鐵元素的基本性質(zhì)
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-06-11
除了這個(gè)元素現(xiàn)在沒(méi)有氧化態(tài)等于價(jià)層電子總數(shù)（8）的化合物或化學(xué)上重要情況以外，已注意到連續(xù)氧化態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定性的趨勢(shì)。已知鐵的最高氧化態(tài)是Ⅵ，但也稀少和重要性不大。即使三價(jià)狀態(tài)的重要性提高到鉻的水平，到二價(jià)狀態(tài)其重要性立刻下降。我們?cè)谙旅鎸⒖吹竭@種傾向的繼續(xù)，CoⅢ有許許多多絡(luò)合物是穩(wěn)定的，這是唯一的例外。
鐵的化合物適合于研究典型的核共振光譜，它取決于通稱(chēng)為穆斯堡效應(yīng)的現(xiàn)象。雖然該效應(yīng)已對(duì)約三分之一的元素進(jìn)行了觀察，只有鐵和錫（在較小程度上）是化學(xué)較重要的研究工具。關(guān)于鐵，這種效應(yīng)決定于在Co衰變中形成的Fe核有一個(gè)激發(fā)態(tài)（t1/2～10(-7次方)秒），高于基態(tài)14．4千電子伏特，這能引起很尖銳的共振吸收峰。因此，如果57Co源的γ－輻射落到與原子原環(huán)境相同的鐵核的原子吸收器上，就會(huì)發(fā)生γ－射線的共振吸收。然而，如果鐵核處在不同環(huán)境，就不發(fā)生吸收，而輻射透過(guò)這是可以測(cè)量的。為了對(duì)有關(guān)的源得到共振吸收，必須對(duì)吸收器給予（相對(duì)于源的）速度。這種運(yùn)動(dòng)改變?nèi)肷淞孔拥哪芰浚ǘ挪├眨―öppler）效應(yīng)），因此一種確定的速度有著相應(yīng)于吸收器內(nèi)核的激發(fā)能。吸收位移相對(duì)于不銹鋼作為零，通常以速度來(lái)表示（毫米·秒-1）而不是用能量。共振吸收位移決定于化學(xué)環(huán)境和溫度。
化學(xué)或異構(gòu)體位移（δ）是核上電子密度（由于電子占據(jù)s軌道）的線性函數(shù)。許多因素（氧化態(tài)、自旋態(tài)、σ鍵中的s－特征、dπ反饋鍵、離子性）同樣也有影響，它們的關(guān)系是不簡(jiǎn)單的。說(shuō)得更確切一些低自旋絡(luò)合物的δ值與從－2到＋2的氧化態(tài)無(wú)關(guān)。甚至Fe（CN）64-和Fe（CN）63-幾乎有著相同的δ值。而高自旋絡(luò)合物，δ值隨表觀氧化態(tài)而顯著改變，確實(shí)它為確立表觀氧化態(tài)提供了一種良好的方法?，F(xiàn)在就討論如何用穆斯堡光譜研究鐵的化學(xué)的幾個(gè)例子；其它將在后面適當(dāng)?shù)胤綌⑹觥?/span>
一般含有二個(gè)或更多鐵原子化合物的穆斯堡光能對(duì)結(jié)構(gòu)上的非等同鐵原子和一些這類(lèi)有應(yīng)用價(jià)值的例子的存在提供了證據(jù)。必須指出，相反的程序是很危險(xiǎn)的，即當(dāng)觀察到?jīng)]有分解成分隔的峰時(shí)就推斷所有鐵原子必須是等同的。某些情況下，當(dāng)鐵原子的環(huán)境是非對(duì)稱(chēng)，結(jié)果電場(chǎng)梯度相互作用足夠強(qiáng)到由核四極產(chǎn)生共振的重大分裂，而這種觀察通?？蔀榻Y(jié)構(gòu)提供資料。
在開(kāi)始敘述中，雖然沒(méi)有明白地說(shuō)明，不言而喻的是穆斯堡譜只能記錄剛體環(huán)境中的核界限。因此，主要應(yīng)用于晶體物質(zhì)，即使凝結(jié)成玻璃體的溶液也能適用。
由Fe3+和Fe（CN）64-形成普魯士蘭，由Fe2+和Fe（CN）63-形成滕氏蘭已證明是相同的，兩者都由Fe4［Fe（CN）6］3所組成，即亞鐵氰化鐵。高自旋FeⅢ和低自旋FeⅡ每一個(gè)都被鑒定過(guò)，指出個(gè)別的鐵原子有差別，充分確定了它們的電子組態(tài)，生存期至少10(-7次方)秒。
有關(guān)一系列［Fe（CN）5L］n-離子中配位體L的π－酸特性的知識(shí)已經(jīng)獲得，因?yàn)閺腇e到L的π給予作用解蔽Fe核。最強(qiáng)的π酸在核上有最大的S電子密度，因此δ值最小。發(fā)現(xiàn)δ值的次序?yàn)镹O＜CO＜CN-＜SO32-＜Ph3P＜NO2-＜NH3。
鐵是僅次于鋁的第二位最豐富的金屬，在地殼中是第四位豐富的元素。認(rèn)為地球中心主要由鐵和鎳組成，許多鐵隕石的出現(xiàn)暗示整個(gè)太陽(yáng)系中鐵是豐富的。主要鐵礦石有赤鐵礦Fe2O3，磁鐵礦Fe3O4，褐鐵礦FeO（OH）和菱鐵礦FeCO3。
鐵的生產(chǎn)技術(shù)和冶金不在這里討論?；瘜W(xué)純的鐵可以將純的氧化鐵（用草酸亞鐵、碳酸亞鐵或硝酸亞鐵熱分解得到）用氫還原、從鐵鹽的水溶液中電沉積或?qū)Ⅳ驶F熱分解而制得。
純鐵呈白色，有光澤金屬，熔點(diǎn)1528℃。鐵不是特別硬，但非?；顫?。在潮濕空氣中較快氧化，生成水合氧化物，它不產(chǎn)生保護(hù)層，成片的剝落而暴露出新鮮金屬表面。粉末狀態(tài)金屬鐵會(huì)自燃。稍熱時(shí)鐵與氯化合很激烈，也與其它各種非金屬包括鹵素、硫、磷、硼、碳和硅化合。碳化物和硅化物相在鐵的冶金技術(shù)中起較重要的作用。
金屬鐵易溶于無(wú)機(jī)酸中。與非氧化性酸和沒(méi)有空氣時(shí)得到的是FeⅡ。有空氣存在或用溫?zé)岬南∠跛幔瑒t有些鐵生成FeⅢ。很強(qiáng)的氧化介質(zhì)如濃硝酸或含有重鉻酸鹽的酸使鐵鈍化。除去空氣的水和除去空氣的稀堿對(duì)鐵的作用不大，但熱的氫氧化鈉與鐵起化學(xué)作用。有空氣和水存在時(shí)，鐵生銹生成水合氧化鐵。
溫度達(dá)到906℃時(shí)，鐵是體心晶格。從906℃到1401℃是立方密堆積，但在1401℃又變成體心。鐵是鐵磁性物質(zhì)，達(dá)到768℃居里溫度時(shí)，鐵變成簡(jiǎn)單順磁性。
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