宇宙刚刚诞生的时候，极热极小，在迅速地膨胀，温度也随之下降。约几飞秒后，夸克与
电子形成。约几微秒后，夸克逐渐聚集成核子（质子和中子）。1秒钟后，温度降至百亿
K，大部分中子逐渐变为质子。约100秒后，温度降至十亿K，剩余中子与质子开始结合形
成氦核。几小时内，温度降至几百万K，无自由中子，氢核(即质子)与氦核之比锁定在4:
1（质量比），成为宇宙早期的元素组成（另外有极少量的锂和铍）。
宇宙诞生后约30万年，温度降至4000K，氢原子核和氦原子核俘获电子而形成原子。随后
的十亿年间，氢气和氦气在引力作用下缓慢地集结成巨大的云团，这时的宇宙是寒冷而黑
暗的。由于某种未知的原因，分子云团内部出现了一些浓密的地方，在引力作用下，物质
越来越快地向这里聚集。在塌缩的过程中，密度越来越大，温度越来越高，到800万K时，
氢聚变为氦的核反应突然点燃。于是，一颗恒星诞生了，照亮了这个宇宙。
随着时间的推移，恒星核心的氢燃料逐渐减少，氦元素逐渐增多。终于，中央氦核因氢氦
聚变反应停止、热量得不到补充而开始引力收缩。当氦核的温度达到上亿K时，将点燃氦
聚变成碳和氧的核反应，氦核反应是爆发似地，称为“氦闪”。对于一个质量足够大的恒
星，温度可以升得更高，达到8亿K时碳被点燃，可以聚变成氖、钠、镁。温度达到15亿K
时点燃氖，20亿K时点燃氧，30亿K时点燃硅，这就像一条“生产线”，不断地产生出新的
元素。然而，核转变并不能无限制地继续，反应的洪流最后都朝着一个元素汇集，它的核
子具有最大的平均结合能，若要形成更重的元素，反而需要能量。这种元素是大质量恒星
核心的最后灰烬。
核聚变反应停止后，巨大的引力使核心猛烈塌缩，在数十亿K的高温和无情的重压下，所
有的核心物质都变成了紧密堆积的中子，密度达到每立方厘米十的十四次方克，这就是中
子星。这时恒星中的物质已不可能再作任何进一步的压缩。恒星的未中子化的外层以超过
1/10光速的速度落到其中子化核心的表面，在那里撞上了一堵无比坚硬的墙，并被反弹回
来，形成冲击波。冲击波由中心向外传播，几天后达到恒星表面，毫不含糊地把恒星整个
外壳轰得粉碎，并沿径向向外吹得四散。一个二十五倍太阳质量的恒星将喷射掉二十四倍
太阳质量的质量，只剩下一个太阳质量的中子星。这个现象就称为超新星爆发。超新星爆
发的这种激烈程度的确令人难以置信。它的光度会增大数十亿倍，因此在几天里这颗“新
”星的亮度将超过整个星系。于是，作为恒星燃烧的最后灰烬的元素：铁(Fe)，在超新星
爆发中被抛撒到了广袤的宇宙中。
几十亿年又过去了，在原始恒星的核废墟上，新一代的恒星形成了。其中一些恒星被称为
行星的小天体所环绕，在宇宙中飘荡的铁元素们就在这些行星上安了家，其中有一颗行星
叫做地球。在地球形成的早期，温度高达数千K，这使其变成一个大大的液滴。由于铁原
子比其它组成地球的轻元素的原子要重得多（单质铁的密度是7.87g/cm^3），它们大部分
都沉到了“大液滴”的中心，和其他重元素一起，形成了地核。地核中的液态铁在不停地
流动着，给地球带来了磁场（即地磁场）。
大约8亿年过去了，当地球的表面渐渐地冷却形成地壳后，生命开始孕育。早期的地球大
气是还原性的，早期生物绝大多数依靠光合作用来生存繁衍。于是，氧气被慢慢地释放到
大气中。经过了漫长的15亿年，即到距今约20亿年前，大气的氧分压才达到现在的10%~1
5%。由于铁元素对氧有相当强的亲和力，很少的氧气就能使地球表层的铁被充分地氧化，
生成了Fe3O4(磁铁矿)，进一步氧化得到Fe2O3(赤铁矿)，以及它的水合物Fe2O3.xH2O(褐
铁矿)，还有与二氧化碳结合后的产物FeCO3(菱铁矿)。地表的单质铁不复存在，除了太空
中富含铁单质的陨星在漫漫的岁月中会不断地给地球补充游离态的铁，但它们最终也会被
氧化。生命的出现改变了铁元素的存在状态，而铁元素却将生命带入到了一个接一个的新
的发展历程。
当生物开始利用氧气氧化有机物来获取比无氧代谢过程所产生的大得多的能量时，铁元素
被选择作为向氧分子传递电子的载体。那么为什么铁可以担当如此重任呢？首先，铁有正
二价Fe(2+)和正三价Fe(3+)两种不同的氧化状态，它们可以通过失去或得到电子来互相转
化。而且，在中性的pH值下，氧气刚刚好能夺取电子而把Fe2+氧化为Fe3+（O2/H2O电对的
电势为+0.816V, Fe3+/Fe2+的电势为+0.771V）。更重要的是，Fe3+比起Fe2+更容易跟配
体结合，在形成不同的配合物后，Fe3+的氧化性会有不同程度的降低，即Fe2+的还原性有
不同程度的提高。在某些铁氧还蛋白(ferredoxin)中，Fe2+的还原性甚至可以超过H2(-0
.421V)！这样，不同化学环境中的铁具有不同的氧化还原电位，它们为电子传递的阶梯。
在距今约20亿年前，带有线粒体的真核生物出现了，并很快兴盛起来。有氧呼吸在线粒体
中高效地进行，在电子传递链中靠近氧的一端存在着几种细胞色素(cytochrome)：b, c,
c1, a, a3，它们都含有血红素单元，其中心就是一个铁原子。在链的另一端有数种铁硫
蛋白，它们能传递由NADH和FADH2所运载的氢给出的电子，铁硫蛋白中每个铁原子都被4个
硫原子配位。
距今约6亿年前，多细胞动物出现。不久以后，发生了著名的寒武纪生物大爆发，出现了
较大型的动物。当它们大到一定程度时，就要依靠血液来给体内的细胞输送氧气。血液中
含有呼吸色素，其中最有效的一种就是血红蛋白。血红蛋白由血红素和珠蛋白组成。血红
素中的铁是二价铁，如果它被氧化为三价铁，血红蛋白就变成高铁血红蛋白，会失去载氧
能力。珠蛋白能够阻止氧气的氧化作用，使血红素与氧分子的结合并不改变铁的价态。
距今约2亿年前，血红蛋白的强大载氧能力使得温血动物得以出现。在距今约250万年前，
地球上诞生了一种新的生物，他们可以制造工具，这就是人类。在很长一段时间里，人类
采用石头来制作工具，直到距今不到一万年时，发现了一类很容易铸造和锻打成各种形状
的材料：金属。最早被大量使用的金属是能在自然界中以单质形式出现的铜，而大量存在
的铁元素却乐于跟氧元素抱在一起，不愿露出真面目。
在公元前三千年的某个时候，小亚细亚的黑梯人(Hittities)发现了从铁矿石中熔炼铁的
秘诀。这个秘诀被小心地隐藏起来，直到公元前1200年左右，随着黑梯帝国的最终垮台，
这种知识才得以传播开来，从而开始了“铁器时代”。铁的发现和大规模使用，大大推动
了人类文明的发展。在近代(~1773年)，焦炭被作为还原剂引入到炼铁工业中，使成本大
大降低，并使炼铁的规模迅速增大，成为引发工业革命的主要因素之一。在19世纪中叶，
转炉法和平炉法的相续发明使炼钢的成本大大降低。到1900年时，世界的钢产量增加了上
百倍。
同时代，法拉第在1818年开始对铁的合金的性质进行研究，此后，越来越多的含铁合金被
制造出来。1883年，制得锰钢，经淬火变得超硬，用于粉碎岩石、金属切削及钢轨，正式
引入“合金钢”一词（英国 哈德费尔德）。现在铬、钼、钨、钒、镍、钛等各种金属都
可以跟铁形成各种具有优良性能的合金钢，到处都有它们的身影。其中大家见得最多的可
能是不锈钢，它含有12％以上的铬，在遇到具有腐蚀性的物质时，就会在它的表面形成一
种细致而坚实的氧化铬薄膜，保护内部的金属不继续受腐蚀，有些不锈钢甚至在800℃的
高温中，还能保持其优良的性能。
---------
一个星期前，受北大未名BBS的CCME版的水车们的嘱托，Gaussian采访了这位大名鼎鼎的
铁元素兄。下面是采访记录：
Gaussian: 能不能先做个自我介绍？
Fe: 见
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%81Gaussian: 人们常把钢铁混在一起称呼，请问你跟这位钢仁兄有什么关系？
Fe: 从高炉里出来的时候，我含有>2%的碳，虽然够硬但柔韧性不够，容易骨折，被人们
叫做生铁。部分碳可以被氧化除掉，当含碳量在0.04%-1.7%之间，我拥有了一身好筋骨，
能曲能伸，被人们称为钢。如果含碳比这还少，我就软了下了，不能把活干好，这时人们
叫我熟铁。
Gaussian: 原来钢铁是铁和碳的合金！
Gaussian: 你是银白色的，为什么人们把你称为黑色金属？
Fe: 只要我在空气中呆久了，表面就会跟氧化合生成黑色的四氧化三铁(Fe3O4)，掩盖了
我的本来面目。
Gaussian: 听说你有很强的磁性，这时为什么？
Fe: 我身体里有很多未成对的电子，由于自旋运动产生磁场，这每个电子都像一块小磁铁
，这些未成对电子们通过一种叫交换耦合的作用，总是想着都朝向一个方向，这样各自的
磁场叠加起来产生了一个大块的磁场。
Gaussian: 人的体内少不了你，不然会得贫血，你比较喜欢待在哪些食物里？
Fe: 瘦肉、动物肝脏、多叶绿色蔬菜、蛋类、谷类食物、沙丁鱼。
Gaussian: 在盐碱地中植物不容易生长，这好像也跟你有关？
Fe: 对，在碱性条件下我不太容易跑到水里面去，植物没有我活不成。
Gaussian: 据说一氧化碳和氰化物的毒性是由于他们会跑到人体里去，抓住正在发挥重
要生物功能的你不放，使你无法分身，那为什么氰化物的毒性要厉害得多呢？
Fe: 氰基负离子(CN-)可以钻到细胞中的线粒体里面，抓住待在细胞色素a里的我；而一
氧化碳只能在外面去找那些血红蛋白。
Gaussian: 你有没有什么重要的化合物？
Fe: 比较抱歉，我通常都是以合金的形式发挥作用。大家最常见的化合物应该是水合的三
氧化二铁：铁锈，没有人会喜欢它。勉强要算的话，有一个东西叫普鲁士蓝(Prussian b
lue)，还有点儿意思。
由于时间关系，对铁元素兄的采访到此结束。
后记]
Gaussian的元素化学学得实在不怎么样，但喜欢物理学和生物学，因而写了好多跟化学关
系不大的东东。但是，当学化学的朋友看到地球上这个熟悉的元素时，您是否会想到，它
来自于几十亿年前的一次超新星爆发。
--
FROM 162.105.96.*