【種花家務·化學】3-5-01鐵的性質——『數理化自學叢書6677版』當前播報

來源：嗶哩嗶哩　　2023-02-20 22:08:46

【閱前提示】本篇出自『數理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續出版，并于1977年正式再版的基礎自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經與如今迥異，因此不建議零基礎學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內容較新而且還又增添了25本大學基礎自學內容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業余時間，將『數理化自學叢書6677版』上傳成文字版。??

(相關資料圖)

第五章鐵

§5-1鐵的性質

【01】鐵和由生鐵煉成的鋼，是應用最廣的金屬。象工業機器、農業機械、交通運輸工具、國防武器等的制造，現代廠房和橋梁等的建筑，都要用到大量的鋼鐵材料。所以，鐵和鋼的冶煉在國民經濟上起著極為重要的作用。

【02】鐵是元素周期表第Ⅷ里的一個元素。與它在同一周期里的還有鈷Co和鎳Ni兩種元素。這三種元素的原子最外層上的電子數都是2，次外層上分別是13、14、15。在參加化學反應時，它們除能失去最外層上的2個電子外，還能失去次外層上的1個電子，因此它們的性質非常相似。在本章里我們將以鐵作為第Ⅷ元素的代表，來學習它的性質和重要化合物，并介紹有關鐵和鋼的治煉的原理等知識。

鐵的物理性質

【03】純凈的鐵是一種具有銀白色光澤的、堅韌的金屬，比重7.86，熔點1535℃，能被磁鐵吸引。鐵受到電流作用的時侯，本身就會變成磁鐵，而一當電流作用去掉以后，又會立即失去磁性。工業上常利用它的這一性質，用純凈的鐵來做電磁鐵。

鐵的原子結構和化學性質

【04】鐵的原子序數是26，也就是說，鐵的原子核所帶的電荷是+26，所以核外有26個電子。鐵原子的結構可用簡圖表示如下：

【05】鐵原子的最外電子層上只有2個電子，這2個電子很容易失去，所以鐵是一個化學性質相當活動的金屬，在一定條件之下，它能跟多種非金屬、水、酸和鹽等起反應。鐵原子不但容易失去最外層的2個電子，成為亞鐵離子Fe??，并且還會失去次外層上1個電子，成為鐵離子Fe???，因此，通常鐵的化合物里的鐵有+2價和+3價兩種。

【06】下面我們來討論鐵的化學性質。

1、鐵跟氧氣和其他非金屬的反應

【07】常溫時，鐵在干燥的空氣里很難氧化，但在潮濕的空氣里或在氧氣里灼燒，鐵的表面就會生成一種暗褐色的四氧化三鐵：

【08】2e+2×3e【這樣寫法，表示三個鐵原子里的一個鐵原子失去2個電子，二個鐵原子可失去3個電子，四個氧原子共獲得8個電子】。

【09】加熱時，鐵也能跟其他非金屬如硫、氯等化合：

【10】在鐵原子跟硫原子的反應里，鐵原子失去最外電子層的2個電子變成亞鐵離子Fe??，硫原子得到鐵原子的2個電子變成硫離子S??，然后兩者結合成硫化亞鐵FeS的分子。在鐵跟氯的反應里，鐵原子不但失去了最外電子層的2個電子，而且又失去次外層里的1個電子，因而變成了鐵離子Fe???。氯原子得到鐵原子所失去的電子變成了氯離子Cl?，然后兩者結合成氯化鐵FeCl?的分子。鐵跟硫或跟氯的反應，在原子結構上所以會產生這樣不同的變化，主要是因為氯氣是一種更強的氧化劑，它奪取鐵原子的電子的能力比硫強的緣故。

【11】在高溫下，鐵還能跟碳、硅和磷等化合。例如，鐵跟碳化合能生成一種十分脆硬而難熔的碳化鐵Fe?C。

2、鐵跟水的反應

【12】紅熱的鐵能跟水蒸氣反應，置換出氫氣，并生成四氧化三鐵。

【13】工業上往往利用這個反應來制取大量的氫氣。

【14】在常溫下，鐵不能跟水反應。但如果受到水、空氣里的氧氣和二氧化碳等幾種物質共同作用時，鐵就會發生銹蝕，生成鐵銹（§1-4）【山注，化3-1-04，傳送門CV21859855】。鐵銹是鐵的含水氧化物，它的成分接近于Fe?O?·H?O。它是一層松脆多孔的物質，可以讓水蒸氣和氣體透過。因此鐵表面的鐵銹不能保護里面的鐵不再受到銹蝕。當鐵制品在潮濕的地方放置過久時，就會完全被銹蝕，我們在使用鐵制物件時必須注意這一點。

3、鐵跟酸或鹽的反應

【15】在金屬活動性順序里（§1-2）【山注，化3-1-02第12段，傳送門CV21855620】，鐵是在氫的前面，因此鐵能跟酸類（如稀硫酸或稀鹽酸）起反應，置換出氫氣：

【16】但在常溫下，鐵跟濃硫酸和濃硝酸幾乎不起反應，因為鐵遇到這些酸會在表面上生成一層很致密的保護膜（鈍化），從而阻礙了反應的繼續進行。

【17】鐵也能跟比它活動性較弱的金屬鹽溶液起反應，并把這種金屬置換出來。例如：

【18】從上面鐵跟非金屬、水、酸和鹽的反應里，我們可以看出：

【19】(1)在以上各個反應里，都有得失電子的變化，所以，這些反應都是氧化-還原反應。鐵原子在這些反應里總是失去電子，它是還原劑。

【20】(2)鐵跟強的氧化劑（例如氯氣）反應會生成+3價鐵的化合物；跟較弱的氧化劑（例如硫）反應生成+2價鐵的化合物。

自然界里的鐵

【21】鐵是自然界里分布很廣的金屬，約占地殼總重量的4.2%。由于它的化學性質相當活動，所以在自然界里鐵很少以游離態存在，地殼里的鐵大都是鐵跟硫、氧等元素的化合物。

【22】比較重要的鐵礦石有：磁鐵礦Fe?O?、赤鐵礦Fe?O?、褐鐵礦2Fe?O?·3H?O、菱鐵礦FeCO?和黃鐵礦FeS?等。磁鐵礦和赤鐵礦是煉鐵的主要原料。鐵礦石中常含有雜質，這些雜質通常叫做脈石。脈石一般是由SiO?、Al?O?、CaO、MgO等氧化物組成的化合物，它們主要是硅酸鹽。

【23】生物體內也含有多種鐵的化合物，其中大部分存在于動物的血紅蛋白里。人體缺少鐵，就會引起貧血癥。我們在日常生活中多吃一些豬肝、菠菜、芹菜等含鐵質較多的食物，可以保證體內鐵質的需要。鐵也是植物營養必需的元素之一。如果土壤里缺乏鐵，就會影響植物體內葉綠素的生成，阻礙植物的生長。