铁的双重身份

正文

铁的双重身份：+2还是+3？这背后隐藏着什么秘密？

生活中的化学

相信很多同学在上初中或高中时都会有这样一个疑问：为什么一些元素（如 Fe、Cu、Mn 等）有两个甚至三个常见价态，而另一些元素却通常只有一个价态？这一期，我们就以铁为例，探秘其存在多个价态的原因。 壹 关于铁元素的基本知识

原子序数：26

电子排布（electron configuration）：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 / \[Ar\] 3d⁶ 4s²

相对原子质量（relative atomic mass）：55.847

下面，我们来介绍铁两种常见价态的来源。 1）铁的“第一重身份”：+2 价

铁原子最外层有 2 个 4s 电子（虽然 3d 能量高于 4s，但 4s 轨道仍是最外层），这两个电子最容易失去。铁失去这两个电子后形成 Fe²⁺，电子排布变为 \[Ar\] 3d⁶。

常见例子：FeO（氧化亚铁）、FeCl₂（氯化亚铁）。

2）铁的“第二重身份”：+3 价

在铁为二价的前提下，Fe²⁺ 的 3d 轨道有 6 个电子，还未达到更稳定的半满或全满状态（d 轨道最多容纳 10 个电子，通常半满 5 个或全满 10 个更稳定）。相比“再获得一个电子”，失去一个电子变成 3d⁵ 对铁更容易，因此形成 Fe³⁺ 这一更稳定状态。

那么，+3 价铁离子的 3d 轨道电子排布是怎样的呢？如下图所示：

如图，d 轨道有 5 条空间取向不同的等价轨道，分别对应图中的 5 个方格。为什么电子会先单个占据每个等价轨道，且这种状态比 +2 价铁离子（d 轨道 6 个电子）更稳定呢？

别急，我们先来介绍一位化学家。 贰 弗里德里希·洪特

弗里德里希·洪特（Friedrich Hund，1896 年 2 月 4 日—1997 年 3 月 31 日），德国理论物理学家。

1925 年，他提出“洪特规则”：电子在等能轨道中会优先以相同自旋方向单占，从而使体系能量更低。+3 价铁离子更符合这一稳定排布；而 +2 价亚铁离子在 3d 轨道有 6 个电子，出现配对，稳定性相对更弱，因此更容易被氧化为 +3 价铁离子。

* 在酸性条件下，+2 价亚铁离子在溶液中会被氧化为 +3 价铁离子。

这就是铁为什么存在三价的原因。

一些常见例子：

* 氧化铁（Fe₂O₃）

* 氯化铁（FeCl₃） 叁 生活中的铁元素

其实，铁的这两种价态在我们的生活中无处不在：

Fe²⁺：存在于补血药（如硫酸亚铁）与植物叶绿素合成中。

Fe³⁺：是铁锈的主要成分，也会让土壤呈现红褐色。

Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ 的转化：在生物体内参与电子传递（如血红蛋白、细胞色素），在生命活动中扮演重要角色。