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今天我们要讨论的是一种原子核中有26个质子的化学元素。这是铁(Fe)。在自然界中发现了这种金属的 4 种稳定同位素和几十种不稳定同位素。

但这些铁是从哪里来的呢?

与几乎所有其他化学元素一样,铁是发生在恒星深处的热核聚变的产物。然而,就这一点而言,铁是一种特殊元素。

核炉的灰烬

氢原子聚变氦是恒星最常见的能量来源。但有一天,恒星中的氢会耗尽。然后,恒星为了继续在我们的夜空中发光,开始“燃烧”它在第一次反应中积累的大量物质——氦。然后,当氦气耗尽时,随后的物质开始“燃烧”。等等。结果,通过一系列连续的热核过程而获得的元素的“燃烧”不再产生比其“燃烧”所消耗的能量更多的时刻。聚变反应在能量上变得不利。

这样的元素是铁。这是路的尽头。好吧,那你就知道了。超新星、爆炸、原行星云等。

但铁的特殊之处不仅在于它是熔炉“最后的灰烬”。但也因为我们星球上存在大量这种金属。

在整个宇宙中,铁的数量简直难以想象。使用光谱学进行的估计表明,铁是银河系中第六丰富的元素。只有氢、氦、氧、碳和氖比较常见。

当然,与氢的量相比,铁的量可以忽略不计。然而,如果我们将注意力转向我们的家乡星球,情况就会发生很大变化。

铁星球

事实上,铁很重。当然,还有其他甚至更重的元素,但铁在这方面很特殊。因为它结合了高密度和高流行率。这意味着在星子形成行星的过程中,小天体的大部分质量是铁造成的。为什么?这很简单。木星等大型行星的质量很大,重力可以容纳大量的轻元素。但像地球这样的小行星却无法做到这一点。因此,此类宇宙天体的大部分质量是由大量可用的最重元素组成的:铁。

这就是为什么这种化学元素是地球上质量最丰富的元素。我们星球的近三分之一是由铁组成的。然而,这种金属的分布并不均匀。它主要存在于地核中,还有我们在最近的一篇文章中讨论过的金属。这是镍。

如果你发挥你的想象力,你可以想象我们的星球在某种意义上是一个由铁镍“混合物”组成的非常致密的球,在重力的影响下,某种形式的垃圾人类的“棍子”。

在地壳中,铁的丰度名列第四位。仅次于氧、硅和铝。

与元素周期表“中间区”中发现的许多其他过渡金属一样,铁有几种可能的氧化态。也就是说,它可以通过获得或失去不同数量的电子而变得稳定。

最常见的氧化态是+2和+3。这意味着铁通过失去两个或三个电子来实现稳定性。当然,如果它附近有原子准备接受这些电子。

赤铁矿和磁铁矿

在地壳中,几乎所有的铁都以氧化铁的形式与氧结合存在。最常见的两种是氧化铁 (II) FeO 和氧化铁 (III) Fe2O3。这些氧化物在普通土壤中大量存在。

在地壳中发现这些氧化物以及铁的两种最常见的岩石是赤铁矿和磁铁矿。赤铁矿是结晶的 Fe2O3。虽然它有多种颜色,但最常见的是红色调。这就是它的名字的由来,其词根来自希腊语中的“血”。你还记得血原吗?这些名字有一个共同的起源。

赤铁矿是一种非常常见的岩石。在赤铁矿浓度高的地方,人们会以工业规模开采赤铁矿以从中获取铁。

磁铁矿也是众所周知的。它通常是两种氧化物的组合:FeO和Fe2O3。有时它被指定为 Fe3O4。磁铁矿提取铁的效率远低于赤铁矿。如果不是因为一件事,人们可能根本不会关注它:它是地球上磁性最强的物质!磁性如此之大,以至于“磁性”这个名字就由此而来。磁铁矿本身之所以如此命名,是因为它
首先是在希腊的马格尼西亚发现的(顺便说一句,镁就是这个地区的名字。而且不仅仅是)。

一般来说,我们的星球上有大量的铁。找到它也没有问题。问题是这种金属几乎从未以纯净形式被发现。

铁与氧的反应性如此之大,以至于这种金属几乎总是与后者结合在一起。这使得古代人们无法充分利用铁的非常有益的特性。

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从天而降的铁

然而,在地球上发现未氧化的铁非常罕见。这些是M型小行星的碎片。由铁和镍组成。

与其他类型的天行者一样,这些小行星中的一颗有时会穿过地球的路径。而且它们足够大,即使是一小部分也可以到达我们星球的表面。

一些公元前 4000 年左右的埃及和苏美尔矛头源自陨石。虽然当时大部分的武器、盾牌和铠甲都是由青铜制成的。使用陨铁制成的武器的战士,相对于使用铜合金制成的武器的敌人来说,肯定具有极大的优势。陨石材料看起来至少很神奇。用它制成的武器是众神的恩赐。据信,在遥远的时代,陨石铁镍比黄金贵得多。

与许多其他技术进步一样,从岩石中获取铁的方法的发现是不可避免的。当然,它最终发生在不同的地点和不同的时间。

毕竟,几千年前人们就已经对锡和铜做了类似的事情。尽管由于两种金属的熔点和反应性,这更容易做到。锡的熔化温度约为 250°C,铜的熔化温度约为 1100°C,铁的熔化温度约为 1400°C。

另外,必要的技术不仅仅涉及温度:是的,越热越容易熔化,但温度越高,越容易与大气中的氧气发生反应。因此,形成铁氧化物。这是一个极其不受欢迎的过程。

谁学会了开采铁矿?

第一批学会从岩石中提取纯铁的人生活在公元前 2000 年左右的中东。这项技术使他们比其他人具有非凡的优势。这可以与使用箭的世界中枪械的发明相比较。或者是在使用手榴弹的世界中的核弹。如上所述,装备青铜武器和铠甲的士兵与装备铁武器的对手无法相比。或者更确切地说,甚至是由钢制成的。

我想强调铁的一些特性:它不像其他金属那样坚硬和耐用。而且它的抗腐蚀和抗氧化性能肯定不是很好。不,它不是最重、不是最美丽、也不是最硬的金属。然而,在这些方面优于铁的金属要少得多。这种平衡使铁成为金属之王:如果没有其他金属,我们可能会建立现在的技术文明。没有金、银、钛和铝,我们也能取得今天的成就。但并非没有铁。我们是一个真正建立在钢铁之上的文明。

然而,任何头脑清醒的人都不会使用纯铁来制造武器或工兵铲。因为与许多其他金属(例如铝)不同,纯铁不会在其表面形成一层薄薄的氧化物来保护其免受进一步氧化。铁生锈的速度非常快,其氧化物所占的体积比纯铁大得多。因此,氧化部分在微观层面上“膨胀”,密度变得更低,最终分解并与金属的其余部分分离。

结果,内部暴露在天气条件下,进而再次氧化。这个过程不断地、逐渐地发生,直到某个机构的整个部分或其他由铁制成的产品被氧化。

另外,纯铁与铝一样是软金属。然而,添加极少量的某些杂质,尤其是碳,就足以从根本上改变这种情况。每百万份铁中只要含有十份碳,铁的硬度就会增加一倍。而含碳量为1-2%,就可以达到纯铁做梦也想不到的硬度!在这种情况下,我们讨论的是一种合金,它可以有多种类型。他的名字叫钢铁。

简单来说,钢有其独特的性能,因为“注入”到铁结构中的碳原子起到了“锚”的作用,阻止了金属结构中“不均匀性”的自由移动,并且易于分离。将金属切成碎片。

当然,如果杂质太多的话,这也不太好。由于“锚”太多而用于紧固的材料太少,钢材变得非常脆。因此,在铁中添加碳时,必须保持平衡。

通过在钢中添加其他金属(甚至硅等非金属),可以获得更高强度、更轻但极其有用的钢版本。但归根结底,这一切本质上都是硬件及其助手。

人们使用的金属95%是铁与碳和其他化学元素的合金,即钢。没有这种合金,就不会有工业、飞机、汽车、发动机、大型建筑,几乎没有任何代表我们工业社会的特征。我们的物种还没有找到更好的技术进步盟友。

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血红蛋白

但铁不仅是维持我们文明运转所必需的。没有这种金属我们就无法生存。因为它在人体的生物化学中起着基础作用。

有许多蛋白质含有铁原子。毫无疑问,其中最著名的是血红蛋白。这种蛋白质存在于几乎所有脊椎动物的红细胞中,负责将氧气捕获在肺部,然后将其输送到血液中的细胞,以便它们能够进行细胞呼吸。血红蛋白还能够运输其他气体的分子,例如二氧化碳或一氧化氮。

O2、NO 或 CO2 分子的“捕获”和“释放”的发生,除其他外,要归功于血红蛋白中存在的铁原子,它可以进行氧化还原反应,获取或捐赠电子,并保持“卡”在需要的分子中。待运输。

如果你现在还能呼吸,那只能归功于铁。每天,人体会消耗大约 20 毫克这种元素来产生红细胞。公平地说,应该指出的是,部分铁是从死亡的红细胞中“回收”的。因此,根本没有必要每天摄入那么多的铁。

但血红蛋白并不是一切。一个健康、营养充足的成年人体内约含铁4-5克。其中一半是血红蛋白。细胞还在许多其他蛋白质中使用金属,这些蛋白质负责许多化学反应,没有这些化学反应细胞就无法生存。再次由于铁在氧化和还原方面的多功能性。

人体缺铁会导致贫血。这种疾病会导致血红蛋白缺乏,从而导致血液中缺氧。

但另一方面,正如通常的情况一样,适量补充铁剂也是有好处的。因为这种元素在体内过量会导致中毒。

小心铁!

讽刺的是,这种危险恰恰与铁的氧化多功能性有关。如果我们摄入铁,身体会将其用作蛋白质的一部分,那就没有问题。但如果血液中存在过多“未使用”的铁,即 Fe2+ 或 Fe3+ 离子,它们就会进入细胞并与各种化合物发生反应,形成自由基。这可能会导致遗传和其他损害。

我们体内有一组称为转铁蛋白的蛋白质,负责解决这个问题。它们“捕获”血液中多余的游离铁。但如果有大量铁,它们可能无法应对。

当然,铁中毒是很难发生的。即使你每天都嚼军用撬棍。

大多数中毒发生在有人使用针对金属缺乏症患者的铁补充剂时,而使用者并未缺铁。当孩子无意中吃了他不需要的补充剂时,这种情况尤其常见。此类补充剂的毒性取决于每公斤体重的铁含量。

铁。完美平衡。分布良好。必不可少的。

这难道不值得人类特别感恩吗?