)、酸性介質(除鍋垢的鹽酸,電鍍前鍍件除銹用的酸浸溶液)和氣體介質(氣相緩蝕劑)。

緩蝕劑有多種分類方法,可從不同的角度對緩蝕劑分類。

(1)根據產品化學成分,可分為無機緩蝕劑、有機緩蝕劑、聚合物類緩蝕劑。

①無機緩蝕劑 無機緩蝕劑主要包括鉻酸鹽、亞硝酸鹽、矽酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽、聚磷酸鹽、鋅鹽等。

②有機緩蝕劑 有機緩蝕劑主要包括膦酸(鹽)、膦羧酸、琉基苯並噻唑、苯並三唑、磺化木質素等一些含氮氧化合物的雜環化合物。

③聚合物類緩蝕劑 聚合物類緩蝕劑隻要包括聚乙烯類,POCA,聚天冬氨酸等一些低聚物的高分子化學物。

(2)根據緩蝕劑對電化學腐蝕的控製部位分類,分為陽極型緩蝕劑,陰極型緩蝕劑和混合型緩蝕劑[1]。

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