元素世界生存手册 NO. 3 工业革命之基石——铁元素

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假如你哪一天穿越到了某个元素世界，这个世界是某个元素的天堂，那请务必携带此手册，也许可以在那个世界（也可以是现实世界）救你一命。

本手册仅供学术交流（包括但不限于高中化学学习的课外知识），没有作者 bilibili@火山下的第一骑士 同意禁止用于商业用途，鼓励在标注原作者的前提下转载。

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对于铁，我们可以轻易的说出TA的一些特性：产量大、应用广、容易生锈、常见化合价有0、+2、+3以及天天在题目中出现的+6等等。

但是回归最初，你知道“铁”这个名称是怎么来的吗？

在西亚古苏美尔文明中，铁被叫做“安巴尔”，意思是“天降之火”，而铁的符号“Fe”与英文“Iron”，是来自于TA的拉丁文“Ferrum”,意思为“坚固”。

而从“天降之火”这种极其中二的名称中，也可以明白为什么人类在掌握冶铁技术之前就拥有了铁质工具与武器——早期的铁来源于铁质陨石，当铁质陨石掉落在沙漠等地方时就可能被早期人类捡拾利用。

我们再来看看铁的各种色彩纷呈的铁的化合价。

0价的铁单质熔铸呈块状时有明显的银白色金属光泽，2价的亚铁离子有如同帽子一样的浅绿色（误），3价的铁离子一般为明显的黄色，而6价的铁离子不能单独存在，只能以高铁酸根（FeO4 2-）存在，并且拥有令人愉悦的酒红色。

问题来了，铁离子的电子组态已经是【Ar】3d5，为什么还能再次失去3个电子成为比较稳定的+6价？

问题的关键点在于+6价的铁只能形成高铁酸根存在：在（FeO4 2-）中，接受了4个氧的孤对电子的铁的电子组态是【Ar】3d10，恰好为最稳态！

由此也可以推测+4价的铁也可以以铁酸根（FeO3 2-）形式存在，比如氢氧化铁和氢氧化钡共熔形成的铁酸钡。

（PS：+1、+5、+7价的铁也可以存在，但是存在形式更加奇怪，这里就不多说了）

但是我们发现，并不存在理论上的+8价铁（FeO5 2-），这这是由于铁离子的半径有限，不能同时容纳5个氧原子。

我们再来看看+2、+3和+6价的铁的一些奇怪特点。

+2价的铁可以用四个字来形容——“天理难容”，因为无论在酸性环境，还是在碱性环境，二价铁都可以以肉眼可见的速度被氧气氧化。因此实验室一般不会配置二价铁的溶液试剂，如果配置了也必须在溶液中加入铁钉或者铁块，还原溶液中被氧化的二价铁：

Fe+2Fe3+=3Fe2+

这个“男上加男”的反应也可以看出三价铁具有一定的氧化性。

在高中化学中，三价铁不但可以氧化自己，还可以氧化单质铜（刻蚀铜电路板），不仅如此，三价铁还可以氧化一些低价态的离子，比如二价锡：

SnCl2+2FeCl3=SnCl4+2FeCl2

二价铁和三价铁的检验也是高中必考内容之一。

以下为一些题目的较优解法（敲黑板）：

当溶液中不存在三价铁而检验是否有二价铁时

1、先加入氯水，再加入硫***溶液，现象为溶液变红

2、加入氢氧化钠溶液，现象为出现沉淀，并且溶液从白色变成灰绿色再变成红褐色（钴离子也会也类似反应，不推荐）

3、加入铁***溶液，现象为溶液变蓝

当溶液中不存在二价铁而检验是否存在三价铁时

1、加入亚铁***溶液，现象为溶液变蓝

2、加入硫***溶液，现象为溶液变红

3、加入苯酚溶液，现象为溶液变紫

当溶液中存在三价铁而检验是否存在二价铁时（划重点）

1、加入酸性高锰酸钾稀溶液，现象为高锰酸钾紫色褪去

2、加入酸性重铬酸钾稀溶液，现象为重铬酸钾橙色褪去

回到三价铁，三价铁的氧化性不能说太强，只能说是个中强的氧化剂。

因此，在特殊条件下，TA也可以进入更高价态的天堂。

做题目时，我们有时会看到“在三氯化铁溶液中加入过量过量过量氢氧化钾溶液，再小心且持续通入氯气，最后溶液变成酒红色”，这就是制取最常见的+6价铁盐——高铁酸钾的最标准方法之一。

当然，如果嫌这套方法过于麻烦并且矿里有家（比如H2实验室）的人，可以直接在硫酸亚铁溶液中加入偏高碘酸溶液，这样子得到的高铁酸不仅颜色美丽，而且偏高碘酸那更加美丽的价格可以让你的钱包无比美丽。

高铁酸钾虽然制取麻烦，但是在生产生活应用中却是个宝——TA被称为最有前景的净水剂之一，因为+6价铁那不弱的氧化性可以先给病菌来个下马威，然后反应后形成的+3价容易沉淀的氢氧化铁能再给水里的脏东西来个白狼王自爆——大家一起死。

一个非常有趣的思考题：为什么氯气可以氧化+3价铁形成+6价铁，但是高铁酸钾和稀盐酸反应却又可以放出氯气。

答案很简单，但是没有经验的话思考到很难：酸碱性不同。

碱性条件下+6价铁的氧化性被抑制，但是酸性条件却可以激发+6价铁的兽性（类似的海洋碱性条件下+2价铁被氧化的速度远超酸性条件下）——这个差异可以用能斯特方程进行计算，这里就不多讲了。

而这也限制了高铁酸在实际生产中的使用——毕竟新鲜制取的高铁酸就已经在氧化水了，稍微加点温水浴就可以看到溶液疯狂冒氧气（是氧气不是氢气）的场景了。

作为生命必须元素，铁主要以血红蛋白的形式无声无息地存在于我们的血红蛋白中——那问题来了，为什么血红蛋白是红色的而不是绿色的？

这是因为配体的差异，平时的浅绿色+2价铁、黄色的+3价铁实际上都是水与+2、+3铁离子的配合物；当配体不同时，颜色也可能发生改变。

除了红色的+2价“铁”血红蛋白，常见的还有黄色的+2价“铁”草酸亚铁，和绿色的+3价“铁”三草酸合铁酸钾。

而在化学的世界中，这种不符合一般规律的情况也绝非个例，比如后面可能会说到的“相对质量统计规律”。

科学的发展，本来就需要不断地打破原有的观点与规律，进而发现新的事物。

而人的发展，又何尝不是如此呢？

毕竟，世界上唯一不变的，就是改变。

感谢你看到这里，如果本篇专栏让你对氢元素有了更多的了解，不要忘记点赞支持一下哦！接下来，让我们来了解一下，陪伴了人类数千年却依旧有时让人陌生的金属——锡。