金属之王是什么（铁）

铁是一种古老的金属，从生产量到应用规模，都可以说是各种金属材料之首。难怪它被称为“金属之王”。有些人认为钢铁的荣耀已经过去了。事实并非如此，因为铁的神秘性质提供了广阔的应用前景。让我们从铁的生产和工艺的角度，去了解钢铁的生产工艺和魅力。

铁与磁的“缘分”

我国是世界上最早了解磁现象的国家之一。早在公元前4世纪，《管子》一书就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，是我国最早的磁现象文字记载。在东汉以前的古籍中，“磁”一直被写成“慈”。到公元前3世纪，《吕氏春秋》中已有“词史昭帖”的记载。这说明中国古代劳动人民早就知道用磁铁矿找铁矿。

由于对磁现象的认识，古人在许多场合应用了磁现象的独特性质。比如中药的“五石粉”，其中磁铁矿是其中的重要成分。此外，传说秦始皇在建造阿房宫时使用了磁门。只要有人把铁带进宫殿，它就会被磁门牢牢地吸收，这样就可以防止刺客进入宫殿。

人类赖以生存的地球是一块巨大的磁铁。稳定的地磁场是地球生命的“保护伞”，阻止宇宙射线从太空入侵。地磁的使用早已为人所知。罗盘是中国古代劳动人民的一项重大科技发明，也是地磁利用史上最辉煌的成就。

窥视生命的“天书”

为什么动物血是红色的？原来这是因为血液中含有血红素，而血红素化合物的核心元素是铁，这是大自然的选择。

铁是人体最重要的微量元素之一。正常成年人的铁含量超过3克。人体缺铁会引起贫血。人体血液中的血红蛋白是血红素和蛋白质结合的产物。它的主要功能是携带氧气。实验表明，1克血红蛋白在0℃和1大气压下可吸收1.35升氧气，然后结合形成含氧血红蛋白。血液从肺部输送到人体各组织，再分解成血红蛋白和氧气，维持机体组织的新陈代谢。

有趣的是，自然界中生命的色素具有内在的统一性。例如，存在于血液中的血红素与植物叶片叶绿体中的叶绿素具有惊人的结构相似性。认为血红素和叶绿素奇迹般地属于吡咯色素家族，构成了吡咯色素的两个自然范畴。

它们之间的结构差异主要是由于环结构和结合金属的侧基不同。血红素是铁卟啉化合物，与蛋白质结合形成血红蛋白；叶绿素是镁卟啉化合物，与蛋白质结合形成叶绿体。这种相似性揭示了自然界中动植物之间的某些联系，生命色素中可能隐藏着许多未知的秘密。

金属之王的“丰碑”

地壳中的铁含量极为丰富，约为5.5%，仅次于铝。然而，在自然界中很难找到游离铁（纯铁）。这是因为自然界中的铁一般以氧化物或硫化物的形式存在，如磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿等。

人们在5000多年前就开始使用铁，但那时人们还没有掌握炼铁技术。据考古学家研究，人类最早使用的铁是来自太空铁陨石。铁陨石的主要成分是铁，又称“陨石铁”，同时含有钴和镍。在古埃及人眼中，陨石是上帝赐予人类的“天石”，被视为珍宝。上世纪70年代，约公元前14世纪，河北省藁城县出土了一件商代青铜越。青铜越上有铁刃，出土时已锈成氧化铁，含2.5%的氧化镍和0.24%的氧化钴。科学家们认为，青铜上的铁刃使用陨石铁。

尽管地壳含有极其丰富的铁，但铁的熔点（1539℃）很高，明显高于铜（1083℃）。还原铁比还原铜困难得多，因此青铜时代比铁时代早。公元前1500年左右，炼铁业开始兴起于古埃及、两河流域等地。中国的炼铁工业大约兴起于西周，春秋时期开始使用铁器。到明代，我国年铁产量达到4.5万吨，居世界第一。由于铁制品非常坚硬，它们取代了铜，成为制造武器和工具的主要材料。

钢铁也是两个不同的概念，主要区别在于碳的含量。一般来说，含碳量小于0.2%的铁合金称为纯铁，碳含量大于2.0%的铁合金称为生铁，含碳量在0.2%-2.0%之间的铁合金称为钢。它们的性能也有显著差异，如生铁脆硬，没有韧性，不能锻造，但可以铸造；而钢又韧又硬，韧性好，适合锻造、铸造和轧制。钢铁作为人类社会生产和生活的重要物质资源，历来是国民经济实力和科技水平的重要标志。目前，我国钢铁产量已恢复世界第一。

与时俱进地“铁文化”

在世界工业革命的大背景下，以钢材应用为代表的“机器文明”应运而生，它不仅大大提高了劳动效率，而且使人们能够享受到钢铁文明带来的好处。用7000吨钢材建造的埃菲尔铁塔，改变了几千年来的石头建筑传统，促进了现代建筑的诞生。埃菲尔铁塔不仅展示了当时钢铁工业的技术成果，也反映了建筑结构科学和建筑技术的发展水平。

埃菲尔铁塔矗立在巴黎市中心的塞纳河上，高320多米，相当于100层楼高。它是当时世界上第一座钢结构塔。埃菲尔铁塔是错开的结构，有四根铁柱，水泥混凝土地基支撑着高耸的塔楼。使用了1500多个巨型预制梁、150万个铆钉和12000个铸钢件。埃菲尔铁塔向世界展示了钢结构的巨大建筑能力，这无疑是世界建筑史上的一个里程碑。

“鸟巢”是2008年北京奥运会的主体育场。采用世界上独一无二的钢结构工程，采用国内为其量身定制的Q460高强度钢板。那么，什么是Q460钢？结果表明，Q460钢是一种低合金高强度钢。式中，q是钢的强度，460是460 MPa。Q460是指当钢的机械强度达到460兆帕时发生塑性变形，比普通钢大。

“鸟巢”以其独特的钢结构传达了‘亲近自然’的时代理念，从而将‘铁文化’升华到一个新的高度。”“鸟巢”不仅是一座独具历史意义的地标性建筑，而且为21世纪世界建筑的发展提供了历史见证。

超导走进“铁时代”

科学家称超导体为当代科学的“明珠”，因此吸引了世界顶尖科学家的不懈努力。中国科学家在铁基超导领域取得了重大突破，为超导材料的广泛应用开辟了广阔前景，标志着超导技术进入“铁时代”。

超导电性是物质在一种特殊状态下的导电行为，即在一定温度下，电子输运过程中没有电阻。这个温度被称为“转变温度”。早在1911年，荷兰物理学家就发现了汞在4.2K（约268.8℃）的超导电性，并将这种导体的“零电阻效应”称为超导状态。从那时起，科学家们一直致力于探索高临界温度超导体。但由于科学家一直关注金属材料，因此一直没有突破。直到1930年，科学家们才发现一种化合物——氧化铝在15K的温度下可以产生超导电性，从此科学家们的眼睛就开始了。

从那时起，科学家们发现了一系列具有超导性的化合物。1986年，瑞士物理学家首次发现氧化铜的超导性，并获得诺贝尔物理学奖。然而，20年来，超导体仅限于铜基材料。由于铜基材料的稀缺性和成本高，在低温条件下难以制造，因此超导技术的推广难度很大。

2016年，日本科学家在26k的温度下发现了铁基材料的超导电性，这一发现启发了全世界的科学家。然而，高温超导体的形成机理一直是国际公认的问题。

我国科学家利用脉冲强磁场等极端实验条件，大大拓展了铁基超导体温度磁场相图的研究范围，发现了一个惊人的现象，即铁基超导体具有“各向同性”的特征。这是首次在二维层状超导体中发现超导态的各向同性，它的形成机制提供了重要的物理信息。铁基超导电性的发现揭示了高温超导电性在其他材料中存在的可能性，为未来超导电性的探索带来了新的希望。

作为仅次于铜基超导体的第二大类高温超导体，铁基超导体具有更大的应用潜力。此后，新的铁基超导体不断被发现，如镧铁砷氧化物、钡铁砷、锂铁砷和铁硒。这些材料可以掺杂到几乎所有的原子位置以获得超导电性。我国科学家发现的新型铁硒高温超导体的超导转变温度在40K以上，有科学家预测铁基超导家族是迄今为止发现的最大的超导家族，其成员数量粗略估计超过3000个。