新春科普:既能毁灭,也能创造,铁元素的两面性

发布网友 发布时间：2023-04-26 22:08

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热心网友 时间：2023-05-18 10:26

一部波澜壮阔的人类文明发展史，几乎就是一部人类冶炼金属的 历史 。在人类冶炼的所有金属当中，最重要的无疑是铁。其实铁的用途，不仅仅是用来打造武器、制造农具、满足生活需要这么简单。它还负担着帮助我们从空气中获得氧气，排除体内毒素、狙杀那些入侵我们身体的微生物的重要任务，同时它也是大名鼎鼎的恒星杀手。

1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论，之后又在狭义相对论的基础上得到了著名的公式E=mc^2。1915年，广义相对论再次震惊世界，宇宙学得到了飞速的发展。得益于宇宙学与核物理的研究进展，使得科学家们，有能力推断宇宙中元素的来源。

除了原子序数比较小的几种元素可以在宇宙大爆炸早期生成之外，其它的元素都与恒星的衰亡有关。在Ia型超新星中，一颗恒星从相邻的伴星那里吸取物质，在超过极限后发生爆炸。而在II型超新星的塌缩过程中，由于燃料耗尽，随后发生爆炸。有一种特殊情形，质量非常巨大的可以发射物质与反物质粒子，二者相遇时会发生湮灭，释放出巨大的能量。

现在虽然科学家们对于太阳系形成的细节尚未达成一致的意见，但是地球上有着丰富的铁元素的事实，可以为太阳系的形成提供一部分的佐证。至少曾经有一颗核心塌缩的超新星，用它自己毁灭时留下的残骸，为我们太阳系的诞生播下了火种。

这颗孕育了太阳的超新星的起源是一颗恒星，早期它一直进行的都是氢氦聚变，就如今天的太阳。核聚变产生了更重的元素，慢慢进入到恒星的中心，而较轻的元素继续在外层包裹着内核继续进行核聚变反应。

当这颗恒星的核心温度超过百万摄氏度时，碳元素开始形成。这样的核反应持续几百年之后，氦与碳开始发生聚变，并产生大量的氧元素。当它的核心温度达到10亿摄氏度时，氧核就会结合产生硅。恒星就是这样，就像一个俄罗斯套娃一样，不断生产出更重的元素。

在这个阶段，核聚变反应释放出来的热量可以抵抗自身引力带来的塌缩，然而随着原子核越来越大，能量的平衡会因为重力被打破。这是由于，带正电的质子会互相排斥，当原子核变大了的时候，质子之间的排斥力会对核力产生明显的抵消作用。

正因如此，当恒星开始聚变产生铁元素时，灾难发生了，因为产生铁的聚变非但不能释放出热量，反而要吸收热量。只要几个小时，甚至是几分钟，一个大约为地球大小的金属原子核球体就产生了。恒星因为自己产生的灰烬（铁），而失去了与重力对抗的力量，内核会突然产生塌缩。

星体内部的塌缩，会造成在内核与外层等离子体之间形成一个可怕的空腔。几秒钟之后，失去支持的外层也会轰然坍塌，撞击到致密的星核之上，然后又反弹穿过星体的更外层，超新星就是这样地爆发了。

一些致密的星团所产生的吸引力吸取了足够的物质，从而引发新的核聚变，一些大的星团应该是在冲击波刚刚经过时就已经被点燃了。所以最终的结果就是，恒星死亡的冲击波，却点亮了一些新生的恒星，我们的太阳就是其中的一个。

2.1、铁元素简介

回忆一下元素周期表，铁元素位列26，在宇宙中的丰度排名第6，其原子核中有26个质子和30个中子组成。由于其巨大的电磁力，可以将核外电子紧紧地束缚在原子核的周围，形成致密的电子云。但其外层电子的特殊性，决定了其可以与多种元素形成复杂的化合物。

原子的外层电子排列其实都是有规律的，但由于原子核所带的电量不同，原子序数越大的元素，其吸引核外电子的能力就越强，电子在核外的运动速度也更快。铁元素尽管更多的时候是表现出其金属性（失去电子的能力），但在某些特殊情况下也能表现出氧化性（夺取电子）。

2.2、铁的延展性

小时候经常去铁道上玩，利用经过的列车将铁钉压成小刀，（这种 游戏 比较危险，所以现在的小朋友千万不要效仿了。）这是铁具有良好延展性的一个证明。虽然，铁钉中的原子在压力下发生了横向扩散，但其与周围原子之间的关系并没有被破坏。

如果我们把铁放在炉火中加热，其内部的原子由于剧烈的震动，就可以更容易离开晶格，甚至铁可以变得像其它液体一样具有流动性。人们利用这种办法，将流动的铁水倒入模具中，冷却后得到自己想要的样子，一千多年前的人类就知道这种方法。

2.3、铁的导电性

跟其它的金属一样，铁具有导电性。在铁棒的内部，铁的原子核被固定在晶格的结点上振动，但是其最外层的电子却可以与周围的铁原子发生交换和共享。如果我们换个角度去看，铁原子就像是浸泡在电子的海洋当中。

如果我们给铁棒的两端施加一个电压，就像是一下子把这些电子形成的海洋推到了悬崖边，电子就会自己跳下去，形成电子的瀑布，这就是我们说的电流。避雷针就是利用了铁棒的这个性质，把闪电导入大地，从而避免建筑物遭到破坏。

2.4、铁的磁性

如果我们把铁棒放入磁场，它就可以吸引小磁针。这是因为铁的最外层电子的移动性很强，不仅仅会围绕自己的原子核旋转，也会“溜达”到其它的铁原子附近，而且是一边移动一边旋转。通常一整块铁并不是一个完整的单晶体，而是很多的小晶体组成的，电子在小晶体内移动旋转，在铁棒内部形成一个个的小磁针。

这些小磁针就是磁畴，是铁棒内部的最小磁性单元。在没有外部磁场的作用下，这些小磁针的方向是随机的，小磁针的磁场叠加起来为零，所以一个铁棒通常对外不显示出磁性。

但是在外部磁场的作用下，这些小磁针的方向会发生偏转，甚至当外部磁场撤去的时候，它们也无法恢复到原来的方向上，这样小磁针形成的磁场总和就不再为零，铁棒就会对外显示出磁性，这就是我们说的磁化。

就像我们前文说的那样，铁是恒星杀手，但也正是因为有了铁才给我们的太阳系播下了种子，才最终诞生了地球、生命以及我们人类。同时，铁也是我们人类手中的一张王炸，它几乎是我们解决地球上所有问题的一把*。

3.1、地球护盾

其实严格来说地球为什么会有磁场，还是个未解之谜，至今仍然没有完全挑不出毛病的答案，但可以确认的是，地球磁场的形成和地球地核中的活动以及富含的铁和镍等金属元素有关，这使得在地球表面上空600到70000公里处形成了地球的磁场。

人类的探测器已经探测到太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是电离氢和电离氦。地球磁场有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。

我们生活在地球的大气层底部，地球的大气层厚达数百公里，地球表面保持着一个大气压的浓度，大气成分也是比较固定的，氮气占了78%，氧气占到21%，二氧化碳和其他气体占到1%左右，地球大气层如此稳定和适宜生命生存，不得不说必须感谢地球磁场的保护。

3.2、磁场导航

这是利用了铁很容易被磁化的特点。中国人早在2000年前，就学会了用天然磁石指示方向，后来在汉朝，又学会了使用磁铁做成的勺子，放在光滑的盘子上来指示方向，这就是司南。中国人是最早在军事和航海中使用磁铁罗盘的民族。

如今，我们所有的 科技 产品，从电脑到电动 汽车 ，磁性金属有着广泛的应用。铷铁硼超强永磁体可以将铁的电子排列进行统一和稳定，使得磁铁变得更小，更适合用来制造平板电脑和耳机等等。当然了，它们也被用于改造哈勃空间望远镜。

3.3、变形金刚

铁具有延展性，可以被加工成各种形状，我们身边到处都是应用铁的案例。这里要特别提出的是，铁除了很容易跟氧发生化学反应，其实也很容易与碳结合。当铁中含有2%左右的碳的时候，铁就会硬化成钢。如今应用最广泛的并不是纯铁，而是铁的各种合金。

掺入了一定比例碳的铁，可以被加工成细细的硬钢丝，这种钢丝经过一定的热处理，我们就可以把它固定在吉他上，我们就能弹奏出美妙的音乐，又不会把它拉断。如今，从我们的生活用品、生产工具、 汽车 、高铁、建筑……每一个角落都有铁的存在。

3.4、铁元素与氧在人体内的运输

铁很容易与氧结合，我们人体正是利用了铁的这个特点。更多的氧气通过氧和血红蛋白输送到我们身体的各处，这意味着能量，更多的血红素铁也就意味着更多的氧气、更多的能量，肌肉的力量就会因为肌红蛋白中少量的铁得到增强。

富含铁的血红蛋白是鲜红色的，在血红蛋白分子中的铁，在肺泡中接触到空气后，就可以吸收氧分子，然后在心脏的压力之下，通过血管输送到全身。而脱氧的血液会呈现蓝色，这就是我们透过我们的皮肤，常常能看到的是血管壁呈现蓝色的原因。

如果血红蛋白中的铁元素失去电子时，它就会变成土褐色，这种形式被称作高铁血红蛋白，而失去颜色的分子也同时失去了有效携带氧气的能力，除非电子重新恢复平衡。

黄种人的新生婴儿，有很多都会在臀部或者下背出现一种青色的“瘀斑”，这种“瘀斑”很像是瘀伤，其实这只是聚集在皮肤深层的黑色素颗粒，过几个月之后就会慢慢消退，其实也是与脱氧血红蛋白有关。

3.5、铁是人体的一道屏障

人体内，大约有30%的铁存在于血红蛋白和肌红蛋白以外的分子中。这些含铁的蛋白质可以构建并修复我们的基因、代谢药物及毒素，辅助生产激素，并且很多酶会将铁作为分隔利器。比如，死亡的血细胞需要被分解，肝脏就利用自身的色素细胞将这些血细胞切成碎片。

我们的身体内有一种过氧化氢酶，它携带着4个铁原子，当我们用双氧水消毒伤口的时候，铁原子会把双氧水分子分解成水和氧气，避免双氧水伤害更多的细胞。在 健康 情况下，过氧化氢酶时刻都在做着保卫性的工作，让我们避免被正常的新陈代谢产生的化学废物所伤害。

3.6、过多铁也会给人带来伤害

一个 健康 的成年人，其体内大约含有4克铁，相当于三枚曲别针的重量。人体中最具生物活性的是二价铁，由于其活性很高，所以二价铁可以跟某些细胞中的化合物发生反应，生成腐蚀性的自由基分子，破坏组织，并在伤口处阻止血液凝结。

当铁受控时对人体有利，但只要有1克不受控的铁就足以将一个孩子送入医院，为儿童补铁过多甚至会导致死亡。之所以 健康 状况下，我们并没有因为铁而死去，是因为我们体内，大多数铁都被血红素和其它分子束缚住了，其它的铁被一种缠绕蛋白的分子包裹或者直接吞噬；还有一种专门的转铁蛋白，可以在细胞之间传递铁。

正如前文中所写的那样，铁会从正、反两个方面影响恒星和人体，同样所有跟铁有关的发明创造也正在服务或者伤害着人类。

纵观整个宇宙和人类的 历史 ，虽然恒星因为铁而毁灭，但也因为铁为新的恒星诞生创造了机会；我们人类更是受益于铁的特性，不论是在血液还是肌肉、乃至地球磁场，都得益于铁为我们做出的贡献。与1千年前甚至是更久远的人类相比，今天的人类，对于铁更加依赖：缝衣针、订书钉、剪刀、厨房刀具、建筑、桥梁、 汽车 、火车，还有保卫家园的武器装备。

然而，这些铁在从铁矿石被冶炼成金属铁的过程中，正在消耗大量的煤炭、释放出二氧化碳和其它有毒有害的气体，改变着我们赖以生存的地球温度和大气成分。如何在发展中保护我们唯一的地球，是我们正在面临的重大课题，也是全人类必须面对的一次挑战。