鐵元素探秘之一,起源的故事

2020-12-25 劉老師聊科學

在門捷列夫元素周期表中,任何一種元素都沒有象鐵這樣與人類文明史發生如此密切聯繫的了。考古證據表明,人類使用鐵至少有5000年的歷史。

鐵的概論

鐵的拉丁名是ferrum,這是它的原子符號Fe的來源。這個詞來自盎格魯-撒克遜語的「iren」。「iren」在古語裡有「神聖的金屬」的意思,因為它被用來製造十字軍東徵中使用的劍。

鐵元素

鐵是所有金屬中最便宜和最豐富的一種,佔了近5.6%的地殼和幾乎所有的地核。鐵主要從赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)中獲得,褐鐵礦(FeO(OH)·nH2O)和菱鐵礦(FeCO3)是重要來源之二。

鐵是一種易碎、堅硬的物質,在元素周期表上被歸為第8類金屬。它是所有金屬中含量最豐富的一種,純鐵是一種相當柔軟的具有延展性灰白色金屬,是良好的電和熱導體。它很活潑,非常容易被腐蝕或生鏽。鐵有四種不同的同素異形體,這意味著它有四種不同的結構形式,其中原子以不同的方式結合。在常溫下,鐵最穩定的形式是鐵素體。

按重量計算,鐵也是地球地殼中第四常見的元素。地球的固體內核和液體內核主要由鐵組成(按重量計算分別約佔85%和80%)。美國宇航局稱,液態鐵產生的電流產生了保護地球的磁場。

鐵是宇宙中第六大最豐富的元素。除了在地球上普遍存在外,在太陽和其它行星中也大量存在。火星表面是紅色的,就是由於火星表面有大量的氧化鐵,火星地殼中氧化鐵的含量是地球的兩倍多。

鐵元素

古代最貴金屬

事實上,人類已知的最古老的一些鐵實際上是從天上掉下來的。2013年《考古科學》(Journal of archaeological Science)發表的一篇文章中,科學家檢測了來自公元前3200年左右的古埃及鐵珠,發現它們是由鐵隕石製成的。《聖經》舊約也多次提到了鐵。

一些古人把鐵珍藏起來,認為它比黃金還要珍貴。在古羅馬,很多結婚戒指也是鐵製的。很多貴族把鐵製的裝飾品戴在身上來炫耀自己的富有,要知道,這些耐磨的裝飾品可不是所有貴族都能負擔得起的。即便在近代,一些落後的部族仍然心甘情感地為鐵支付高得簡宜荒唐可笑的價錢。十八世紀著名的英國探險家詹姆斯.科克(James Cook) 描述了玻里尼西亞土著人對鐵的態度: 「沒有任何東西像鐵這種金屬那樣對我們船上的那些來客更富有吸引力了,他們最渴望得到鐵,他們認為最貴重的商品也是鐵。」科克手下的人用一枚生鏽的鐵釘換來了一頭豬。

鋼鐵是怎樣煉成的

根據英國皇家化學學會的數據,目前提煉的所有金屬中,90%是鐵。其中大部分被用來製造鋼鐵——鐵和碳的合金。鋼的含碳量一般在0.3%到1.5%之間,具體取決於所需的特性。

其他元素的加入能使鋼具有其他有用的性能,最常見的不鏽鋼,含有至少10.5%的鉻,具有高度耐腐蝕的特性,被廣泛用於生活裡的餐具、電器和炊具,如不鏽鋼鍋和廚房刀具。

在鋼鐵裡加入鎳可以增加鋼的耐久性和耐熱、耐酸能力;加入錳可以增加鋼的強度和耐磨性;加入鉬可以增加鋼的強度和耐熱性;加入鎢可以讓鋼在高溫下仍保持硬度;加入釩可以增加鋼的強度和彈性。

鋼鐵既可以用來製作小小的回形針,也被用來支撐起摩天大樓的鋼筋。而鐵對於生命來說,更是不可或缺,請看明天的文章《鐵元素探秘之二》。

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