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第12章 最重要的金属——铁

我国是世界上最早发明冶炼铸铁的国家。我国考古工作者曾发现公元前五世纪的铁器,但数量不很多;另外,还发现公元前三、四世纪的铁器,数量较多,而且冶铸水平较高。如1950年,我国考古工作者曾在河南辉县固围村发掘战国时代的魏墓,发现铁制生产工具90多件,其中有铁犁、铁锄、铁镰刀、铁斧、铁链等。从这些实物可以推断,我国劳动人民早在3000年前的周代,已会冶炼铸铁了。到了公元前三、四世纪,我国铁器的使用便普遍起来。这说明我国使用铸铁的时间要比欧洲早出1600年,是我国古代劳动人民对世界冶金技术的伟大贡献。

自春秋以来,我国设有专门管理炼铁的“铁官”,也有专门经营炼铁的“铁商”。到了汉朝,我国已普遍用熟铁制造工具代替铸铁工具。到了唐朝,铁的年产量达1000多万斤。宋朝,铁的年产量达3000万斤以上。明朝,铁的年产量则高达9000万斤以上。明末宋应星著的《天工开物》一书,不仅对古代的炼铁技术作了详细地介绍,而且还画成了插图。作了形象的描绘。

铁在地壳中的藏量为4.2%,就金属而论,仅次于铝,占第二位。据不完全统计,到1998年,世界各国已查明的铁矿储量为2500亿吨以上。另外,还有5000亿吨属可利用的铁矿资源。在大自然中,纯净的金属铁很少——只有从天上掉下来的“陨石”才几乎是纯铁(仅含一点点杂质镍Ni),绝大部分铁都是以化合物的状态存在:乌黑发亮、具有磁性的磁铁矿Fe3O4,紫红色的赤铁矿Fe2O3,棕黄色的褐铁矿2Fe2O3·3H2O,黑灰色的菱铁矿FeCO3,金光闪闪的黄铁矿FeS2。除了黄铁矿含硫太高,不适用于炼铁,一般只用作制造硫酸的原料外,磁铁矿等都是炼铁的原料。

纯净的铁是银白色的金属,富有延展性。不过,纯铁的机械强度不高,在工业上不很常用。通常所说的“钢铁”,这“钢”与“铁”是两回事。在工业上,铁是分生铁、熟铁两种——生铁含碳1.7%~4.5%,熟铁含碳0.1%以下,而钢呢?含碳量在0.1%~1.7%之间。因此,生铁、钢、熟铁的不同,主要在于含碳量的不同。

随着含碳量的高低不同,生铁、钢、熟铁的性能大不相同,用途也不同:生铁很脆,一般是浇铸成型,所以又称“铸铁”,如铁锅、火炉等,在工业上用来制造机床的床身、蒸汽机和内燃机的汽缸等,它的成本比较低廉、耐磨,但没有延性和展性,不能锻打。熟铁所含杂质少,接近于纯铁,韧性强,可以锻打成型,所以又叫“锻铁”,如铁勺、锅铲等。钢的韧性好,机械强度又高,在工业上的用途最广。按含碳量的高低,分为三种碳素钢,即低碳钢(含碳低于0.25%),中碳钢(含碳在0.25%~0.6%之间),高碳钢(含碳0.6%以上)。含碳约多,钢的强度越大,硬度越高,但韧性、塑性却越差。由于低碳钢的性能与熟铁近似,而成本比熟铁低得多,现在工业上大都用低碳钢代替熟铁,如制造铁丝、铆钉、白铁皮(镀锌Zn)、马口铁(镀锡Sn)等。碳素钢广泛的被用来制造各种机器零件,如齿轮、凸轮、螺帽、铁轨、钢筋等等;日常生活中用的刀、手表壳、钢笔尖、针、剪刀等。另外,在钢中加入各种不同的金属或非金属,可以制成许多性能不同的合金钢。如含镍Ni 36%的镍钢几乎不因冷热而热胀冷缩,用来制造精密仪表零件;含18%钨W的钨钢,即使已炽热,仍非常坚硬,用来制造高速切割的车刀;含少量钒V的钒钢,可使钢的弹性增加一倍,用来制造各种弹簧;含2.5%硅Si的硅钢做成硅钢片,用作变压器的铁心,不仅可减少变压器发热现象,而且大量节约了电能。

在工业上,人们是在高炉中把铁矿同焦炭、石灰石等混合在一起,在高温下炼制铁。焦炭是作为燃料与还原剂,石灰石则用来除去铁矿中的杂质,如氧化硅、硫、磷等。从高炉中炼出来的是生铁。生铁还需放入转炉或平炉、电炉中,除去部分碳,炼制成钢。

比之铝、铜等金属,铁有一个很大的缺点,就是容易被锈蚀。纯铁虽是银白色的,但是日常所见的铁,表面总是布满褐色的铁锈。不过,铁在干燥的空气里,放几年也不会生锈;把铁放在煮沸的、干净的水里,也很久不会生锈。只有在潮湿的空气或溶有空气(使铁生锈主要是空气中的氧气)的水中,才易使铁生锈。铁锈,是钢铁的心腹大患。据统计,在1970~2003年这33年之中,全世界生产的钢铁有40%因生锈而损失掉了。为了防锈,人们常在钢铁制品表面涂上油漆、陶瓷或镀上防锈金属。

最重要的铁的化合物是氧化铁Fe2O3和硫酸亚铁FeSO4。氧化铁是咖啡色的,常用的棕色颜料便是它(颜色深浅与粉末粗细有关)。氧与铁的化合物还有两种——氧化亚铁FeO是黑色的,而四氧化三铁Fe3O4也是黑色的,但表面闪着蓝光。时钟的针、发条表面常是黑中透蓝,便是表面经过“发蓝处理”——用化学方法使表面生成一层致密的四氧化三铁,可以防锈。至于硫酸亚铁,本是白色的粉末,但常见的硫酸亚铁晶体通常是浅绿色的,那是因为含有结晶水的缘故FeSO4·7H2O。所以,硫酸亚铁的俗名便叫“绿矾”。绿矾是十分重要的无机农药,也是制造蓝黑墨水的主要原料。

还有两种常见的铁盐:一种叫“黄血盐”,是黄色的晶体,化学成分为亚铁氰化钾K4Fe(CN)6。黄血盐与铁离子Fe3+作用生成蓝色的亚铁氰化铁Fe4Fe(CN)3-6的蓝色沉淀,俗称普鲁士蓝,用作蓝色颜料。这个生成普鲁士蓝沉淀的反应,在分析化学上常用来鉴定铁离子。另一种叫“赤血盐”,是红色晶体,化学成分为铁氰化钾K3\[Fe(CN)6\]。赤血盐与亚铁离子Fe2+作用生成铁氰化亚铁Fe3\[Fe(CN)6\]2的蓝色沉淀,俗称腾氏蓝。这一反应,在分析化学上常用来鉴定亚铁离子。

一个成年人的血液中,大约含有3克铁,相当于一根小铁钉的重量。这些铁,有75%是存在于血红素中,因为铁原子是血红素的核心原子——这正如镁是叶绿素的核心原子一样。在器官中,含铁最多的是肝和脾。

植物,也离不了铁,因为铁是植物制造叶绿素时不可缺少的催化剂。如果一盆花得不到铁,那么,花很快就失去那艳丽的颜色,失去那沁人肺腑的芳香,叶子也发黄枯萎。

在铁矿附近的水、泥沼、池塘以及自来水管中,常繁殖着一种“铁菌”。它们把两价铁的化合物变成三价铁的化合物,形成厚厚的红棕色的氢氧化铁Fe(OH)3沉淀。

在一般土壤中,含有不少铁的化合物。如红土壤中,便含有很多氧化铁。也有的土壤缺乏铁,就得施加“铁肥”——硫酸亚铁了。

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