“铁怎么来的?”
铁的来源可以从宇宙形成、地球地质过程以及人类冶炼三个层面来阐述:
1. 宇宙中的起源
铁元素(Fe)的原子核形成于恒星内部的核聚变过程。在恒星生命周期的晚期,较轻元素(如氢、氦)通过聚变逐步生成更重的元素。当聚变到铁(原子序数26)时,由于铁的核结合能最高,进一步聚变会吸收能量而非释放能量,导致恒星核心坍缩,最终引发超新星爆炸。这一过程将铁及其他重元素抛射到星际空间,成为形成新恒星和行星(包括地球)的原始物质。
2. 地球上的铁矿石形成
地球形成初期,铁因其密度较高下沉形成地核(主要由铁和镍构成)。地壳中的铁则通过地质活动富集形成铁矿。常见的铁矿石包括:
- 赤铁矿(Fe₂O₃):红色矿石,含铁量约70%。
- 磁铁矿(Fe₃O₄):具磁性,含铁量约72%。
- 褐铁矿(FeO(OH)·nH₂O):含水氧化物,含铁量较低。
- 菱铁矿(FeCO₃):碳酸盐矿石,需煅烧后使用。
这些矿床多由岩浆活动、沉积作用或风化富集形成。
3. 人类冶炼铁的历程
- 古代方法:早期人类使用木炭在较低温度(约1200°C)下还原铁矿石,得到海绵铁(熟铁),再经锻打去除杂质。中国春秋时期已掌握生铁冶炼技术(高温液态铁)。
- 现代高炉炼铁:将铁矿石、焦炭(还原剂)和石灰石(助熔剂)加入高炉,在2000°C高温下焦炭生成CO还原氧化铁,得到生铁(含碳量高,需进一步炼钢)。
- 直接还原法:如MIDREX工艺,用天然气或煤直接还原铁矿石为海绵铁,减少碳排放。
4. 铁的应用与循环
铁是现代社会的基础材料,广泛用于建筑、机械、交通等领域。废铁回收再利用(电炉炼钢)成为重要环保手段,减少对原生矿石的依赖。
总结:铁源于超新星爆发,地球通过地质作用形成铁矿,人类通过高温还原技术从矿石中提取金属铁,并不断优化冶炼工艺以适应可持续发展需求。