铁原子结构示意图(所有原子结构示意图)

一部波澜壮阔的人类文明史，几乎就是一部人类金属冶炼史。在人类冶炼的所有金属中，铁无疑是最重要的。事实上，铁的用途不仅仅是制造武器、农具和满足生活需要。它还承担着帮助我们从空气体中获取氧气，排除体内毒素，杀死入侵我们身体的微生物的重要任务。同时也是众所周知的明星杀手。

一、铁，杀死了一颗恒星，却为太阳系的诞生播下了火种

1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论，然后他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，宇宙学迅速发展。得益于宇宙学和核物理的研究进展，科学家有能力推断宇宙中元素的来源。

除了少数原子序数相对较小的元素可以在大爆炸早期产生外，其他元素都与恒星的衰亡有关。在Ia型超新星中，一颗恒星从邻近的伴星吸收物质，超过极限后爆炸。在II型超新星坍缩过程中，燃料耗尽，随之而来的是爆炸。有一种特殊情况，质量非常巨大，可以放出物质和反物质粒子。当它们相遇时，就会湮灭，释放出巨大的能量。

虽然科学家们尚未就太阳系形成的细节达成一致，但地球富含铁的事实可以为太阳系的形成提供一些证据。曾经至少有一颗超新星的核心坍塌，它利用自身毁灭留下的碎片为我们太阳系的诞生播下火种。

产生太阳的超新星起源于一颗恒星。早期它总是进行氢氦聚变，就像今天的太阳一样。核聚变产生较重的元素慢慢进入恒星中心，而较轻的元素继续在外层包裹内核，继续核聚变反应。

当这颗恒星的核心温度超过一百万摄氏度时，碳开始形成。这种核反应持续了几百年后，氦和碳开始融合，产生了大量的氧气。当其核心温度达到10亿摄氏度时，氧核将结合产生硅。就是这样，恒星就像一个俄罗斯娃娃，不断产生更重的元素。

在这个阶段，核聚变反应释放的热量可以抵抗自身重力引起的坍缩。然而，随着原子核变得越来越大，能量平衡会被引力打破。这是因为带正电荷的质子相互排斥，当原子核变大时，质子之间的排斥力会明显抵消核力。

正因如此，当恒星开始融合产生铁时，灾难就发生了，因为产生铁的融合不仅没有释放热量，反而吸收了热量。短短几个小时，甚至几分钟，一个地球大小的金属核球体就产生了。由于恒星本身产生的灰烬(铁)，恒星失去了对抗引力的力量，内核会突然坍缩。

恒星内部的坍缩会在内核和外层等离子体之间造成一个可怕的空空腔。几秒钟后，无支撑的外层会坍缩，撞击到致密的恒星核心，然后通过恒星外层反弹回来。这就是超新星爆发的方式。

一些致密星团的吸引力会吸收足够的物质，引发新的核聚变。一些大的星团应该是在冲击波刚刚过去后就被点燃了。所以最终的结果是恒星死亡的冲击波点亮了一些新的恒星，我们的太阳就是其中之一。

二、神奇的铁元素

2.1.铁元素介绍

回想元素周期表，铁排在第26位，在宇宙中丰度排第6位，其原子核由26个质子和30个中子组成。由于其巨大的电磁力，核外电子可以紧紧束缚在原子核周围，形成致密的电子云。但其外层电子的特殊性决定了它可以与多种元素形成复杂的化合物。

其实原子外层电子的排列是有规律的，但由于原子核的电荷不同，元素的原子序数越大，其吸引原子核外电子的能力越强，电子向原子核外运动的速度也越快。虽然铁更多的时候是金属性的(失去电子的能力)，但在某些特殊情况下也会表现出氧化(带走电子)。

2.2.铁的延展性

小时候在铁路上玩，用路过的火车把钉子压成刀。(这种游戏很危险，现在的孩子一定不要跟风。这证明铁具有良好的延展性。虽然指甲中的原子在压力下横向扩散，但它们与周围原子的关系并没有被破坏。

如果我们在火中加热铁，由于剧烈的振动，它的内部原子可以更容易地离开晶格，甚至铁也可以变得像其他液体一样具有流动性。人们用这种方法将流动的铁水倒入模具中，冷却后得到自己想要的东西。人类在一千多年前就知道这种方法。

2.3.铁的导电性

像其他金属一样，铁是导电的。在铁棒内部，铁的原子核固定在晶格的节点上进行振动，但最外层的电子可以与周围的铁原子进行交换和共享。如果换个角度看，铁原子就像是沉浸在电子的海洋中。

如果我们在一根铁棒的两端施加电压，就像把这些电子形成的海洋一下子推到悬崖边上，电子会自己跳下去，形成电子瀑布。这就是我们所说的电流。避雷针就是利用铁棒的这一特性，将雷电导入大地，从而避免建筑物受损。

2.4.铁的磁性

如果我们把一根铁棒放入磁场中，它能吸引一根小磁针。这是因为铁的最外层电子具有很强的移动性，不仅绕着自己的原子核旋转，还会绕着其他铁原子“游荡”，边旋转边移动。通常一整块铁并不是一个完整的单晶，而是许多小晶体。电子在小晶体中运动和旋转，在铁棒内部形成小磁针。

这些小磁针是磁畴，是铁棒中最小的磁单位。在没有外加磁场的情况下，这些小磁针的方向是随机的，小磁针的磁场加起来为零，所以一根铁棒通常对外是没有磁性的。

但在外磁场的作用下，这些小磁针的方向会发生偏转，即使去掉外磁场，也无法回到原来的方向，这样小磁针形成的磁场之和就不再为零，铁棒就会向外呈现磁性，也就是我们所说的磁化。

三、你所不知道的铁

我们前面说过，铁是杀星，但也正是因为它，我们的太阳系才被播种，最终诞生了地球、生命和人类。同时，铁在我们人类手里也是一个王炸。它几乎是我们解决地球上所有问题的万能钥匙。

3.1.接地屏蔽

其实严格来说，地球为什么会有磁场，还是一个未解之谜。到目前为止，仍然没有完全无错的答案。但可以确定的是，地球磁场的形成与地核内的活动以及丰富的铁、镍等金属元素有关，使得地球磁场形成于地球表面空600至7万公里处。

人类探测器已经探测到从日冕到行星际空间的高温、高速、低密度粒子流空，其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的直射。在地球磁场的阻力下，太阳风绕过地球磁场继续前进，从而形成一个被太阳风包围的彗星状地球磁场区，这就是磁层。

我们生活在地球大气层的底部，大气层有数百公里厚。地球表面维持一个大气压的浓度，大气的成分相对固定。氮气占78%，氧气占21%，二氧化碳等气体约占1%。地球大气层如此稳定，适合生命生存，不得不感谢地球磁场的保护。

3.2.磁场导航

这利用了铁容易被磁化的事实。早在2000年前，中国人就学会了用天然磁铁来指示方向。后来到了汉朝，他们学会了用磁铁做成的勺子，放在光滑的盘子上指示方向。这是新浪。中国是第一个将磁罗盘用于军事和航海的国家。

现在我们所有的科技产品，从电脑到电动车，磁性金属都有广泛的应用。铷-铁-硼超强永磁体可以统一和稳定铁的电子排列，使磁体更小，更适合制造平板电脑、耳机等。当然，它们也被用来改造哈勃空望远镜。

3.3.变形金刚(电影名)

铁有延展性，可以加工成各种形状。我们周围都有应用它的例子。特别是铁很容易和氧反应，但也很容易和碳结合。当铁含有大约2%的碳时，铁会硬化成钢。现在应用最广泛的不是纯铁，而是铁的各种合金。

铁与一定比例的碳混合可以加工成细硬的钢丝。经过一定的热处理后，这根钢丝就可以固定在吉他上，我们可以在不折断它的情况下演奏出美妙的音乐。如今，铁存在于我们日常生活用品、生产工具、汽车、高铁、建筑的每一个角落。

3.4.铁和氧在人体内的运输

铁很容易和氧结合，我们人体就是利用了铁的这一特性。更多的氧气通过氧气和血红蛋白输送到我们身体的各个部位，这意味着能量。更多的血红素铁意味着更多的氧气和更多的能量，肌肉力量会因肌红蛋白中的少量铁而增强。

含铁丰富的血红蛋白呈鲜红色，血红蛋白分子中的铁在肺泡中与空气体接触后可吸收氧分子，然后在心脏的压力下，通过血管输送到全身。缺氧的血液会呈现蓝色，这就是为什么我们经常可以透过皮肤看到血管壁的蓝色。

如果血红蛋白中的铁元素失去了电子，就会变成土褐色。这种形式被称为高铁血红蛋白，失去颜色的分子也失去了有效携带氧气的能力，除非电子恢复平衡。

许多黄种人的新生婴儿的臀部或下背部会有青色的“瘀伤”。这种“瘀伤”与瘀伤非常相似。其实只是聚集在皮肤深层的黑色素颗粒，几个月后会慢慢消退。事实上，它也与脱氧血红蛋白有关。

3.5.铁是人体的屏障。

在人体中，约30%的铁以血红蛋白和肌红蛋白以外的分子形式存在。这些含铁的蛋白质可以建立和修复我们的基因，代谢药物和毒素，并协助产生激素，许多酶会使用铁作为分离工具。比如死亡的血细胞需要被分解，所以肝脏利用自身的色素细胞将这些血细胞切割成碎片。

我们体内有一种过氧化氢酶，携带四个铁原子。当我们使用过氧化氢消毒伤口时，铁原子会将过氧化氢分子分解成水和氧气，从而防止过氧化氢伤害更多的细胞。在健康的情况下，过氧化氢酶总是在做防御工作，这样我们就可以避免受到正常代谢产生的化学废物的伤害。

3.6.铁过多也会给人带来伤害。

一个健康的成年人体内大约含有4克铁，相当于三个回形针的重量。人体内最具生物活性的铁是二价铁。二价铁由于活性高，可与某些细胞内的化合物发生反应，产生腐蚀性的自由基分子，破坏组织，防止伤口凝血。

铁被控制住了，对人体是有好处的，但只要1克不被控制的铁，就足以送一个孩子去医院。给孩子补铁过多甚至会导致死亡。我们之所以不会因为健康状态下的铁而死亡，是因为我们体内的大部分铁是被血红素等分子束缚的，其他的铁是被一个蛋白质缠绕的分子包裹或者直接吞掉的；还有一种特殊的转铁蛋白，可以在细胞间转移铁。

结束语

就像上一篇文章写的那样，铁会对恒星和人体产生正反两方面的影响，所有与铁有关的发明也都是在为人类服务或伤害人类。

纵观宇宙和人类的历史，虽然恒星是被铁毁灭的，但铁也为新恒星的诞生创造了机会。人类得益于铁的特性，无论是血液还是肌肉，甚至是地球磁场，都得益于铁对我们的贡献。与1000年前甚至更久以前的人们相比，今天的人们更加依赖铁:缝衣针、订书钉、剪刀、菜刀、建筑、桥梁、汽车、火车、武器装备来保卫家园。

然而，在将铁矿石冶炼成金属铁的过程中，这些铁正在消耗大量的煤炭，释放出二氧化碳和其他有毒有害气体，改变着我们赖以生存的地球的温度和大气成分。如何在发展过程中保护好我们唯一的地球，是我们面临的重大课题，也是全人类必须面对的挑战。