元素

26 铁 血液的核心元素

本文投稿作者 漂泊

铁元素对人类社会来说,是一种非常重要的金属元素。钢铁是人类使用最为广泛的金属材料,它在各种工业场所、建筑工地以及我们的日常生活中都扮演着至关重要的角色。铁也是人体中非常重要的血红蛋白的组成部分,是运输氧气的关键原子,可以说是人体正常生命活动的基石。缺铁则可能会导致贫血。除此之外,磁铁、铁红、高铁酸钾等多种化合物也在不同的领域发挥着重要的作用……

铁的基本物理性质

分类 过渡金属
原子序号原子量 55.845
电子配置 3d64s2
密度 7870kg / m 
熔点 1538°C
沸点 2750°C
形状 银白色金属
丰度 5.64%(地壳)
发现者 远古人类
主要的同位素 56Fe, 57 Fe
用途例 钢铁、磁铁、净水剂(高铁酸钾)
前后的元素 锰-铁-钴

铁的发现与铁的冶炼

铁是人类最早使用的金属之一,人类最早发现的铁来自于从天而降的陨石,陨石含铁的百分比很高(铁陨石中含铁90.85%),是铁和的混合物。由于冶炼铁的方法还未成熟,因此铁在那时被认为是一种神秘的珍贵金属。早在古埃及4000年前的第五王朝至第六王朝的金字塔所藏的宗教经文中,就记述了当时太阳神等重要神像的宝座是用铁制成的。[1]埃及人将铁叫做“天石”,而在古希腊文中,“星”与“铁”是同一个词,这都表明了人们对于这一来自宇宙的神秘金属的尊崇。

随着青铜熔炼技术的成熟,铁的冶炼技术也得道了快速发展。最早的铁制物件发现于公元前3500年的古埃及。它们包含7.5%的镍,表明这是用陨铁加工制作的。古代小亚细亚半岛(也就是现今的土耳其)的赫梯人在3500年前第一个从铁矿石中冶炼出了铁,这种新的、坚硬的金属给了他们经济和政治上的力量,铁器时代开始了。中国也是最早发现和掌握炼铁技术的国家之一。中国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交的时期出现的,江苏六合县春秋墓出土的铁条、铁丸,和河南洛阳战国早期灰坑出土的铁锛是目前能够确定的中国最早的生铁工具。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。[2]

用于冶炼的铁矿石含有许多不同的种类,如磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿等等。铁在自然界中主要以化合物的形式存在,绝大多数是氧化物。很多铁矿石中也伴生这一些其他的金属元素,如某些铁矿石包含钒,生产出叫做大马士革的钢,很适合制剑。目前主要采用焦炭以及一些其他的添加剂通过高炉冶铁的方式来制备生铁,生铁中含有大量的碳,需要进一步的处理才能得到钢。钢是人类社会用量最大,使用范围最广的金属材料,它为人类社会的发展做出了不可磨灭的贡献。

陨铁                                                      赤铁矿                                              磁铁矿

 

磁铁与铁磁性

磁铁不是人类发明的产物,它来自于天然的磁铁矿。在古代,中国人发现有一种奇怪的石头可以将铁质物品吸引起来,并且在随意摆动后总是指向同一方向。一些航海的人就将这种石头磨成针状,用来在海上航行时辨别方向,这就是著名的指南针。中国古代发明的司南也是用磁铁制作的。

磁铁的主要成分是铁、钴、镍等过渡金属的化合物,这些元素的原子的电子排布非常特殊,导致其本身就具有磁矩,因此每一个原子都相当于一个微小的磁体,这些小磁体聚集在一起,就成了磁铁。磁铁能够产生磁场,从而吸引具有铁磁性的物质,如、钴等金属。所谓铁磁性,是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列,当所施加的磁场强度增大时,这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值,从而产生一个较大的磁场的现象。在铁磁性物质内部,如同顺磁性物质,有很多未配对电子。由于交换作用,这些电子的自旋趋于与相邻未配对电子的自旋呈相同方向。由于铁磁性物质内部又分为很多磁畴,虽然磁畴内部所有电子的自旋会单向排列,造成“饱合磁矩”,磁畴与磁畴之间,磁矩的方向与大小都不相同。所以,未被磁化的铁磁性物质,其净磁矩与磁化矢量都等于零。一旦被磁化,这些磁矩又会排列成同一方向。根据磁化的过程是否可逆,磁体又可分为永磁体和软磁体,软磁体的磁性会慢慢消失。[3]


各式各样的磁铁

指南针                                                                       司南

 

铁锈

生活中我们会使用大量的铁器,一般用一段时间后,铁器就会生锈,这些铁锈呈红棕色,比较疏松,有的甚至会导致铁器破损。每年都会有大量的铁制品因为防锈工作做得不好而报废。铁锈的主要成分是含有结晶水的三氧化二铁。由于我们日常中使用的铁都不是纯铁,通常含有一定量的碳,空气中又含有一定量的水蒸气,当这些水蒸气在铁器表面形成水膜时,一个微型原电池就形成了——碳是正极,铁是负极。若是在经常下酸雨的地区,空气中通常含有很多的酸性气体,这些气体会溶解在水膜中,并解离出一定的氢离子,这时就会发生析氢反应,氢离子会得到电子形成氢气,而铁则会失去电子,发生溶解,导致腐蚀;若水膜的pH呈中性,则会发生吸氧反应,铁失去电子发生溶解,而氧气得到电子,进入溶液形成氢氧根,二者结合形成氢氧化铁,氢氧化铁在空气中失去部分结晶水就成了铁锈。

铁锈也并不全是坏的,这也是一种重要的工业原料,它可以用于加工制造油漆、油墨、等,还可做催化剂,以及玻璃宝石、金属的抛光剂,或者用作炼铁原料。氧化铁最大的应用是作为颜料来使用。按颜色分为氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁黑。故宫的围墙上所用的红色颜料就是铁红,也就是用铁锈加工制造而成的。

铁器生锈                                            铁锈

故宫宫墙                                                                                  铁腐蚀原理

血红蛋白

铁对于人体来说,是一种非常重要的元素,人体的血液中含有大量的铁。铁是人体红细胞中血红蛋白的重要组成部分,对氧气的吸收的和运输起到了关键作用。缺少血红蛋白可能会导致贫血。血红蛋白是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质,也是红细胞中唯一的非膜蛋白。它由珠蛋白和血红素组成,血红素是使血液呈红色的原因,其珠蛋白部分是由两对不同的肽链(α链和β链)组成的四聚体。在与人体环境相似的电解质溶液中血红蛋白的四个亚基可以自动组装成α2β2的形态。血红蛋白的每个亚基由一条肽链和一个血红素分子构成,肽链在生理条件下会盘绕折叠成球形,把血红素分子抱在里面,这条肽链盘绕成的球形结构又被称为珠蛋白。血红素分子则是一个具有卟啉结构的小分子,在卟啉分子中心,由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与一个亚铁离子配位结合,珠蛋白肽链中第8位的一个组氨酸残基中的咪唑侧链上的氮原子从卟啉分子平面的上方与亚铁离子配位结合,当血红蛋白不与氧结合的时候,有一个水分子从卟啉环下方与亚铁离子配位结合,而当血红蛋白载氧的时候,就由氧分子顶替水的位置。[4]

血红蛋白中铁(II)能可逆地结合氧分子,这取决于氧分压。它能从氧分压较高的肺泡中摄取氧,并随着血液循环把氧气释放到氧分压较低的组织中去,从而起到输氧作用。一氧化碳具有极强的配位能力,它与血红蛋白中铁的结合能力比氧强,即使浓度很低也能优先和血红蛋白结合,这会导致通往组织的氧气流中断,造成人体中毒(使氧气与血红蛋白的结合能力下降,从而使人窒息而死亡)。

除了血红蛋白,人体肌肉中的肌红蛋白也含有铁元素,这也是肌肉呈红色的原因。

血红蛋白及其结构

 

参考文献

  1. Photos, E. (1989). “The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results”. World Archaeology. 20 (3): 403-421.doi:10.1080/00438243.1989.9980081
  2.  Chikazumi, Sōshin (2009). Physics of ferromagnetism. English edition prepared with the assistance of C.D. Graham, Jr (2nd ed.). Oxford: Oxford University Press. p. 118.
  3. 《生物化学原理》(第二版),杨荣武,高等教育出版社,2012,9

相关链接

化学元素的发现及其探源-铁

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