铁铝土的理化性质_铁的物理性质化学性质

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铁是一种古老的金属，可以说是各种金属材料从生产到应用规模的第一。难怪被称为“金属之王”。有人认为钢铁的辉煌已经过去。事实并非如此，因为铁的神秘性质提供了广阔的应用前景。让我们从铁的生产和技术的角度来了解钢的生产技术和魅力。

铁与磁的“缘分”

中国是世界上最早了解磁现象的国家之一。早在公元前4世纪，《管子》一书中就记载“上有善石，下有铜金”，这是我国最早的磁现象文字记录。在东汉以前的古籍中，“磁性”一直被写成“善良”。到公元前3世纪，《吕氏春秋》中就有了“辞史昭帖”的记载。这说明中国古代劳动人民很早就知道利用磁铁矿寻找铁矿。

由于对磁现象的认识，古人在很多场合应用了磁现象的独特性质。比如中医的“五石散”，其中磁铁矿是重要成分。另外，据说秦始皇在修建阿房宫的时候用的是磁门。只要有人带铁入宫，就会被磁门牢牢吸住，从而阻止刺客入宫。

人类居住的地球是一块巨大的磁铁。稳定的地磁场是地球生命的“保护伞”，防止宇宙射线从Tai 空入侵。地磁的使用早已为人所知。指南针是我国古代劳动人民的一项重要科技发明，也是地磁利用史上最辉煌的成就。

窥视生命的“天书”

为什么动物血是红色的？这是因为血液中含有血红素，而血红素化合物的核心元素是铁，这是大自然的选择。

铁是人体最重要的微量元素之一。正常成年人的铁含量超过3克。人体缺铁会引起贫血。人体血液中的血红蛋白是血红素和蛋白质结合的产物。它的主要功能是携带氧气。实验表明，1克血红蛋白在0℃和1个大气压下可以吸收1.35升氧气，然后结合形成氧合血红蛋白。血液从肺部输送到人体各个组织，然后分解成血红蛋白和氧气，维持身体组织的新陈代谢。

有趣的是，自然界中生命的色素具有内在的统一性。例如，血液中的血红素与植物叶片叶绿体中的叶绿素具有惊人的结构相似性。据信，血红素和叶绿素奇迹般地属于吡咯颜料家族，它们构成了吡咯颜料的两个天然类别。

它们之间的结构差异主要是由于金属的环结构和侧基的不同。它是血红素铁卟啉化合物，与蛋白质结合形成血红蛋白；它是一种叶绿素镁卟啉化合物，与蛋白质结合形成叶绿体。这种相似性揭示了自然界中动物和植物之间的一些联系，生命的色素中可能隐藏着许多不为人知的秘密。

金属之王的“丰碑”

地壳中铁的含量极其丰富，约为5.5%，仅次于铝。然而，在自然界中很难找到游离铁(纯铁)。这是因为自然界中的铁一般以氧化物或硫化物的形式存在，如磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿等。

5000多年前人们就开始使用铁，但那时人们还没有掌握炼铁技术。据考古学家考证，人类最早使用的铁来自于泰空铁陨石。陨石的主要成分是铁，又称“陨铁”，还含有钴和镍。在古埃及人眼中，陨石是上帝赐予人类的“天石”，被视为珍宝。20世纪70年代，大约公元前14世纪，河北省藁城县出土了一件商代青铜岳。青铜上有一把铁刃。出土时已锈成氧化铁，含氧化镍2.5%，氧化钴0.24%。科学家认为青铜上的铁刃用的是陨铁。

虽然地壳中铁的含量极其丰富，但铁的熔点(1539℃)非常高，明显高于铜的熔点(1083℃)。还原铁比还原铜困难得多，所以青铜时代早于铁器时代。公元前1500年左右，炼铁工业开始在古埃及、两河流域等地兴起。中国的炼铁工业始于西周，春秋时期就开始使用铁。到明朝，中国的铁年产量达到4.5万吨，居世界第一。因为铁制品非常坚硬，所以取代了铜，成为制造武器和工具的主要材料。

钢也是两个不同的概念，主要区别在于碳含量。一般来说，碳含量小于0.2%的铁合金称为纯铁，碳含量大于2.0%的铁合金称为生铁，碳含量在0.2%-2.0%之间的铁合金称为钢。它们的性质也有显著区别，如生铁脆硬，没有韧性，不能锻造，但可以铸造；钢坚韧坚硬，韧性好，适合锻造、铸造和轧制。钢铁作为人类社会生产生活的重要物质资源，历来是国家经济实力和科技水平的重要标志。目前中国钢产量已经恢复到世界第一。

与时俱进地“铁文化”

在世界工业革命的大背景下，以钢铁的应用为代表的“机器文明”应运而生，不仅大大提高了劳动效率，也让人们享受到了钢铁文明带来的好处。用7000吨钢材建成的埃菲尔铁塔改变了千百年来石头建筑的传统，促进了现代建筑的诞生。埃菲尔铁塔不仅展示了当时钢铁工业的技术成就，也反映了建筑结构科学和建筑技术的发展水平。

埃菲尔铁塔矗立在巴黎市中心的塞纳河上，高320多米，相当于100层楼高。这是当时世界上第一座钢塔。埃菲尔铁塔是四根铁柱交错结构，水泥混凝土地基支撑着高耸的铁塔。使用了1500多根巨型预制梁、150万个铆钉和12000个钢铸件。埃菲尔铁塔向世界展示了钢结构的巨大建筑能力，这无疑是世界建筑史上的里程碑。

鸟巢是2008年北京奥运会的主体育场。采用世界独一无二的钢结构工程，采用国内为其量身定制的Q460高强度钢板。那么，Q460钢是什么？结果表明，Q460钢是一种低合金高强度钢。其中q为钢的强度，460为460 MPa。Q460是指钢的机械强度达到460 MPa时的塑性变形，大于普通钢。

“鸟巢”以其独特的钢结构传达了“亲近自然”的理念，从而将“铁文化”提升到一个新的高度。“鸟巢”不仅是具有独特历史意义的标志性建筑，也为21世纪世界建筑的发展提供了历史见证。

超导走进“铁时代”

科学家称超导体为当代科学的“明珠”，从而吸引了世界顶尖科学家的不懈努力。我国科学家在铁基超导领域取得重大突破，为超导材料的广泛应用开辟了广阔前景，标志着超导技术进入“铁器时代”。

超导是物质在特殊状态下的导电行为，即在一定温度下，电子输运过程中没有阻力。这个温度称为“转变温度”。早在1911年，荷兰物理学家就发现了汞在4.2K(约268.8℃)的超导性，并将这种导体的“零电阻效应”称为超导。从那以后，科学家们一直致力于探索高临界温度超导体。但由于科学家一直在关注金属材料，一直没有突破。直到1930年，科学家才发现一种化合物——氧化铝，可以在15K的温度下产生超导性。从此，科学家的眼睛开始了。

此后，科学家们发现了一系列超导化合物。1986年，瑞士物理学家首次发现氧化铜的超导性，获得诺贝尔物理学奖。然而，20年来，超导体仅限于铜基材料。由于铜基材料的稀缺性和高成本，很难在低温下制造，因此超导技术的普及非常困难。

2016年，日本科学家发现了铁基材料在26k温度下的超导性，激励了全世界的科学家。但高温超导体的形成机制一直是国际公认的难题。

我国科学家利用脉冲强磁场等极端实验条件，极大地拓展了铁基超导体温度和磁场相图的研究范围，发现了一个惊人的现象，即铁基超导体具有“各向同性”的特性。这是首次在二维层状超导体中发现超导态的各向同性，其形成机制提供了重要的物理信息。铁基超导的发现揭示了高温超导在其他材料中存在的可能性，为未来超导的探索带来了新的希望。

作为仅次于铜基超导体的第二大类高温超导体，铁基超导体具有更大的应用潜力。此后又发现了新的铁基超导体，如镧铁砷氧化物、钡铁砷、锂铁砷、铁硒等。这些材料可以掺杂到几乎所有的原子位置，以获得超导性。中国科学家发现的新型Fe-Se高温超导体的超导转变温度在40 K以上，有科学家预测铁基超导家族是迄今为止发现的最大的超导家族，粗略估计有3000多个成员。