铁（英文：Iron），一种常见的 金属 元素， 化学符号 为Fe， 原子系数 为26， 相对原子质量 为55.85，位于 元素周期表 第四周期第Ⅷ族，价 电子层 结构为[Ar]3d 6 4s 2 。 纯铁通常为银白色或灰色，有一定的韧性和 延展性 ，粉末状的铁是黑到灰色的。 铁最高的 氧化数 为+6，在一些 配合化合物 中也能呈现其他更低的氧化态，其中以+2，+3价最为常见。 铁元素在自然界是广泛存在的，占 地壳含量 的4.75%，仅次于 氧 、 硅 、 铝 ，位于所有元素的第四位。
自然界中 游离态 的铁只存在于 陨石 中， 地壳 中的铁都以化合物的形式分布于各类 矿石 之中。铁的主要矿石有： 赤铁矿 （Fe 2 O 3 ）， 磁铁矿 （Fe 3 O 4 ）， 褐铁矿 （2Fe 2 O 3 ·3H_2O）等。 铁及其化合物广泛地用于颜料、 催化 、 超导 等领域。同时铁也是人体内必须的 微量元素 之一，在人体内分布很广，几乎所有的人体组织都含有铁。铁是 血色素 和 肌红蛋白 的重要组成成分。在血液中 氧气 的运输和肌肉中氧气的储存都起着重要的作用，也是许多酶的组成成分和 氧化还原反应 酶的 激活剂 。
发现、命名及使用
铁矿石 是 地壳 的主要组成部分，所以铁在自然界中的分布是十分广泛的。但是人类发现和使用铁却比黄金和铜迟，这主要是因为天然的纯铁在地球上几乎不存在，不像 自然金 和 自然铜 那样容易被人发现。而且铁容易氧化 生锈 ，只有和 混合的铁才能持久不锈，但是含镍的 自然铁 又极少。
因地球上很难找到自然铁，人类最早发现铁来源于天空中落下来的 陨石 ，陨石中有些成分是 铁镍 合金，称为 陨铁 。 埃及 或 美索不达米亚地区 的古文明国家所发现的最早的铁器都是由陨铁加工制成的。在 古埃及 的 前王朝时期 （公元前3500年），曾用含镍7.5%的陨铁制成铁珠；在埃及十一王朝（公元前2000年）的一个古墓里，出土了含镍0.5%的陨铁制成的镶银 玉貔貅 护符。而 中国 目前发现最早的铁器是 甘肃省 临潭县 磨沟寺洼文化墓葬出土的两个铁条，距今3500年（公元前1500年）左右。由于铁早期特殊的来源方式， 古埃及 人 把铁叫做“天石”，在西亚古 苏美尔语 中，铁被叫做“安尔巴”，意为“天降之火”。在古代人们发现铁时，由于其坚硬的特性，被命名为“Iron”，该词来源于 拉丁语 ，有“坚固、刚强”之意。铁的元素符号“Fe”，源于拉丁文“Ferrum”，意指“铁”，系该词的缩写。
同时由于 石陨石 的来源稀少，只靠陨石来获得铁难以满足人们生产生活的需求，随着 冶炼 青铜器技术的逐渐成熟，铁的冶炼技术应运而生。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。 恩格斯 曾经指出铁器的使用在古代人类社会发展史上具有重大意义，认为“铁已经为人类服务，这是在历史上起了革命作用的各种原料当中最后者（直到马铃薯的出现为止）和最重要者”。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 。
分布与开采
全球 铁矿 资源丰富，分布较为集中。据 美国地质调查局 数据，2018年全球铁矿储量为1700亿吨，和2017年保持一致；铁金属储量940亿吨，比2017年上升1. 2% 。其中 澳大利亚 、 巴西 、 俄罗斯 、 中国 和 印度 五 国有铁路 储量合计占全球的77.5%，巴西、澳大利亚的 铁矿 资源品质较高，大部分在60%以上；中国以平矿为主，原矿平均品味只有34.5%，低于49.4%的全球平均水平。在 矿石 的种类上澳大利亚、巴西等国生产的铁矿石多为 赤铁矿 ，由于矿石中有害杂质较少，可直接入 高炉 ，矿石 烧结 、 冶炼 性能都比较好；而中国的铁矿石又多为含铁品味较低的 磁铁矿石 ，需要 提纯 烧结制球后才能入炉，使得生产成本相对较高。
随着开采技术的不断提升和生产需求的不断提高，近年来全球 铁矿石 的开采量稳步增长，2021年全球铁矿石产量达26亿吨，较2020年增加了1.3亿吨，同比增长了5.26%。全球高品位易开采的 铁矿 资源主要分布在 澳大利亚 、 巴西 、中国、 印度 、 俄罗斯 等国，因此澳大利亚、巴西、中国、印度、俄罗斯也成为全球铁矿石重要的生产国，2021年澳大利亚 铁矿石 产量完成9.00亿吨，占全球铁矿石总产量的34.6%，全球排名第一。这些铁矿石在开采后，经过破碎、筛分、球磨等步骤后多直接用于 生铁 冶炼 ，并进一步生产 粗钢 和钢材等产品。
理化性质
物理性质
铁是一种银白色或灰色的金属，纯铁质地柔软，密度为7.87g/cm 3 ， 熔点 为1538 ℃（1标准大气压下）， 沸点 为2861 ℃（1标准大气压下），通常不溶于水和碱，可溶于酸，具有良好的延展性、导热性和导电性。铁的硬度并非固定值，其大小主要受含碳量、合金成分及加工工艺（如热处理）影响。铁和铁的合金有很强的铁磁性，属于磁性材料。室温下铁是 立方晶系 结构，发生 相变 时也有面心立方结构的铁存在，在干燥的空气中铁是很稳定的。将铁和其他金属元素合金化能增大铁的硬度，降低熔点，甚至有的能解决铁的生锈问题。
同素异形体
大多数金属在结晶完成的后续冷却过程中，其 晶体结构 就不发生变化，即固态时只有一种晶格，如铜、铝等。而铁在固态下随着温度的改变，会由一种晶格转变为另一种晶格，这种现象称为同素异构转变。
铁在912 ℃以下为 体心立方 结构，称为α-Fe，与碳的 固溶体 称为α铁素体；在912 ℃-1394 ℃时转变为 立方晶系 结构，称为γ-Fe，与碳的固溶体称为 奥氏体 ；温度在1394 ℃至 熔点 间又变为 体心立方 结构，称为δ-Fe,与碳的固溶体称为δ铁素体。纯铁在发生同素异构转变时，其体积和力学性能也随之发生改变。正因为如此，生产中才有可能对铁碳合金等进行 热处理 ，以改变其性能。
同位素
铁有四个稳定的 同位素 ，按照自然 丰度 由低到高分别为： 58 Fe、 57 Fe、 54 Fe 和 56 Fe，具体数值如下图表格所示。此外铁还有一些 放射性同位素 ，例如 55 Fe、 59 Fe等，它们的 半衰期 分别为2.7年和44.5天。由于相对于H、O、S等轻元素而言，Fe同位素间的相对质量差较小，受到测试技术的制约，传统的质谱技术无法将之分辨出来。直至 多接收器等离子体质谱仪 （ MC- ICP- MS）的出现和发展，使得高精度测量Fe等金属 同位素 的组成成了现实。同时为了将Fe 同位素 与H、O、S等轻元素稳定 同位素 相区别，将Fe、Cu等过渡族元素的同位素称之为 重元素 稳定同位素或非传统稳定同位素。
铁稳定同位素的参数
化学性质
铁和钴镍类似都是中等活泼的金属。在没有水汽存在时，一般温度下，和氧、硫、氯和磷等非金属几乎不起作用，但在高温下可以发生猛烈反应。铁与氮虽然不直接化合，但却与氨作用形成Fe 2 N。此外碳溶解在熔融的 铁中 形成 Fe 3 C。
铁是一种变价金属，最高的 氧化数 为+6，其他氧化态有+5、+4、+3、+2和0，在某些 配位化合物 中，也呈现更低的氧化态。铁常见的氧化态是+2和+3，其中+3价的铁有很强的氧化作用，高价态的铁通常都是以 铁酸盐 或配合物等形式存在。
在酸性溶液中，Fe 2+ 是铁的最稳定状态，高氧化态的铁在酸性溶液中是很强的 氧化剂 。空气中的 氧气 能将酸性溶液中的Fe 2+ 氧化为Fe 3+ 。铁和 盐酸 作用生产FeCl 2 ，但在干态，因为Fe的第三 电离 势较小，Fe和 氯 反应产物是FeCl 3 。当铁和热的 硝酸 反应则有一部分 Fe 由 Fe 2+ 氧化为 Fe 3+ 。所以 浓硝酸 或含有 重铬酸盐 的酸可以使铁 钝化 ，生成一层致密的氧化膜。碱性介质中，铁最稳定的 氧化数 是+3，在碱性介质 中将 低氧化态的铁氧化为高氧化态比在酸性介质中容易。例如，向含有的溶液中加入 强碱 ，能生产白色 Fe(OH) 2 沉淀，但在空气中的 氧气 又立刻把白色 Fe(OH) 2 氧化成 红棕色 Fe(OH) 3 。
铁与非氧化性稀酸反应：Fe+2H + = Fe 2+ +H 2 ↑
3Fe + 4H 2 SO 4 (浓) = Fe 3 O 4 + 4SO 2 ↑ + 4H 2 O
3Fe + 8HNO 3 (浓) = Fe 3 O 4 + 8NO 2 ↑ + 4H 2 O
将 水蒸气 通过烧热的铁，可以得到H 2 和 Fe 3 O 4 ：
3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2 ↑
向 亚铁 离子 中加入 强碱 ，先生成白色沉淀，后又被空气氧化成 红棕色 ：
Fe 2+ + 2OH - = Fe(OH) 2 ↓
4Fe(OH) 2 +O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3 ↓
制备方法
工业制法
铁矿石中的铁，一般呈 氧化物 状态，如 赤铁矿 (Fe 2 O 3 )、 磁铁矿 (Fe 3 O 4 ）、 褐铁矿 （含 结晶水 的 Fe 2 O 3 )、 菱铁矿 (FeCO 3 热分解后成为 FeO ）等。约在500℃-600℃左右，铁矿石中的 氧化铁 与 还原剂 （木炭及其他燃烧物所产生的 一氧化碳 ）接触时，便可逐渐还原成铁，到1000 ℃左右才能得到含碳量很低的固体黑块。
炼铁反应 方程式 ，以磁铁矿为例：
4CO + Fe 3 O 4 = 3Fe + 4CO 2
这种炼铁技术，曾被称为“块炼法”或“低温固体还原法”，其产品通常被称为“ 块炼铁 ”或“ 海绵铁 ”。这样的炼铁法，产量低、劳动强度大、浪费原料多，且产品不够坚固耐用。
实验室制法
实验室制铁可以通过 铝热法 炼铁，在高温条件下利用金属铝还原 氧化铁 可以得到铁，反应方程式如下所示：
高温条件下， 氢气 和氧化铁反应可以制取纯度较高的铁，反应方程式如下：
工业上也叫这种方法为 直接还原炼铁 工艺，与工业制铁的 高炉 炼铁相比， 直接还原炼铁 工艺可以摆脱对焦煤资源的依赖，并减少 二氧化碳 的排放，而且直接还原铁在元素纯净性方面有天然的优势，是生产高品质钢铁产品的优质原料。
此外还可以通过 羰基 合铁热分解来得到纯铁。 基合铁在300℃时可以分解为铁和 一氧化碳 ，但是由于这个反应通常引入 氨气 为保护气，会导致制得的 铁粉 中不可避免的有 氮 存在，后续可用 氢气 还原进一步提高铁的纯度。
应用领域
颜料
氧化铁 是一种多用途的黑色颜料，具有良好的耐候性、耐碱性和耐光性，因而在建筑行业的地面、墙壁、 人造大理石 和混凝土等领域广泛用作涂料和 着色剂 ，在混凝土中的用量可达5%-8%。防锈性能好、防腐蚀佳、遮盖力和着色力强，与涂料其它成分的相容性好，能吸收 紫外线 ，广泛用于各种户外用漆、交通用漆、金属防锈 底漆 及 面漆 中，若进行超细处理制成透明 铁黑 ，还适用于汽车面漆、木材着色、 光头 涂料和医药包装器着色。
污染物降解
纳米零价铁是一种绿色原位的新兴环境 友好型 材料。多年来的研究表明，纳米零价铁对重金属、有机 染料 、药品及有机 氯化物 等均有较高的去除效果，作为环境 纳米材料 在 地下水污染 修复领域中已被广泛应用。纳米零价铁通常是通过 吸附 、 离子交换 、氧化还原、共沉淀、络合等反应来达到去除污染物的作用。 南开大学 展思辉 团队利用氮空位调节铁单 原子 局部电子密度实现高效 光分 顿过程，他们将单个铁原子分散在具有丰富氮空位的 氮化碳 上并在 可见光 照射下激活 过氧化氢 ，且优化后的材料展现出高的 环丙沙星 降解活性，是原来氮化碳的18倍。
催化剂
费托合成 可以高效将煤、天然气和 生物质 等转化为液体燃料和高价值化学品。与常规的贵金属钌或铂基 催化剂 相比，铁基催化剂因其价格低廉，产物分布广而被广泛研究。 中国科学院大连化学物理研究所 的 包信和 研究组设计了一种将铁纳米粒子封装于 碳纳米管 中的 纳米材料 ，并发现这种材料有出色的 催化 一氧化碳 加氢反应的活性。 除此之外，单 原子 铁基催化剂在氧还原反应中已经展现出了超过贵金属铂的催化活性；来自 马里兰大学 和 罗切斯特大学 的研究者们开发了一种通用的铁催化多组分 环化 交叉偶联方案，该方案适用于广泛应用于各种 烷基 或 杂环化合物 取代 烯烃 的功能化和 生物活性 分子的后期功能化，且催化反应产率高、 区域选择性 好。将来有可能应用药物、材料和农药的合成领域。
铁基超导
超导现象自发现以来已有一百多年的历史，是 凝聚态物理 中的一个重要分支，蕴含着巨大的应用前景。最早是在2006年，日本 东京工业大学 的Hosono研究组发现在 掺杂的LaFeAsO体系中存在 高达 26 K的超导转变。由于 铁离子 带有磁性，会破坏超导，因此在含铁的化合物里找到了超导电性突破了人们的认知。 中国科学院电工研究所 的研究人员通过对 铁基超导 线材 制备工程中涉及的相组分与微结构控制、界面复合体均匀加工等关键技术的系统研究，解决了铁基超导线规模化制备中的均性、稳定性和重复性等技术难点，并于2016年成功制备出长度达到115 m的铁基超导线材，这项工作被认为是铁基 超导材料 从实验室研究走向产业化进程的里程碑，奠定了 铁基超导材料 在工业、医学、国防等诸多领域的应用基础。
铁合金
铁是最重要的基本 结构材料 ，由铁为原料制取的铁合金在工业上多种领域应用广泛。以 硅铁合金 为例，硅铁合金是以 焦炭 、钢屑、 石英 为原料，用电炉 冶炼 制成的。硅和氧很容易化合成 二氧化硅 ，所以 硅铁 常用于炼钢过程中的 脱氧剂 ，同时由于 二氧化硅 生成时放出大量的热，所以在脱氧的同时也能提高钢水的温度。硅铁合金广泛用于 低合金结构钢 、 弹簧钢 、轴承钢、 耐热钢 及电工 硅钢 之中。
土壤修复
土壤污染物涉及面广，治理难度大，具有隐蔽性、滞后性，因此土壤污染及其修复技术的研究具有很强的现实意义和远期价值。纳米零价铁原位还原修复技术属于原位还原法的范畴，具有设备简单、实施成本低、适用的污染物范围广、修复速度快、效率高、适用深度大等优点。
铁与健康
缺铁是困扰全球的微量营养素缺乏问题，当前全球面临缺铁困扰的人多达数亿。缺铁导致人体疲劳、虚弱、劳动能力下降，尤其对孕妇和学龄前儿童的生长发育带来严重影响，此外还有多达一半的贫血是由缺铁造成的。缺铁现象的存在一直对世界各地人民的健康生活造成严重挑战。 中国 政府一直高度重视此类问题，一直致力于将铁等微量营养元素引入食物中。上世纪90年代的多项研究数据表明中国农村6个月 婴儿贫血 率 高达 50%，育龄妇女的贫血率为41.1%。到了2002年全国营养调查结果显示中国人群贫血率为20.1%，到了2010-2013年全国营养监测显示中国6岁以上人群贫血率降低到了9.7%。 据卫健委2020年发布的《 中国居民营养与慢性病状况报告 》显示，这一数据在2015-2019年为6.1%。
虽然外源补铁被认为是预防和改善缺铁的有效途径，然而铁极易诱导 氧化应激 ，补铁可能会使动物机体出现副作用，长时间或高剂量的补铁能够导致机体沉积过量的铁并诱导多种疾病。例如， 铁代谢 调控蛋白相关基因的突变或其它疾病容易导致肠道无限制地吸收铁，诱导机体出现铁过载及相关疾病。 有研究表明，服用铁制剂胶囊过量的患者胃肠道粘膜有大量铁沉积现象，胃肠道出现侵蚀性损伤。