铁（拼音：tiě，注音：ㄊ丨ㄝˇ，粤拼：tit3；英语：Iron），是一种化学元素，化学符号为Fe（源于拉丁语：Ferrum），原子序数为26，原子量为55.845 u，属于第一列过渡元素，位在周期表的第8族。依质量计，是在地球上是占比最多的元素，为地球外核和内核的主要成分。它也是地壳中含量第四多的元素。
平滑的纯铁表面为如镜面般的银灰色，但铁容易与氧和水反应，产生棕色或黑色的水合氧化铁，俗称铁锈。不同于其它金属的氧化物可以钝化金属，铁锈的体积大于原本的铁，容易剥落，露出新的表面并继续被锈蚀。虽然铁容易反应，但电解产生的高纯铁有较好的抗腐蚀性。
一个成年人的身体含有约4公克（0.005％的体重）的铁，主要分布在血红素和肌红蛋白。这两种蛋白质在脊椎动物代谢中扮演极为重要的角色，前者负责在血液中运送氧气，而后者则承担起在肌肉中储藏氧气的责任。为了维持人体中铁的恒定及代谢，需要从饮食中摄取足量的铁。铁也是许多氧化还原酶的活性位置上的金属，其涉及细胞呼吸作用及植物和动物的氧化还原反应。[4]
在化学上，铁最常见的氧化态为二价铁离子和三价铁离子。铁具有其他过渡金属的特性，包括了其他第8族元素、钌和锇。铁可形成各种氧化态的化合物（-2到+7）。铁也可形成多种配合物，例如：二茂铁、草酸铁离子及普鲁士蓝，具有大量的工业、医学及研究应用。
物理性质 纯铁是有光泽、较软、有延展性的银白色金属，密度7.873 g/cm3，熔点为1535℃，沸点为3070℃。[5]它有很强的铁磁性，并有良好的可塑性和导热性。日常生活中的铁通常含有碳因而暴露在氧气中容易在遇到水的情况下发生电化学腐蚀，而纯度较高的铁则不易腐蚀[6]。
同素异形体 主条目：铁的同素异形体
α-铁在室温下的摩尔体积与压力的关系 铁有四种已知的同素异形体，它们的名称通常表示为α、γ、δ和 ε。
在低压下，铁的相图 前三种铁的同素异形体可以在常压下存在。当液态的铁冷却到1538 °C以下时，它会结晶成体心立方晶系的δ-铁。继续冷却到1394 °C时，它会变成面心立方晶系的γ-铁（奥氏体）。到了912 °C以下，铁又会变成体心立方晶系的α-铁。[7]
因为与地球和其它行星核心的理论相关，铁在非常高的压力和温度下的物理特性得到了广泛研究[8][9]。在约10 GPa和低温下，α-铁会转变成六方最密堆积结构的ε-铁。高温下的γ-铁也会转变成ε-铁，不过需要更高的压力。
有争议的实验证据称在50 GPa以上的压力和至少1500 K的温度下存在稳定的β相。它应该具有正交晶系或双六方最密堆积结构。[10] （令人困惑的是，“β-铁”有时也用来指居里点以上，从铁磁性变为顺磁性的α-铁，但其晶体结构其实没有改变。）[11]
科学家通常假定地球内核由ε相（或β相）的铁镍合金组成。[12]
熔点和沸点 铁的熔点、沸点和原子化焓都低于早期的3d元素——钪到铬，显示3d电子对金属键的贡献随着原子核越来越大而被吸引而减少。[13]然而，锰的这些数据都低于铁，因为它具有半充满的3d亚电子层，因此d电子不容易离域。这个现象也出现在钌中，但没出现在锇中。[7]
铁在低于50GPa的压力下的熔点已通过实验测量。对于更大的压力，截至2007年公布的数据仍然存在巨大的差异。[14]
磁性
9种铁磁性材料的磁化曲线，显示磁场强度H大到一定程度时会发生磁饱和。1. 钢板、2. 硅钢、3. 铸钢、4. 钨钢、5. 磁钢、6. 铸铁、7. 镍、8. 钴、9. 磁铁矿[15] 在居里点770 °C（1,420 °F；1,040 K）以下，α-铁会从顺磁性转变成铁磁性。铁原子有两个不成对电子，它们的自旋通常会和周围电子的自旋一样，产生磁场。[16]这两个电子的轨道dz2和dx2 − y2不指向晶格中的其它原子，因此不参与金属键。[11]
在没有外部磁场的情况下，铁原子会自发形成大小约10微米的磁畴。[17]磁畴中的原子的磁矩方向保持一致，但每个磁畴的磁矩方向都不一样，抵消了其它磁畴的磁场，所以大块铁的磁场几乎为零。[18]
外部磁场会使所有磁畴的磁矩指往一个方向，从而增强外部磁场。这可以用来改变物体的磁场，并在变压器、磁储存和电动机中得到应用。杂质和晶格缺陷可以使磁畴固定在那个方向，从而使铁制品移除外部磁场后仍有磁性，变成永久磁铁。[16]
同位素 主条目：铁的同位素 铁有四种稳定同位素，分别是54Fe（丰度5.845%）、56Fe（91.754%）、57Fe（2.119%）和58Fe（0.282%）。铁除了这些稳定同位素以外还有24种人造同位素。稳定同位素中只有57Fe有自旋（−1⁄2）。54Fe理论上可以双电子捕获成54Cr，但该过程仍未被观察到，半衰期下限3.1×1022年。[19]
60Fe是有长半衰期（260万年）的绝种同位素。[20]它已经全部衰变成稳定的60Ni，所以已经不存在于地球。[19]过去关于铁同位素组成的大部分研究都集中在60Fe的核合成。质谱法的进步使我们可以检测和量化铁的稳定同位素比率的微小变化。[21]
对陨石Semarkona和Chervony Kut里的60Ni（60Fe的衰变产物）丰度和铁的稳定同位素的丰度研究表明太阳系形成时存在60Fe。在46亿年前小行星形成之后，60Fe和26Al的衰变产生的能量可能使它们重新熔化和分异。太阳系星体中的60Ni丰度可以使我们进一步了解太阳系的起源和早期历史。[22]
铁最常见的同位素56Fe因为是核合成最常见的终点，所以是核科学家感兴趣的对象。[23]因为56Ni（由14个α粒子聚变而成）可通过超新星的氦核作用 （见硅燃烧过程）合成，而再加多一个α粒子产生60Zn需要吸收能量，所以56Ni是第三星族星核聚变的终点。半衰期六天的56Ni会被大量产生，但很快就会在超新星遗迹中先衰变成有放射性的56Co，再衰变成稳定的56Fe。这使得铁成为红巨星核心里最常见的元素，也是铁陨石和像地球这样的类地行星的核心中最常见的金属。[24]相较于其它原子量相近的元素，铁很常见。[24][25]它是宇宙中第六丰富的元素，也是最常见的耐火元素。[26]
虽然62Ni有比56Fe略高的结合能，但恒星的条件无法合成62Ni。超新星比起合成镍更倾向于合成铁，而且因为质子占比更大，使得56Fe的每个核子的平均质量低于62Ni。[27]比铁重的元素都需要超新星通过56Fe的r-过程合成。[24]
在遥远未来，如果质子不会衰变，那么量子隧穿效应会使比56Fe轻的原子核都聚变成56Fe，而比56Fe重的原子核则会通过自发裂变和α衰变衰变成56Fe。最终，所有有恒星质量的物体都会变成冰冷的铁球。[28]
分布 宇宙 因为Ia超新星核聚变和爆发向太空喷出了大量的铁，所以铁在类地行星中大量存在。[29][30]
地壳
鲁西永的红土 铁是地球上分布最广的金属之一，占了地壳质量的5%，位居第四，仅次于氧、硅和铝。[31]这些铁大多和各种元素化合，生成各种铁矿，其中主要的是赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）和菱铁矿（FeCO3）。铁也有硫化物矿物，它们在自然界中以火成岩磁黄铁矿和镍黄铁矿形式存在。[32][33]铁的硫化物和硅酸盐风化时容易分别转化成硫酸盐和碳酸氢盐，它们在水溶液中都会被氧化成三氧化二铁沉淀。 历史 铁矿石是地壳主要组成成分之一，铁在自然界中分布极为广泛，但人类发现和利用铁却比黄金和铜要迟。首先是由于天然的单质状态的铁在地球上非常稀少，而且铁容易氧化生锈，加上铁的熔点（1812K）又比铜（1356K）高得多，使得铁比铜难于熔炼。
人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石，陨石中含铁的百分比很高，是铁和镍、钴等金属的混合物，在融化铁矿石的方法尚未问世，人类无法大量获得生铁的时候，铁一直被视为一种带有神秘性的最珍贵的金属。
铁的发现和大规模使用，是人类发展史上的一个里程碑，它把人类从石器时代、青铜器时代带到了铁器时代，推动了人类文明的发展。至今铁仍然是现代化学工业的基础，人类进步所必不可少的金属材料。
钢铁冶金的发展 铁是古代就已知的金属之一[68]，但因为铁容易生锈，所以很久以前的铁制品要比金银制品少很多。[69]
陨铁
图为来自格陵兰的铁鱼叉，它的铁源自已知最大的陨石之一约克角陨石。 在格尔津发现了可追溯到公元前3500年，由陨铁做成的珠子。[70]这些珠子含镍7.5%，而地壳中的铁的镍杂质很少，表示它们是用陨石制造的。
当时人们认为陨铁来自天界，所以它们备受推崇，常被用来锻造武器和工具。[70]举个例子，在图坦卡蒙的陵墓中有一把由陨铁打造的匕首，其铁、钴和镍的比例与当地陨石相似。[71][72][73]埃及人使用的铁制品可追溯到公元前3000年至公元前2500年。 用途 建材 铁是用处最广的金属，占了全球金属生产量的90%。铁的低成本和高强度使它成为承受压力或传递力的首选材料，如机床、铁轨、汽车、船体、钢筋和建筑的承重框架。纯铁较软，因此铁通常会和其它金属混合，形成合金。[78]
催化剂 生产氨的哈伯法和把一氧化碳转化成碳氢化合物的费托合成都需要铁催化剂。[79]铁粉的酸性溶液则是贝尚还原反应中把硝基苯还原成苯胺的还原剂。[80]铁催化剂在把生物质转化成燃料[81]、合成精细化学品[82][83]、燃料电池[84]以及危险化学品无害化[85][86][87][88]中发挥着至关重要的作用。
铁化合物 铝热剂（氧化铁和铝粉的混合物）可用于焊接铁轨。[89][90]三氯化铁用于水净化、污水处理、布料染色、动物饲料添加剂和印制电路板的蚀刻。[91]三氯化铁的乙醇溶液可以止金丝雀的血。[92]
硫酸亚铁可以生产其它铁化合物。它也用于还原水泥中的铬酸盐，对食物营养强化和治疗缺铁性贫血。硫酸铁则用于沉淀水池中的微小颗粒。氯化亚铁是絮凝剂，也是有机合成的还原剂。[91]
对生物的影响 主条目：生物学中的铁 生命需要铁。[4][93][94]可以固氮的固氮酶中含有铁硫簇。含铁蛋白质参与了氧气的运输和储存，[4]还参与了电子转移。[95]
血红素B的结构 含铁蛋白质包括血红蛋白、细胞色素和过氧化氢酶。[4][96]成年人体内含约四克的铁，其中有四分之三以血红蛋白形式存在。虽然人每天只吸收了一毫克的铁，[95]但因为人体会回收血红蛋白中的铁[97]，所以人体的铁含量一直保持恒定。
铁(II)的氧化或铁(III)的还原可能有助于微生物生长。[98]
营养 饮食 富含铁的食物有红肉、牡蛎、豆类、家禽、鱼类、绿叶蔬菜、西琼脂、豆腐和糖蜜。[4]面包和谷物片有时也会特别加铁。[4][99]
铁膳食补充剂通常以延胡索酸亚铁或硫酸亚铁形式存在。[91]单质铁虽然吸收率只有硫酸亚铁的三分之一至三分之二，[100]但也常被加到谷物片和面粉中。和氨基酸螯合的铁的吸收率最高[101]，因此也可作为铁补充剂。最便宜的氨基酸甘氨酸就常被用来生产甘氨酸铁补充剂。[102]
饮食建议 美国国家医学院在2001年发布了铁最新的估计平均需求和推荐膳食摄入量。[4]对14–18岁的女人来说，铁的估计平均需求是每天7.9毫克，到了19–50岁增加到8.1毫克，而绝经后则减少到5.0毫克。对于19岁和以上男人，他们的估计平均需求为每天6.0毫克。15–18岁的女人的铁推荐膳食摄入量为每天15.0毫克、19–50岁18.0毫克、超过50岁8.0毫克。19岁和以上的男人的铁推荐膳食摄入量都是每天8.0毫克。孕妇的铁推荐膳食摄入量是每天27毫克，而哺乳期妇女的则为每天9毫克。[4]1–3岁的儿童的铁推荐膳食摄入量为每天7毫克、4–8岁10毫克、9–13岁8毫克。出于安全原因，当证据充足时，美国国家医学院也会给营养素设定可耐受最高摄入量。铁的可耐受最高摄入量为每天45毫克。这些值都是参考膳食摄入量。[103]
如果婴儿喝的是牛乳，那么他们可能也需要铁补充剂。[104]频繁捐血的人有缺铁的风险，因此常被建议补充铁。[105]
缺乏 主条目：缺铁 缺铁是世界上最常见的营养不良。[4][106][107][108]如果缺少的铁没有通过饮食补充，就会导致潜伏性缺铁，之后会更进一步导致缺铁性贫血。[109]儿童、停经前期的女人和饮食不当的人最容易患此病。虽然大多数缺铁性贫血病例轻微，但如果不治疗，就会造成心跳加快或不规律、妊娠并发症以及婴儿和儿童生长迟缓等问题。[110]
参见 化学主题 铁循环 纳米铁粒子 铁质施肥 铁氧化细菌 各国铁矿石产量列表 不锈钢 钢
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