ในเหล็กแข็งที่ความดันปกติ จะมีการจัดเรียงอะตอมของเหล็กที่แตกต่างกัน 3 แบบโดยทั่วไปจะใช้สัญลักษณ์α , γ , δ และ ε เมื่อเหล็กหลอมเหลวเย็นตัวลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งที่ 1538  °C มันจะตกผลึกเป็น δ ซึ่งมีโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์ศูนย์กลางตัว (bcc) เมื่อมันเย็นตัวลงอีกจนถึง 1394 °C มันจะเปลี่ยนเป็น γ-เหล็ก ซึ่งมี โครงสร้างผลึกแบบ ลูกบาศก์ศูนย์กลางหน้า (fcc) หรือออสเทนไนต์ที่อุณหภูมิ 912 °C และต่ำกว่า โครงสร้างผลึกจะกลับมาเป็น α-เหล็กแบบ bcc อีกครั้ง^{[ 11 ]}  

ที่ความดันสูง ประมาณ 10 GPa และอุณหภูมิไม่กี่ร้อยเคลวินหรือต่ำกว่านั้น เหล็กอัลฟาจะเปลี่ยนเป็น โครงสร้าง แบบหกเหลี่ยมอัดแน่น (hcp) อีกแบบหนึ่ง ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเหล็กเอท เฟสแกมมาที่อุณหภูมิสูงกว่าก็จะเปลี่ยนเป็นเหล็กเอทเช่นกัน แต่จะเกิดขึ้นที่ความดันสูงกว่า^{[ 12 ]}คุณสมบัติทางกายภาพของเหล็กที่ความดันและอุณหภูมิสูงมากได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางเนื่องจากมีความเกี่ยวข้องกับทฤษฎีเกี่ยวกับแกนกลางของโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่น^{[ 13 ] [ 12 ]} โดยทั่วไปแล้ว แกนกลางของโลกสันนิษฐานว่าประกอบด้วยโลหะผสมเหล็ก- นิกเกล ที่มีโครงสร้างเอท (หรือเบตา) ^{[ 14 ]}

มีหลักฐานการทดลองที่ขัดแย้งกันอยู่บ้างเกี่ยวกับ เฟส β ที่เสถียร ที่ความดันสูงกว่า 50 GPa และอุณหภูมิอย่างน้อย 1500 K โดยคาดว่าจะมี โครงสร้าง แบบออร์โธรอมบิกหรือแบบ hcp สองชั้น^{[ 15 ]} (ที่น่าสับสนคือ บางครั้งคำว่า "เหล็ก β" ก็ถูกใช้เพื่ออ้างถึงเหล็ก α ที่อยู่เหนือจุดคิวรี เมื่อมันเปลี่ยนจากเฟอร์โรแมกเนติกเป็นพาราแมกเนติก แม้ว่าโครงสร้างผลึกของมันจะไม่เปลี่ยนแปลงก็ตาม^{[ 11 ]} )

จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของเหล็ก รวมถึงเอนทาลปีของการแตกตัวเป็นอะตอมนั้น ต่ำกว่าของธาตุ 3d ก่อนหน้าตั้งแต่สแกนเดียมถึงโครเมียมซึ่งแสดงให้เห็นถึงการมีส่วนร่วมที่ลดลงของอิเล็กตรอน 3d ในการสร้างพันธะโลหะ เนื่องจากอิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกดึงดูดเข้าไปในแกนกลางเฉื่อยโดยนิวเคลียสมากขึ้นเรื่อยๆ^{[ 16 ]}อย่างไรก็ตาม ค่าเหล่านี้สูงกว่าค่าของธาตุแมงกานีส ก่อนหน้า เนื่องจากธาตุนี้มีซับเชลล์ 3d ที่บรรจุครึ่งหนึ่ง และด้วยเหตุนี้อิเล็กตรอน d ของมันจึงไม่สามารถกระจายตัวได้ง่าย แนวโน้มเดียวกันนี้ปรากฏสำหรับรูทีเนียมแต่ไม่ปรากฏสำหรับออสเมียม^{[ 17 ]}

จุดหลอมเหลวของเหล็กได้รับการกำหนดไว้อย่างดีจากการทดลองสำหรับความดันที่น้อยกว่า 50 GPa สำหรับความดันที่มากกว่านั้น ข้อมูลที่เผยแพร่ (ณ ปี 2007) ยังคงแตกต่างกันหลายสิบกิกะปาสคาลและมากกว่าหนึ่งพันเคลวิน^{[ 18 ]}

ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดคิวรี 770 ° C (1,420 °F; 1,040 K)เหล็กอัลฟาจะเปลี่ยนจากพาราแมกเนติกเป็นเฟอร์โรแมกเนติก โดยทั่วไปแล้ว สปินของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่สองตัวในแต่ละอะตอมจะเรียงตัวตามสปินของอะตอมข้างเคียง ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก โดยรวม ^{[ 20 ]}สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากออร์บิทัลของอิเล็กตรอนสองตัวนั้น (d และ d ) ไม่ ได้ชี้ไปยังอะตอมข้างเคียงในแลตทิซ ดังนั้นจึงไม่เกี่ยวข้องกับการยึดเหนี่ยวแบบโลหะ^{[ 11 ]}   

ในกรณีที่ไม่มีแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กภายนอก อะตอมจะแบ่งตัวออกเป็นโดเมนแม่เหล็ก โดยธรรมชาติ ซึ่งมีขนาดประมาณ 10 ไมโครเมตร^{[ 21 ]}โดยที่อะตอมในแต่ละโดเมนจะมีสปินขนานกัน แต่บางโดเมนอาจมีการวางแนวอื่น ดังนั้นชิ้นส่วนเหล็กขนาดใหญ่จะมีสนามแม่เหล็กโดยรวมเกือบเป็นศูนย์

การใช้สนามแม่เหล็กภายนอกทำให้โดเมนที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในทิศทางเดียวกันเติบโตขึ้นโดยแลกกับโดเมนที่อยู่ติดกันซึ่งชี้ไปในทิศทางอื่น ทำให้สนามภายนอกแข็งแกร่งขึ้น ผลกระทบนี้ถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการควบคุมสนามแม่เหล็กเพื่อให้การทำงานเป็นไปตามที่ออกแบบไว้ เช่นหม้อแปลงไฟฟ้าหัวบันทึกแม่เหล็กและมอเตอร์ไฟฟ้าสิ่งเจือปนข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึกหรือขอบเขตของเกรนและอนุภาคสามารถ "ตรึง" โดเมนไว้ในตำแหน่งใหม่ ทำให้ผลกระทบยังคงอยู่แม้หลังจากถอดสนามภายนอกออกแล้ว จึงทำให้วัตถุเหล็กกลายเป็นแม่เหล็ก ( ถาวร) ^{[ 20 ]}

สารประกอบเหล็กบางชนิดแสดงพฤติกรรมคล้ายกัน เช่นเฟอร์ไรต์ซึ่งรวมถึงแร่แมกเนไทต์ ซึ่ง รูปแบบผลึกของเหล็ก(II,III) ออกไซด์ผสมFe₃O₄ (แม้ว่ากลไกในระดับอะตอม หรือเฟอร์ริแมกเนติซึม จะแตกต่างกันบ้าง) ชิ้นส่วนของแมกเนไทต์ที่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กถาวรตามธรรมชาติ ( หิน ) เป็น เข็มทิศรุ่นแรกๆสำหรับการนำทาง อนุภาคของแมกเนไทต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสื่อบันทึกแม่เหล็ก เช่นหน่วยความจำหลักเทปแม่เหล็ก ฟลอปปี้ดิสก์และดิสก์จนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยวัสดุที่มีโคบอลต์ เป็นองค์ประกอบ

เหล็กมีไอโซโทป เสถียร 4 ^ชนิดได้แก่^54Fe (5.845% ของเหล็กธรรมชาติ), ^56Fe (91.754%), 57Fe (2.119%) และ^58Fe (0.282%) นอกจากนี้ยังมีการสร้างไอโซโทปเทียมอีก 24 ชนิด ในบรรดาไอโซโทปเสถียรเหล่านี้ มีเพียง^57Fe เท่านั้น ที่มีสปินนิวเคลียร์ (− 1 ⁄ 2 ) นิวไคลด์^54Feในทางทฤษฎีสามารถเกิดการจับอิเล็กตรอนคู่เป็น^54Cr ได้ แต่กระบวนการนี้ไม่เคยถูกสังเกต และ มีการกำหนดเพียงขีดจำกัดล่างของครึ่งชีวิตที่ 4.4×10 ^{20 ปีเท่านั้น [ 22 ]}

^60Feเป็นนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่สูญพันธุ์ไปแล้ว ซึ่งมี ครึ่งชีวิตยาวนาน(2.6 ล้านปี) ^{[ 23 ]}ไม่พบบนโลก แต่ผลิตภัณฑ์การสลายตัวขั้นสุดท้ายของมันคือหลานสาวของมัน ซึ่งก็คือนิวไคลด์เสถียร60Ni [ ^{9 ]งานวิจัย}ในอดีตส่วนใหญ่เกี่ยวกับองค์ประกอบไอโซโทปของเหล็กมุ่งเน้นไปที่การสังเคราะห์นิวเคลียสของ^60Feผ่านการศึกษาอุกกาบาตและการก่อตัวของแร่ ในทศวรรษที่ผ่านมา ความก้าวหน้าในสเปกโทรเมตรีมวลทำให้สามารถตรวจจับและวัดปริมาณความแปรผันเล็กน้อยที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในอัตราส่วนของไอโซโทปเสถียรของเหล็กได้ งานวิจัยส่วนใหญ่ขับเคลื่อนโดย ชุมชน วิทยาศาสตร์โลกและ ดาวเคราะห์ แม้ว่าการประยุกต์ใช้กับระบบชีวภาพและอุตสาหกรรมกำลังเกิดขึ้น^{[ 24 ]}

ในเฟสของอุกกาบาตSemarkonaและChervony Kutความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของ⁶⁰ Ni ซึ่งเป็นหลานสาวของ⁶⁰ Fe และความอุดมสมบูรณ์ของไอโซโทปเหล็กที่เสถียรได้ให้หลักฐานสำหรับการมีอยู่ของ⁶⁰ Fe ในช่วงเวลาที่ระบบสุริยะก่อตัวขึ้นเป็นไปได้ว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการสลายตัวของ⁶⁰ Fe พร้อมกับพลังงานที่ปล่อยออกมาจาก²⁶ Alมีส่วนช่วยในการหลอมละลายและการแยกตัวของดาวเคราะห์น้อยหลังจากที่ก่อตัวขึ้นเมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อน ความอุดมสมบูรณ์ของ⁶⁰ Ni ที่มีอยู่ใน วัสดุ นอกโลกอาจนำมาซึ่งข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับต้นกำเนิดและประวัติศาสตร์ยุคแรกของระบบสุริยะ^{[ 25 ]}

The most abundant iron isotope ⁵⁶Fe is of particular interest to nuclear scientists because it represents the most common endpoint of nucleosynthesis.^[26] Since ⁵⁶Ni (14 alpha particles) is easily produced from lighter nuclei in the alpha process in nuclear reactions in supernovae (see silicon burning process), it is the endpoint of fusion chains inside extremely massive stars. Although adding more alpha particles is possible, but nonetheless the sequence does effectively end at ⁵⁶Ni because conditions in stellar interiors cause the competition between photodisintegration and the alpha process to favor photodisintegration around ⁵⁶Ni.^[27][28] This ⁵⁶Ni, which has a half-life of about 6 days, is created in quantity in these stars, but soon decays by two successive positron emissions within supernova decay products in the supernova remnant gas cloud, first to radioactive ⁵⁶Co, and then to stable ⁵⁶Fe. As such, iron is the most abundant element in the core of red giants, and is the most abundant metal in iron meteorites and in the dense metal cores of planets such as Earth.^[29] It is also very common in the universe, relative to other stable metals of approximately the same atomic weight.^[29][30] Iron is the sixth most abundant element in the universe, and the most common refractory element.^[31]

แม้ว่าจะสามารถสกัดพลังงานเพิ่มขึ้นเล็กน้อยได้โดยการสังเคราะห์⁶² Niซึ่งมีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงกว่า⁵⁶ Fe เล็กน้อย แต่สภาวะในดาวฤกษ์ไม่เหมาะสมสำหรับกระบวนการนี้ การผลิตธาตุในซูเปอร์โนวาเอื้อต่อเหล็กมากกว่านิกเกลอย่างมาก และไม่ว่าในกรณีใด⁵⁶ Fe ก็ยังมีมวลต่อนิวคลีออนต่ำกว่า⁶² Ni เนื่องจากมีสัดส่วนของโปรตอนที่เบากว่ามากกว่า^{[ 32 ]}ดังนั้น ธาตุที่หนักกว่าเหล็กจึงต้องอาศัยซูเปอร์โนวาในการก่อตัว ซึ่งเกี่ยวข้องกับการจับนิวตรอนอย่างรวดเร็วโดยเริ่มต้นจากนิวเคลียส^{56 Fe [ 29 ]}

ในอนาคตอันไกลโพ้นของจักรวาล สมมติว่าการสลายตัวของโปรตอนไม่เกิดขึ้นการหลอมรวม เย็น ที่เกิดขึ้นผ่านการอุโมงค์ควอนตัมจะทำให้นิวเคลียสเบาในสสารธรรมดาหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียส Fe ^{56 ตัว จากนั้นการแตกตัวและ} การปล่อยอนุภาคอัลฟาจะทำให้นิวเคลียสหนักสลายตัวเป็นเหล็ก เปลี่ยนวัตถุมวลระดับดาวฤกษ์ทั้งหมดให้เป็นทรงกลมเย็นของเหล็กบริสุทธิ์^{[ 33 ]}

ความอุดมสมบูรณ์ของเหล็กในดาวเคราะห์หินเช่นโลกเกิดจากการผลิตอย่างมากมายในช่วงการหลอมรวมและการระเบิดของซูเปอร์โนวาประเภท Iaซึ่งกระจายเหล็กออกไปในอวกาศ^{[ 34 ] [ 35 ]}

เหล็ก บริสุทธิ์หรือเหล็กในรูปโลหะพบได้ยากบนพื้นผิวโลก เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน อย่างไรก็ตามเชื่อกันว่า แกนโลก ชั้นในและชั้นนอก ซึ่งรวมกันแล้วคิดเป็น 35% ของมวลโลกทั้งหมด ประกอบด้วยโลหะผสมเหล็กเป็นส่วนใหญ่ อาจมี นิกเกล ผสมอยู่ด้วย กระแสไฟฟ้าในแกนโลกชั้นนอกที่เป็นของเหลวนั้นเชื่อว่าเป็นต้นกำเนิดของสนามแม่เหล็กโลกดาวเคราะห์น้อยดวงอื่นๆ ในระบบสุริยะ ( ดาวพุธดาวศุกร์และดาวอังคาร ) รวมถึงดวงจันทร์เชื่อกันว่ามีแกนกลางเป็นโลหะที่ประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ดาวเคราะห์น้อยประเภท Mก็เชื่อกันว่าประกอบด้วยโลหะผสมเหล็กบางส่วนหรือส่วนใหญ่เช่นกัน

อุกกาบาตเหล็กหายากเป็นเหล็กโลหะธรรมชาติหลักบนพื้นผิวโลกพบสิ่งของที่ทำจากเหล็กอุกกาบาตที่ผ่านการแปรรูปเย็น ในแหล่งโบราณคดีต่างๆ ซึ่งมีอายุย้อนไปถึงยุคที่การถลุงเหล็กยังไม่ได้รับการพัฒนา และมีรายงาน ว่าชาวอินูอิตในกรีนแลนด์ใช้เหล็กจากอุกกาบาตเคปยอร์กสำหรับทำเครื่องมือและอาวุธล่าสัตว์^{[ 36 ]}ประมาณ 1 ใน 20 ของอุกกาบาตประกอบด้วยแร่เหล็ก-นิกเกิลที่เป็นเอกลักษณ์ ได้แก่เทไนต์ (เหล็ก 35–80%) และคามาไซต์ (เหล็ก 90–95%) ^{[ 37 ]}เหล็กธรรมชาติยังพบได้น้อยในหินบะซอลต์ที่เกิดจากแมกมาที่สัมผัสกับหินตะกอนที่มีคาร์บอนสูง ซึ่งลดความดัน ออกซิเจน ลงมากพอที่จะทำให้เหล็กตกผลึกได้ นี่เรียกว่าเหล็กเทลลูริกและมีการอธิบายจากบางพื้นที่ เช่นเกาะดิสโกในกรีนแลนด์ตะวันตกยาคุเตียในรัสเซียและบูห์ลในเยอรมนี^{[ 38 ]}

เฟอร์โรเพอริเคลส(Mg,Fe)Oซึ่งเป็นสารละลายของแข็งของเพอริเคลส (MgO) และวูสไทต์ (FeO) ประกอบขึ้นเป็นประมาณ 20% ของปริมาตรของ เนื้อ โลกชั้นล่าง ซึ่งทำให้เป็นเฟสแร่ที่อุดมสมบูรณ์เป็นอันดับสองในบริเวณนั้นรองจาก ซิลิเกตเพอร์รอฟสไกต์(Mg,Fe)SiO นอกจากนี้ยังเป็นตัวกลางหลักของเหล็กในเนื้อโลกชั้นล่างอีกด้วย^{[ 39 ]}ที่ด้านล่างของเขตเปลี่ยนผ่านของเนื้อโลก ปฏิกิริยา γ- (Mg,Fe) [ SiO ] ↔ (Mg,Fe) [ SiO ] + (Mg,Fe)Oจะเปลี่ยนγ-โอลิวีน ให้กลาย เป็นส่วนผสมของซิลิเกตเพอร์รอฟสไกต์และเฟอร์โรเพอริเคลส และในทางกลับกัน ในเอกสารทางวิชาการ เฟสแร่ของเนื้อโลกชั้นล่างนี้มักถูกเรียกว่าแมกนีซิโอวูสไทต์ด้วย^{[ 40 ]}ซิลิเกตเพอร์รอฟสไกต์อาจก่อตัวได้ถึง 93% ของเนื้อโลกชั้นล่าง^{[ 41 ]}และแมกนีเซียมเหล็กในรูปแบบ(Mg,Fe)SiO ถือเป็นแร่ธาตุ ที่อุดมสมบูรณ์ที่สุด ในโลก คิดเป็น 38% ของปริมาตร^{[ 42 ]}

แม้ว่าเหล็กจะเป็นธาตุที่มีมากที่สุดบนโลก แต่เหล็กส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่ในแกนกลางชั้นในและชั้นนอก^{[ 43 ] [ 44 ]}สัดส่วนของเหล็กที่อยู่ในเปลือกโลกมีเพียงประมาณ 5% ของมวลทั้งหมดของเปลือกโลก และจึงเป็นเพียงธาตุที่มีมากเป็นอันดับสี่ในชั้นนั้น (รองจากออกซิเจนซิลิคอนและอะลูมิเนียม ) ^{[ 45 ]}

เหล็กส่วนใหญ่ในเปลือกโลกจะรวมกับธาตุอื่นๆ หลายชนิดเพื่อสร้างแร่เหล็ก หลายชนิด แร่ เหล็กออกไซด์ที่สำคัญได้แก่ฮีมาไทต์ (Fe₂O₃ เนไทต์ (Fe₃O₄ และไซเดอไรต์ (FeCO₃ เป็นแร่เหล็กหลักหินอัคนี หลายชนิด ยังประกอบด้วยแร่ซัลไฟด์ เช่น ไพร์โรไทต์และเพนท์แลนไดต์ [ ^{46 ] [ 47 ] ใน}ระหว่างการผุพังเหล็กมีแนวโน้มที่จะถูกชะล้างออกจากแหล่งสะสมซัลไฟด์ในรูปของซัลเฟต และจากแหล่งสะสมซิลิเกตในรูปของไบคาร์บอเนต ทั้งสองชนิดนี้จะถูกออกซิไดซ์ในสารละลายในน้ำและตกตะกอนแม้ในสภาวะที่มีค่า pH สูงขึ้นเล็กน้อยในรูปของเหล็ก(III)ออกไซด์^{[ 48 ]}

แหล่งสะสมเหล็กขนาดใหญ่คือชั้นหินเหล็กแถบ ซึ่งเป็นหินประเภทหนึ่งที่ประกอบด้วยชั้นออกไซด์ของเหล็กบางๆ สลับกับชั้นหินดินดานและหินเชิร์ต ที่มีเหล็กน้อย ชั้นหินเหล็กแถบเหล่านี้ก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาระหว่าง3,700 ล้านปีก่อนถึง1,800 ล้านปีก่อน^{[ 49 ] [ 50 ]}

วัสดุที่มีออกไซด์ของเหล็ก(III) หรือออกไซด์-ไฮดรอกไซด์ที่บดละเอียด เช่นดินโอเคร ถูกนำมาใช้เป็น เม็ดสีสีเหลือง สีแดง และสีน้ำตาลมาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ นอกจากนี้ยังช่วยให้หินและดินเหนียว ต่างๆ มีสี รวมถึงการก่อตัวทางธรณีวิทยาต่างๆ เช่นPainted HillsในรัฐโอเรกอนและBuntsandstein ("หินทรายสี" หรือBunter ของอังกฤษ ) ^{[ 51 ]} สารประกอบเหล็ก ในEisensandstein ( หินทรายเหล็กยุคจูราสสิก เช่น จาก Donzdorfในเยอรมนี) ^{[ 52 ]}และBath stoneในสหราชอาณาจักร เป็นสาเหตุของสีเหลืองของอาคารและประติมากรรมทางประวัติศาสตร์หลายแห่ง^{[ 53 ]} สีแดงอัน เลื่องชื่อของพื้นผิวดาวอังคาร นั้นมาจาก เรโกลิธที่อุดมไปด้วยออกไซด์ของเหล็ก^{[ 54 ]}

เหล็กมีปริมาณมากในแร่ไพไรต์ (FeS2 ซึ่งเป็นแร่ซัลไฟด์ของเหล็ก แต่การสกัดเหล็กออกจากแร่ชนิดนี้ทำได้ยาก จึงไม่ได้นำมาใช้ประโยชน์^{[ 55 ]}ในความเป็นจริง เหล็กมีอยู่ทั่วไปมากจนการผลิตโดยทั่วไปมักมุ่งเน้นไปที่แร่ที่มีปริมาณเหล็กสูงมากเท่านั้น^{[ 56 ]}

จากรายงาน Metal Stocks in SocietyของInternational Resource Panelพบว่าปริมาณเหล็กที่ใช้ในสังคมทั่วโลกอยู่ที่ 2,200 กิโลกรัมต่อหัวประชากร ประเทศที่พัฒนาแล้วมีความแตกต่างกันในเรื่องนี้เมื่อเทียบกับประเทศที่พัฒนาน้อยกว่า (7,000–14,000 เทียบกับ 2,000 กิโลกรัมต่อหัวประชากร) ^{[ 57 ]}

วิทยาศาสตร์ทางทะเลแสดงให้เห็นบทบาทของธาตุเหล็กในทะเลโบราณทั้งในด้านสิ่งมีชีวิตในทะเลและสภาพภูมิอากาศ^{[ 58 ]}

ศักยภาพการลดมาตรฐานในสารละลายกรดในน้ำสำหรับไอออนเหล็กทั่วไปบางชนิดมีดังต่อไปนี้: ^{[ 11 ]}

[Fe(H O) ] 2+ + 2 e −	⇌เฟ	E 0 = −0.447 V
[Fe(H O) ] 3+ + e −	⇌ [Fe(H O) ] 2+	E 0 = +0.77 V
เฟ2− + 8 H O + + 3 อี-	⇌ [Fe(H O) ] 3+ + 6 H O	E 0 = +2.20 V

ไอออนเฟอร์เรต (VI) เตตระเฮ ดรัลสีแดงม่วงเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรงมากจนสามารถออกซิไดซ์แอมโมเนียเป็นไนโตรเจน (N ) และน้ำเป็นออกซิเจนได้: ^{[ 69 ]}

4 FeO ²⁻ + 34 H O→ 4[Fe(HO)]³⁺+ 20OH ⁻+ 3 O

สารประกอบ เฮกซ์อะควาสีม่วงอ่อน[ Fe(H O) ] ³⁺เป็นกรดซึ่งเหนือ pH 0 จะถูกไฮโดรไลซ์อย่างสมบูรณ์: ^{[ 72 ]}

[ Fe(H O) ] 3+	⇌ [ Fe(H O) (OH)] 2+ + H +	K = 10 −3.05 mol dm −3
[ Fe(H O) (OH)] 2+	⇌ [ Fe(H O) (OH) ] + + H +	K = 10 −3.26 mol dm −3
2 [ Fe(H O) ] 3+	⇌ [ Fe(H O) (OH)] 4+ 2 + 2H + + 2H O	K = 10 −2.91 mol dm −3

เมื่อค่า pH สูงกว่า 0 จะเกิดสารไฮโดรไลซ์สีเหลืองดังกล่าวขึ้น และเมื่อค่า pH สูงกว่า 2–3 จะเกิดการตกตะกอน ของไฮดรัสไอรอน(III)ออกไซด์ สีน้ำตาลแดง ออกจากสารละลาย แม้ว่า Fe ³⁺จะมีโครงสร้าง ad ⁵แต่สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของมันไม่เหมือนกับของ Mn ²⁺ที่มีแถบ d–d ที่อ่อนแอและห้ามการหมุน เนื่องจาก Fe ³⁺มีประจุบวกสูงกว่าและมีความเป็นขั้วมากกว่า ทำให้พลังงานของ การดูดกลืนแสงจาก การถ่ายโอนประจุ จากลิแกนด์ไปยังโลหะลดลง ดังนั้นสารประกอบเชิงซ้อนทั้งหมดข้างต้นจึงมีสีค่อนข้างเข้ม ยกเว้นไอออนเฮกซาควอเพียงอย่างเดียว – และแม้แต่ไอออนนั้นก็ยังมีสเปกตรัมที่ถูกครอบงำด้วยการถ่ายโอนประจุในบริเวณใกล้อัลตราไวโอเลต^{[ 72 ]}ในทางกลับกัน ไอออนเฮกซาควอไอรอน(II) สีเขียวอ่อน[ Fe(H O) ] ²⁺ไม่เกิดการไฮโดรไลซิสอย่างมีนัยสำคัญ คาร์บอนไดออกไซด์จะไม่เกิดขึ้นเมื่อ มีการเติมแอนไอออน คาร์บอเนตซึ่งจะส่งผลให้เกิด การตกตะกอน ของเหล็ก(II)คาร์บอเนต สีขาว แทน ในกรณีที่มีคาร์บอนไดออกไซด์มากเกินไป จะเกิดเป็นไบคาร์บอเนตที่ละลายได้เล็กน้อย ซึ่งพบได้ทั่วไปในน้ำบาดาล แต่จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรวดเร็วในอากาศเพื่อสร้างเหล็ก(III)ออกไซด์ ซึ่งเป็นสาเหตุของตะกอนสีน้ำตาลที่พบในลำธารจำนวนมาก^{[ 73 ]}

เนื่องจากโครงสร้างอิเล็กตรอน เหล็กจึงมีศักยภาพในการประสานงานและมีคุณสมบัติทางเคมีเชิงโลหะอินทรีย์สูงมาก

สารประกอบเชิงซ้อนของเหล็กหลายชนิดเป็นที่รู้จัก ไอออนที่มีการประสานงานหกตำแหน่งทั่วไปคือเฮกซาคลอโรเฟอร์เรต(III) [FeCl ] ³⁻ซึ่งพบในเกลือ ผสม เตตระคิส(เมทิลแอมโมเนียม) เฮกซาคลอโรเฟอร์เรต(III) คลอไรด์ [ ^{74 ] [ 75 ] คอมเพล็กซ์}ที่มีลิแกนด์แบบไบเดนเตตหลายตัวมีไอโซเมอร์ทางเรขาคณิตตัวอย่างเช่นคอมเพล็กซ์ทรานส์ - คลอโรไฮดริโดบิส(บิส-1,2-(ไดฟีนิลฟอสฟิโน)อีเทน)เหล็ก(II)ถูกใช้เป็นวัตถุดิบเริ่มต้นสำหรับสารประกอบที่มีหมู่Fe( dppe ) ^{[ 76 ] [ 77 ]}ไอออนเฟอร์ริออกซาเลตที่มี ลิแกนด์ ออกซาเลต สามตัว แสดงไครัลลิตีแบบเกลียวด้วยรูปทรงเรขาคณิตสองแบบที่ไม่สามารถซ้อนทับกันได้ โดยมีป้ายกำกับว่าΛ (แลมบ์ดา) สำหรับแกนเกลียวซ้ายและΔ (เดลต้า) สำหรับแกนเกลียวขวา ตามแบบแผนของ IUPAC ^{[ 72 ]}โพแทสเซียมเฟอร์ริออกซาเลตใช้ในการวัดรังสี ทางเคมี และร่วมกับเกลือโซเดียม ของมัน undergoes การลดด้วยแสงที่ใช้ในกระบวนการถ่ายภาพแบบเก่า ไดไฮเดรตของเหล็ก(II) ออกซาเลตมี โครงสร้าง พอลิเมอร์ที่มีไอออนออกซาเลตแบบระนาบเดียวกันเชื่อมระหว่างศูนย์กลางเหล็ก โดยมีน้ำผลึกตั้งอยู่เป็นฝาปิดของแต่ละออกตาเฮดรอน ดังแสดงในภาพด้านล่าง^{[ 78 ]}

สารประกอบเชิงซ้อนของเหล็ก(III) ค่อนข้างคล้ายกับสารประกอบเชิงซ้อนของโครเมียม (III) ยกเว้นเหล็ก(III) ที่ชอบลิแกนด์ตัวให้Oมากกว่า ลิแกนด์ตัวให้ Nซึ่งลิแกนด์ตัวให้ N มักจะไม่เสถียรมากกว่าสารประกอบเชิงซ้อนของเหล็ก(II) และมักจะแตกตัวในน้ำ สารประกอบเชิงซ้อน Fe–O หลายชนิดแสดงสีเข้มและใช้เป็นสารทดสอบสำหรับฟีนอลหรืออีนอลตัวอย่างเช่น ในการทดสอบเฟอร์ริกคลอไรด์ซึ่งใช้ในการตรวจสอบการมีอยู่ของฟีนอลเหล็ก(III) คลอไรด์จะทำปฏิกิริยากับฟีนอลเพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนสีม่วงเข้ม: ^{[ 72 ]}

3 ArOH + FeCl → Fe(OAr) + 3 HCl (Ar = aryl )

ในบรรดาสารประกอบเฮไลด์และซูโดเฮไลด์ สารประกอบฟลูออโรของเหล็ก(III) มีความเสถียรมากที่สุด โดยสารประกอบไร้สี [FeF (H O)] ²⁻มีความเสถียรมากที่สุดในสารละลายในน้ำ สารประกอบคลอโรมีความเสถียรน้อยกว่าและชอบการประสานงานแบบทรงสี่หน้า เช่น [FeCl ] ⁻ ; [FeBr ] ⁻และ [FeI ] ⁻ถูกรีดิวซ์เป็นเหล็ก(II) ได้ง่ายไทโอไซยาเนตเป็นสารทดสอบทั่วไปสำหรับการตรวจหาเหล็ก(III) เนื่องจากมันสร้าง [Fe(SCN)(H O) ] ²⁺ สีแดงเลือดหมู เช่นเดียวกับแมงกานีส(II) สารประกอบเหล็ก(III) ส่วนใหญ่เป็นแบบสปินสูง ยกเว้นสารประกอบที่มีลิแกนด์ที่อยู่ในลำดับสูงในอนุกรมสเปกโทรเคมีเช่นไซยาไนด์ ตัวอย่างของสารประกอบเหล็ก ( III) แบบสปินต่ำคือ [Fe(CN) ] ^{3− เหล็กแสดง} สถานะสปินอิเล็กตรอนที่หลากหลายมากรวมถึงค่าเลขควอนตัมสปินที่เป็นไปได้ทั้งหมดสำหรับธาตุในกลุ่ม d ตั้งแต่ 0 (ไดอะแมกเนติก) ถึง5/2 ( อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ 5 ตัว ) ค่านี้จะเป็นครึ่งหนึ่งของจำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่เสมอ สารประกอบที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ศูนย์ถึงสองตัวถือว่าเป็นสปินต่ำ และสารประกอบที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่สี่หรือห้าตัวถือว่าเป็นสปินสูง^{[ 68 ]}

สารประกอบเหล็ก(II) มีเสถียรภาพน้อยกว่าสารประกอบเหล็ก(III) แต่ความชอบสำหรับ ลิแกนด์ที่ให้ O นั้นไม่เด่นชัดนัก ดังนั้นตัวอย่างเช่น[ Fe(NH ) ] ²⁺จึงเป็นที่รู้จัก ในขณะที่[ Fe(NH ) ] ³⁺ไม่เป็นที่รู้จัก สารประกอบเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะถูกออกซิไดซ์เป็นเหล็ก(III) แต่สามารถควบคุมได้ด้วยค่า pH ต่ำและลิแกนด์เฉพาะที่ใช้^{[ 73 ]}

เคมีออร์กาโนไอออนคือการศึกษาเกี่ยวกับสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกของเหล็ก ซึ่งอะตอมของคาร์บอนจะเชื่อมต่อกับอะตอมของโลหะด้วยพันธะโควาเลนต์ สารประกอบเหล่านี้มีมากมายและหลากหลาย รวมถึงสารประกอบเชิงซ้อนไซยาไนด์สารประกอบเชิงซ้อนคาร์บอนิลสารประกอบแบบแซนด์วิชและสารประกอบแบบฮาล์ฟแซนด์วิช

สีน้ำเงินปรัสเซียหรือ "เฟอร์ริกเฟอร์โรไซยาไนด์" Fe [Fe(CN) ] เป็นสารประกอบเหล็กไซยาไนด์ที่เก่าแก่และเป็นที่รู้จักกันดี ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะเม็ดสีและในการใช้งานอื่นๆ อีกหลายอย่าง การก่อตัวของสารประกอบนี้สามารถใช้เป็นการทดสอบทางเคมีแบบเปียกอย่างง่ายเพื่อแยกแยะความแตกต่างระหว่างสารละลายในน้ำของ Fe ²⁺และ Fe ³⁺เนื่องจากพวกมันทำปฏิกิริยา (ตามลำดับ) กับโพแทสเซียมเฟอร์ริไซยาไนด์และโพแทสเซียมเฟอร์โรไซยาไนด์เพื่อสร้างสีน้ำเงินปรัสเซีย^{[ 64 ]}

ตัวอย่างเก่าอีกตัวอย่างหนึ่งของสารประกอบออร์กาโนไอออนคือเหล็กเพนตาคาร์บอนิล Fe(CO) ซึ่งอะตอมเหล็กที่เป็นกลางจะจับกับอะตอมคาร์บอนของ โมเลกุล คาร์บอนมอนอกไซด์ ห้าโมเลกุล สารประกอบนี้สามารถใช้ทำ ผง เหล็กคาร์บอนิลซึ่งเป็นเหล็กโลหะที่มีปฏิกิริยาสูงการสลายตัวด้วยความร้อนของเหล็กเพนตาคาร์บอนิลจะให้ ไตรเหล็ก โดเดคาคาร์บอนิล Fe3 ( CO) ซึ่งเป็นสารเชิงซ้อนที่มีกลุ่มอะตอมเหล็กสามอะตอมอยู่ที่แกนกลาง รีเอเจนต์ของคอลแมน ไดเตตระคาร์บอนิลเฟอร์เรตเป็นรีเอเจนต์ที่มีประโยชน์สำหรับเคมีอินทรีย์ ประกอบด้วยเหล็กในสถานะออกซิเดชัน −2 ไดเมอร์ไซโคลเพนตาไดอีนิลเหล็กไดคาร์บอนิลประกอบด้วยเหล็กในสถานะออกซิเดชัน +1 ที่หายาก^{[ 79 ]}

สูตรโครงสร้างของเฟอร์โรซีนและตัวอย่างผง

การค้นพบที่สำคัญในสาขานี้คือการค้นพบสารประกอบแซนด์วิช ที่มีความเสถียรอย่างน่าทึ่งอย่าง เฟอร์โรซีนFe(C H ) ในปี 1951 โดย Pauson และ Kealy ^{[ 80 ]}และโดยอิสระโดย Miller และเพื่อนร่วมงาน^{[ 81 ]}ซึ่งโครงสร้างโมเลกุลที่น่าประหลาดใจนี้ได้รับการกำหนดเพียงหนึ่งปีต่อมาโดยWoodwardและWilkinson ^{[ 82 ]}และFischer ^{[ 83} ] เฟอร์โรซีนยังคง ^เป็น หนึ่งในเครื่องมือและแบบจำลองที่สำคัญที่สุดในกลุ่มนี้^{[ 84 ]}

สารประกอบออ ร์กาโนเมทัลลิกที่มีเหล็กเป็นศูนย์กลางถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตัวอย่างเช่นคอมเพล็กซ์ Knölker เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การถ่ายโอนไฮโดรเจนสำหรับคีโตน^{[ 85 ]}

สารประกอบเหล็กที่ผลิตในปริมาณมากที่สุดในอุตสาหกรรมคือเหล็ก(II)ซัลเฟต (FeSO ·7 H O ) และเหล็ก(III)คลอไรด์ (FeCl ) สารประกอบเหล็ก(II)ซัลเฟตเป็นหนึ่งในแหล่งเหล็ก(II)ที่หาได้ง่ายที่สุด แต่มีความเสถียรต่อการออกซิเดชันในอากาศน้อยกว่าเกลือของ Mohr ( (NH ) Fe(SO ) · 6H O ) สารประกอบเหล็ก(II)มีแนวโน้มที่จะถูกออกซิไดซ์เป็นสารประกอบเหล็ก(III)ในอากาศ^{[ 64 ]}

เหล็กเป็นหนึ่งในธาตุที่โลกโบราณรู้จักอย่างไม่ต้องสงสัย^{[ 86 ]}มันถูกใช้งานหรือแปรรูปมาเป็นเวลาหลายพันปีแล้ว อย่างไรก็ตาม วัตถุโบราณที่ทำจากเหล็กที่มีอายุมากนั้นหายากกว่าวัตถุที่ทำจากทองคำหรือเงินมาก เนื่องจากเหล็กผุกร่อนได้ง่าย^{[ 87 ]}เทคโนโลยีพัฒนาไปอย่างช้าๆ และแม้หลังจากการค้นพบการถลุงเหล็กแล้ว ก็ยังต้องใช้เวลาหลายศตวรรษกว่าที่เหล็กจะเข้ามาแทนที่ทองสัมฤทธิ์ในฐานะโลหะที่นิยมใช้สำหรับเครื่องมือและอาวุธ

เหล็กจากอุกกาบาต

ลูกปัดที่ทำจากเหล็กอุกกาบาตในช่วง 3500 ปีก่อนคริสตกาลหรือก่อนหน้านั้นถูกค้นพบในเกอร์เซห์ประเทศอียิปต์โดยGA Wainwright [ ^{88 ] ลูกปัด}เหล่านี้มีนิกเกล 7.5% ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเหล็กที่มาจากอุกกาบาต เนื่องจากเหล็กที่พบในเปลือกโลกโดยทั่วไปจะมีสิ่งเจือปนของนิกเกลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

เหล็กจากอุกกาบาตได้รับการยกย่องอย่างสูงเนื่องจากมีต้นกำเนิดมาจากสวรรค์ และมักถูกนำมาใช้ในการตีขึ้นรูปอาวุธและเครื่องมือ^{[ 88 ]}ตัวอย่างเช่น พบมี ดสั้นที่ทำจากเหล็กจากอุกกาบาตในสุสานของตุตันคาเมนซึ่งมีสัดส่วนของเหล็ก โคบอลต์ และนิกเกลที่คล้ายคลึงกับอุกกาบาตที่ค้นพบในบริเวณนั้น ซึ่งถูกพัดพามาโดยฝนดาวตกโบราณ^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]}สิ่งของที่ชาวอียิปต์น่าจะทำจากเหล็กมีอายุตั้งแต่ 3000 ถึง 2500 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 87 ]}

เหล็กอุกกาบาตค่อนข้างอ่อนและยืดหยุ่นได้ดี และสามารถตีขึ้นรูปเย็น ได้ง่าย แต่จะเปราะเมื่อได้รับความร้อนเนื่องจากมีปริมาณนิกเกล^{[ 92 ]}

เหล็กดัด

การผลิตเหล็กครั้งแรกเริ่มขึ้นในยุคสำริดตอนกลางแต่ต้องใช้เวลาหลายศตวรรษกว่าเหล็กจะเข้ามาแทนที่สำริด ตัวอย่าง เหล็ก หลอมจากอัสมาร์เมโสโปเตเมีย และตลาดทอล ชาการ์ ทางตอนเหนือของซีเรีย ถูกผลิตขึ้นในช่วงระหว่าง 3000 ถึง 2700 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 93 ]} ชาว ฮิตไทต์ได้ก่อตั้งอาณาจักรในอนาโตเลีย ตอนกลางตอนเหนือ ราว 1600 ปีก่อนคริสตกาล พวกเขาดูเหมือนจะเป็นกลุ่มแรกที่เข้าใจการผลิตเหล็กจากแร่ และให้ความสำคัญกับเหล็กในสังคมของพวกเขาเป็นอย่างมาก^{[ 94 ]}ชาวฮิตไทต์เริ่มหลอมเหล็กในช่วงระหว่าง 1500 ถึง 1200 ปีก่อนคริสตกาล และการปฏิบัติเช่นนี้ได้แพร่กระจายไปยังส่วนอื่นๆ ของตะวันออกใกล้หลังจากที่อาณาจักรของพวกเขาล่มสลายในปี 1180 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 93 ]}ช่วงเวลาต่อมาเรียกว่ายุคเหล็ก

สิ่งประดิษฐ์ที่ทำจากเหล็กหลอมพบในอินเดียตั้งแต่ 1800 ถึง 1200 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 95 ]}และในเลแวนต์ตั้งแต่ประมาณ 1500 ปีก่อนคริสตกาล (ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการหลอมเหล็กในอนาโตเลียหรือคอเคซัส ) ^{[ 96 ] [ 97 ]}การอ้างอิงที่กล่าวอ้าง (เปรียบเทียบประวัติศาสตร์โลหะวิทยาในเอเชียใต้ ) เกี่ยวกับเหล็กในพระเวท ของอินเดีย ถูกนำมาใช้เพื่ออ้างถึงการใช้เหล็กในยุคแรกเริ่มในอินเดียเพื่อกำหนดอายุของตำราเหล่านั้นคำว่าayas (โลหะ) ในฤคเวทหมายถึงทองแดง ในขณะที่เหล็กซึ่งเรียกว่าśyāma ayas ซึ่งแปลว่า "ทองแดงดำ" นั้นถูกกล่าวถึงครั้งแรกใน Atharvavedaซึ่งเป็นคัมภีร์หลังฤคเวท^{[ 98 ]}

หลักฐานทางโบราณคดีบางส่วนชี้ให้เห็นว่ามีการถลุงเหล็กในซิมบับเวและแอฟริกาตะวันออกเฉียงใต้ตั้งแต่ศตวรรษที่ 8 ก่อนคริสตกาล^{[ 99 ]}การผลิตเหล็กถูกนำเข้ามาในกรีซในช่วงปลายศตวรรษที่ 11 ก่อนคริสตกาล จากนั้นก็แพร่กระจายไปทั่วยุโรปอย่างรวดเร็ว^{[ 100 ]}

การแพร่กระจายของการผลิตเหล็กในยุโรปกลางและตะวันตกเกี่ยวข้องกับ การขยายตัว ของชาวเคลต์ตามที่พลินีผู้เฒ่า กล่าวไว้ การใช้เหล็กเป็นเรื่องปกติในยุคโรมัน^{[ 88 ]}ในดินแดนที่ปัจจุบันถือว่าเป็นประเทศจีนเหล็กปรากฏขึ้นประมาณ 700–500 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 101 ]}การถลุงเหล็กอาจถูกนำเข้ามาในจีนผ่านทางเอเชียกลาง^{[ 102 ]}หลักฐานที่เก่าแก่ที่สุดของการใช้เตาหลอมเหล็กแบบเป่าลมในจีนมีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่ 1 หลังคริสตกาล^{[ 103 ]}และเตาหลอมแบบโดมถูกใช้มาตั้งแต่สมัยราชวงศ์ถังและซ่ง (403–221 ปีก่อนคริสตกาล) ^{[ 104 ]}การใช้เตาหลอมเหล็กแบบเป่าลมและแบบโดมยังคงแพร่หลายในช่วงราชวงศ์ถังและซ่ง^{[ 105 ]}

ในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรมในบริเตนเฮนรี คอร์ทเริ่มกลั่นเหล็กจากเหล็กดิบเป็นเหล็กดัด (หรือเหล็กแท่ง) โดยใช้ระบบการผลิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ในปี 1783 เขาได้จดสิทธิบัตรกระบวนการพุดดิ้งสำหรับการกลั่นแร่เหล็ก ต่อมามีผู้อื่นปรับปรุงกระบวนการนี้ รวมถึงโจเซฟ ฮอลล์^{[ 106 ]}

เหล็กหล่อ

เหล็กหล่อถูกผลิตขึ้นครั้งแรกในประเทศจีนในช่วงศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช^{[ 107 ]}แต่แทบจะไม่พบในยุโรปจนกระทั่งถึงยุคกลาง^{[ 108 ] [ 109 ]}สิ่งประดิษฐ์เหล็กหล่อที่เก่าแก่ที่สุดถูกค้นพบโดยนักโบราณคดีในพื้นที่ซึ่งปัจจุบันคืออำเภอหลูเหอมณฑลเจียงซูประเทศจีน เหล็กหล่อถูกใช้ในจีนโบราณเพื่อการสงคราม การเกษตร และสถาปัตยกรรม^{[ 110 ]}ใน ช่วง ยุคกลาง มีการค้นพบวิธีการผลิตเหล็กดัดจากเหล็กหล่อ (ในบริบทนี้เรียกว่า เหล็กดิบ ) ในยุโรป โดยใช้ เตาหลอมเหล็กสำหรับกระบวนการทั้งหมดนี้ถ่านไม้จำเป็นต้องใช้เป็นเชื้อเพลิง^{[ 111 ]}

เตาหลอมเหล็กในยุคกลางมีความสูงประมาณ10 ฟุต (3.0 เมตร)และทำจากอิฐทนไฟ โดยปกติแล้วจะใช้เครื่องเป่าลมแบบมือหมุนเพื่อเป่าลม เข้าไป ^{[ 109 ]}เตาหลอมเหล็กสมัยใหม่มีขนาดใหญ่ขึ้นมาก โดยมีเตาหลอมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 14 เมตร ทำให้สามารถผลิตเหล็กได้หลายพันตันต่อวัน แต่โดยพื้นฐานแล้วยังคงทำงานในลักษณะเดียวกับที่ใช้ในยุคกลาง^{[ 111 ]} 

ในปี ค.ศ. 1709 อับราฮัม ดาร์บีที่ 1 ได้ก่อตั้ง เตาหลอมเหล็กแบบใช้ ถ่านโค้กเพื่อผลิตเหล็กหล่อ แทนที่ถ่านไม้ แม้ว่าจะยังคงใช้เตาหลอมเหล็กแบบเดิมอยู่ก็ตาม การมีเหล็กราคาถูกออกมาอย่างแพร่หลายเป็นหนึ่งในปัจจัยที่นำไปสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรมในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 เหล็กหล่อเริ่มเข้ามาแทนที่เหล็กดัดสำหรับการใช้งานบางอย่าง เนื่องจากมีราคาถูกกว่า ปริมาณคาร์บอนในเหล็กไม่ได้ถูกระบุว่าเป็นสาเหตุของความแตกต่างในคุณสมบัติของเหล็กดัด เหล็กหล่อ และเหล็กกล้า จนกระทั่งถึงศตวรรษที่ 18 ^{[ 93 ]}

เนื่องจากเหล็กมีราคาถูกลงและมีปริมาณมากขึ้น จึงกลายเป็นวัสดุโครงสร้างหลักหลังจากการสร้างสะพานเหล็กแห่งแรก ที่ล้ำสมัย ในปี 1778 สะพานนี้ยังคงตั้งตระหง่านอยู่ในปัจจุบันเป็นอนุสรณ์สถานแห่งบทบาทของเหล็กในยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม หลังจากนั้น เหล็กถูกนำไปใช้ในรางรถไฟ เรือ เรือเดินทะเล ท่อส่งน้ำ และอาคารต่างๆ รวมถึงกระบอกเหล็กในเครื่องจักรไอน้ำ [ ^{111 ] ทาง}รถไฟเป็นศูนย์กลางของการก่อตัวของความทันสมัยและแนวคิดเรื่องความก้าวหน้า^{[ 112 ]}และภาษาต่างๆ เรียกทางรถไฟว่าถนนเหล็ก (เช่น ภาษาฝรั่งเศสchemin de ferภาษาเยอรมันEisenbahnภาษาตุรกีdemiryolu ภาษา รัสเซียжелезная дорога ภาษาจีน ญี่ปุ่น และเกาหลี鐵道 ภาษาเวียดนามđường sắt )

ในปี ค.ศ. 1774 อองตวน ลาวัวซิเยร์ใช้ปฏิกิริยาของไอน้ำกับเหล็กโลหะภายในท่อเหล็กที่ร้อนจัดเพื่อผลิตไฮโดรเจนในการทดลองของเขา ซึ่งนำไปสู่การสาธิตการอนุรักษ์มวลซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนวิชาเคมีจากวิทยาศาสตร์เชิงคุณภาพไปเป็นวิทยาศาสตร์เชิงปริมาณ^{[ 115 ]}

สำหรับวัตถุประสงค์ที่จำกัดบางประการเมื่อจำเป็น เหล็กบริสุทธิ์จะถูกผลิตในห้องปฏิบัติการในปริมาณเล็กน้อยโดยการลดออกไซด์หรือไฮดรอกไซด์บริสุทธิ์ด้วยไฮโดรเจน หรือการสร้างเหล็กเพนตาคาร์บอนิลและให้ความร้อนถึง 250  °C เพื่อให้สลายตัวกลายเป็นผงเหล็กบริสุทธิ์^{[ 48 ]}อีกวิธีหนึ่งคือการอิเล็กโทรไลซิสของเฟอร์รัสคลอไรด์บนแคโทดเหล็ก^{[ 118 ]}

การผลิตเหล็กในปี 2552 (ล้านตัน ) ^{[ 119 ]}

ประเทศ	แร่เหล็ก	เหล็กหล่อ	เตารีดโดยตรง	เหล็ก
จีน	1,114.9	549.4		573.6
ออสเตรเลีย	393.9	4.4		5.2
บราซิล	305.0	25.1	0.011	26.5
ญี่ปุ่น		66.9		87.5
อินเดีย	257.4	38.2	23.4	63.5
รัสเซีย	92.1	43.9	4.7	60.0
ยูเครน	65.8	25.7		29.9
เกาหลีใต้	0.1	27.3		48.6
เยอรมนี	0.4	20.1	0.38	32.7
โลก	1,594.9	914.0	64.5	1,232.4

การผลิตเหล็กหรือเหล็กกล้าในระดับอุตสาหกรรมประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก ในขั้นตอนแรก แร่เหล็กจะถูกรีดิวซ์ด้วยโค้กในเตาหลอมและโลหะหลอมเหลวจะถูกแยกออกจากสิ่งเจือปนขนาดใหญ่ เช่นแร่ซิลิเกตขั้นตอนนี้จะได้โลหะผสม – เหล็กดิบ – ซึ่งมีปริมาณคาร์บอนค่อนข้างมากในขั้นตอนที่สอง ปริมาณคาร์บอนในเหล็กดิบจะลดลงโดยการออกซิเดชันเพื่อให้ได้เหล็กดัด เหล็กกล้า หรือเหล็กหล่อ^{[ 120 ]}สามารถเพิ่มโลหะอื่นๆ ในขั้นตอนนี้เพื่อสร้างเหล็กกล้าผสมได้

เนื่องจากความกังวลด้านสิ่งแวดล้อม จึงได้มีการพัฒนาวิธีการแปรรูปเหล็กทางเลือกขึ้นมา “ การลดเหล็กโดยตรง ” จะลดแร่เหล็กให้เป็นก้อนเหล็กที่เรียกว่า“เหล็กฟองน้ำ”หรือ “เหล็กโดยตรง” ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตเหล็กกล้า^{[ 109 ]}กระบวนการลดโดยตรงประกอบด้วยปฏิกิริยาหลักสองอย่าง:

ก๊าซธรรมชาติจะถูกออกซิไดซ์บางส่วน (ด้วยความร้อนและตัวเร่งปฏิกิริยา): ^{[ 109 ]}

2 CH + O → 2 CO + 4 H

จากนั้นแร่เหล็กจะถูกบำบัดด้วยก๊าซเหล่านี้ในเตาหลอม ทำให้เกิดเหล็กฟองน้ำแข็ง: ^{[ 109 ]}

เฟ O + CO + 2 H → 2 เฟ + CO + 2 H O

ซิลิกาจะถูกกำจัดออกโดยการเติม ฟลัก ซ์หินปูนตามที่อธิบายไว้ข้างต้น^{[ 109 ]}

การจุดไฟส่วนผสมของผงอะลูมิเนียมและเหล็กออกไซด์จะให้เหล็กโลหะผ่านปฏิกิริยาเทอร์ไมต์ :

เฟ O + 2 อัล → 2 เฟ + อัล O

นอกจากนี้ ยังสามารถนำเหล็กดิบมาทำเป็นเหล็กกล้า (ที่มีคาร์บอนไม่เกินประมาณ 2%) หรือเหล็กดัด (เหล็กบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์) ได้ โดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่นเตาหลอมละเอียดเตาหลอมแบบพุดดิ้งเตาแปลงเบสเซเมอร์เตาหลอมแบบเปิด เตาหลอมออกซิเจนพื้นฐานและเตาหลอมไฟฟ้าในทุกกรณี จุดประสงค์คือการออกซิไดซ์คาร์บอนบางส่วนหรือทั้งหมด พร้อมกับสิ่งเจือปนอื่นๆ ในทางกลับกัน อาจมีการเติมโลหะอื่นๆ เพื่อทำเหล็กกล้าผสม^{[ 111 ]}

การอิเล็กโทรไลซิสออกไซด์หลอมเหลว (MOE) ใช้การอิเล็กโทรไลซิสของเหล็กออกไซด์หลอมเหลวเพื่อให้ได้เหล็กโลหะ มีการศึกษาในระดับห้องปฏิบัติการและเสนอให้เป็นวิธีการผลิตเหล็กในระดับอุตสาหกรรมที่ไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรง โดยใช้แคโทดเหล็กเหลว แอโนดที่ทำจากโลหะผสมของโครเมียม อะลูมิเนียม และเหล็ก^{[ 124 ]}และอิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนผสมของโลหะออกไซด์หลอมเหลวที่ละลายแร่เหล็ก กระแสไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กโทรไลต์หลอมเหลวอยู่เสมอและลดเหล็กออกไซด์ นอกจากเหล็กเหลวแล้ว ยังมีการผลิตก๊าซออกซิเจนด้วย การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาจากการ ใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจาก เชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อใช้ในการให้ความร้อนและลดโลหะ เท่านั้น ^{[ 125 ] [ 126 ] [ 127 ]}

Iron is the most widely used of all the metals, accounting for over 90% of worldwide metal production.^[130] Its low cost and high strength often make it the material of choice to withstand stress or transmit forces, such as the construction of machinery and machine tools, rails, automobiles, ship hulls, concrete reinforcing bars, and the load-carrying framework of buildings. Since pure iron is quite soft, it is most commonly combined with alloying elements to make steel.^[131]

Types of steels and alloys

α-Iron is a fairly soft metal that can dissolve only a small concentration of carbon (no more than 0.021% by mass at 910 °C).^[135]Austenite (γ-iron) is similarly soft and metallic but can dissolve considerably more carbon (as much as 2.04% by mass at 1146 °C). This form of iron is used in the type of stainless steel used for making cutlery, and hospital and food-service equipment.^[21]

เหล็กที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์จะถูกจัดประเภทตามความบริสุทธิ์และปริมาณของสารเติมแต่งเหล็กดิบมีคาร์บอน 3.5–4.5% ^{[ 136 ]}และมีสารปนเปื้อนในปริมาณที่แตกต่างกัน เช่นกำมะถันซิลิคอน และฟอสฟอรัสเหล็กดิบไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ที่สามารถจำหน่ายได้ แต่เป็นขั้นตอนกลางในการผลิตเหล็กหล่อและเหล็กกล้า การลดสารปนเปื้อนในเหล็กดิบที่ส่งผลเสียต่อคุณสมบัติของวัสดุ เช่น กำมะถันและฟอสฟอรัส ทำให้ได้เหล็กหล่อที่มีคาร์บอน 2–4% ซิลิคอน 1–6% และแมงกานีสใน ปริมาณเล็กน้อย ^{[ 120 ]}เหล็กดิบมีจุดหลอมเหลวอยู่ในช่วง 1420–1470 K ซึ่งต่ำกว่าส่วนประกอบหลักทั้งสอง และทำให้เป็นผลิตภัณฑ์แรกที่หลอมเหลวเมื่อคาร์บอนและเหล็กถูกให้ความร้อนพร้อมกัน^{[ 11 ]}คุณสมบัติทางกลของมันแตกต่างกันอย่างมากและขึ้นอยู่กับรูปแบบของคาร์บอนในโลหะผสม^{[ 17 ]}

เหล็กหล่อ "สีขาว" ประกอบด้วยคาร์บอนในรูปของซีเมนต์ไทต์หรือเหล็กคาร์ไบด์ (Fe C) ^{[ 17 ]}สารประกอบที่แข็งและเปราะนี้มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางกลของเหล็กหล่อสีขาว ทำให้เหล็กหล่อมีความแข็ง แต่ไม่ทนต่อแรงกระแทก พื้นผิวที่แตกของเหล็กหล่อสีขาวเต็มไปด้วยเหลี่ยมมุมละเอียดของเหล็กคาร์ไบด์ที่แตก ซึ่งเป็นวัสดุสีเงินอ่อนๆ เงาวาว จึงเป็นที่มาของชื่อนี้ การทำให้ส่วนผสมของเหล็กที่มีคาร์บอน 0.8% เย็นตัวลงอย่างช้าๆ ต่ำกว่า 723  °C จนถึงอุณหภูมิห้อง จะทำให้เกิดชั้นสลับกันของซีเมนต์ไทต์และเหล็กอัลฟา ซึ่งอ่อนนุ่มและอ่อนตัวได้ และเรียกว่าเพิร์ลไลต์เนื่องจากลักษณะที่ปรากฏ ในทางกลับกัน การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วจะไม่ให้เวลาสำหรับการแยกตัวนี้ และจะสร้างมาร์เทนไซต์ ที่แข็งและเปราะ เหล็กสามารถอบคืนตัวได้โดยการให้ความร้อนอีกครั้งที่อุณหภูมิระหว่างกลาง ซึ่งจะเปลี่ยนสัดส่วนของเพิร์ลไลต์และมาร์เทนไซต์ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า 0.8% คือส่วนผสมของเพิร์ลไลต์-αFe และผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่า 0.8% คือส่วนผสมของเพิร์ลไลต์-ซีเมนต์ไทต์^{[ 17 ]}

ในเหล็กหล่อสีเทาคาร์บอนมีอยู่ในรูปของเกล็ดกราไฟต์ ละเอียดแยกกัน และยังทำให้วัสดุเปราะเนื่องจากเกล็ดกราไฟต์ที่มีขอบคมทำให้เกิด จุด รวมความเค้นภายในวัสดุ^{[ 137 ]}เหล็กหล่อสีเทาชนิดใหม่ที่เรียกว่าเหล็กหล่อเหนียวได้รับการบำบัดเป็นพิเศษด้วยแมกนีเซียม ในปริมาณเล็กน้อย เพื่อเปลี่ยนรูปร่างของกราไฟต์ให้เป็นทรงกลมหรือก้อน ลดจุดรวมความเค้นและเพิ่มความเหนียวและความแข็งแรงของวัสดุอย่างมาก^{[ 137 ]}

เหล็กดัด มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.25% แต่มี ตะกรันจำนวนมากที่ทำให้มีลักษณะเป็นเส้นใย^{[ 136 ]}เหล็กดัดทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็กกล้า ปัจจุบันเหล็กดัดถูกแทนที่ด้วยเหล็กกล้าอ่อน เกือบทั้งหมด ซึ่งกัดกร่อนได้ง่ายกว่าเหล็กดัด แต่มีราคาถูกกว่าและหาได้ง่ายกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนมีคาร์บอน 2.0% หรือน้อยกว่า^{[ 138 ]} พร้อมด้วย แมงกานีสกำมะถันฟอสฟอรัสและซิลิคอนในปริมาณเล็กน้อยเหล็กกล้าผสมมีคาร์บอนในปริมาณที่แตกต่างกัน รวมถึงโลหะอื่นๆ เช่นโครเมียม วานาเดียม โมลิบเดนัมนิกเกล ทังสเตนเป็นต้นปริมาณโลหะผสมทำให้ต้นทุนสูงขึ้น ดังนั้นจึงมักใช้เฉพาะในงานเฉพาะทางเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เหล็กกล้าผสมชนิดหนึ่งที่พบได้ทั่วไปคือเหล็กกล้าไร้สนิมการพัฒนาล่าสุดในด้านโลหะวิทยาเหล็กได้ก่อให้เกิดเหล็กกล้าผสมไมโครอัลลอยด์หลากหลายชนิดมากขึ้น ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า ' HSLA ' หรือเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงผสมต่ำ ซึ่งประกอบด้วยส่วนผสมเล็กน้อยเพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูงและความเหนียวที่น่าทึ่งในราคาที่ต่ำที่สุด^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}

โลหะผสมที่มีองค์ประกอบธาตุบริสุทธิ์สูง (เช่น โลหะผสมของเหล็กอิเล็กโทรไลต์ ) มีคุณสมบัติที่ได้รับการปรับปรุงเป็นพิเศษ เช่นความยืดหยุ่นความแข็งแรงดึงความเหนียวความแข็งแรงต่อความล้าความทนทานต่อความร้อน และความทนทานต่อการกัดกร่อน

นอกจากการใช้งานแบบดั้งเดิมแล้ว เหล็กยังใช้สำหรับการป้องกันรังสีไอออนไนซ์อีกด้วย แม้ว่าจะมีน้ำหนักเบากว่าตะกั่ว ซึ่งเป็นวัสดุป้องกันแบบดั้งเดิมอีกชนิดหนึ่ง แต่ก็มีความแข็งแรงทางกลมากกว่ามาก^{[ 141 ]}

ข้อเสียหลักของเหล็กและเหล็กกล้าคือเหล็กบริสุทธิ์และโลหะผสมส่วนใหญ่ของเหล็กจะเกิดสนิม ได้ง่าย หากไม่ได้รับการปกป้องด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง ซึ่งมีค่าใช้จ่ายมากกว่า 1% ของเศรษฐกิจโลก^{[ 142 ]}การทาสีการ ชุบ สังกะสีการทำให้เกิดชั้นป้องกัน การเคลือบพลาสติก และการเคลือบสีน้ำเงินล้วนถูกนำมาใช้เพื่อป้องกันเหล็กจากสนิมโดยการกีดกันน้ำและออกซิเจน หรือโดยการป้องกันด้วยกระแสไฟฟ้ากลไกการเกิดสนิมของเหล็กมีดังนี้: ^{[ 142 ]}

แคโทด: 3 O + 6 H O + 12 e ⁻ → 12 OH ⁻

แอโนด: 4 Fe → 4 Fe ²⁺ + 8 e ⁻ ; 4 Fe ²⁺ → 4 Fe ³⁺ + 4 e ⁻

โดยรวม: 4 Fe + 3 O + 6 H O → 4 Fe ³⁺ + 12 OH ⁻ → 4 Fe(OH) หรือ 4 FeO(OH) + 4 H O

อิเล็กโทรไลต์มักจะเป็นเหล็ก(II) ซัลเฟตในเขตเมือง (ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ในบรรยากาศ โจมตีเหล็ก) และอนุภาคเกลือในบรรยากาศในพื้นที่ชายทะเล^{[ 142 ]}

เนื่องจาก Fe มีราคาไม่แพงและไม่เป็นพิษ จึงมีการทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาและสารเคมีที่มี Fe เป็นองค์ประกอบอย่างไรก็ตาม Fe ถูกนำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการเชิงพาณิชย์น้อยกว่าโลหะที่มีราคาแพงกว่า^{[ 143 ]}ในทางชีววิทยา เอนไซม์ที่มี Fe เป็นองค์ประกอบนั้นพบได้ทั่วไป^{[ 144 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กจะใช้ในกระบวนการ Haber–Boschสำหรับการผลิตแอมโมเนียและกระบวนการ Fischer–Tropschสำหรับการเปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นไฮโดรคาร์บอนเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงและสารหล่อลื่น^{[ 145 ]}ผงเหล็กในตัวกลางที่เป็นกรดจะถูกใช้ในการลด Bechampซึ่งเป็นการเปลี่ยนไนโตรเบนซีนเป็นอะนิลีน^{[ 146 ]}

เหล็ก(III) ออกไซด์ที่ผสมกับ ผง อะลูมิเนียมสามารถจุดไฟเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเทอร์ไมต์ซึ่งใช้ในการเชื่อมชิ้นส่วนเหล็กขนาดใหญ่ (เช่นรางรถไฟ ) และการทำให้แร่บริสุทธิ์ เหล็ก(III) ออกไซด์และออกซีไฮดรอกไซด์ใช้เป็นเม็ด สีสีแดงและสีเหลืองอม น้ำตาล

เหล็ก(III) คลอไรด์ใช้ในการบำบัดน้ำและน้ำเสียในการย้อมผ้า เป็นสารให้สีในสีทา เป็นสารเติมแต่งในอาหารสัตว์ และเป็นสารกัดกร่อนทองแดงในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ [ ^{147 ] นอกจาก}นี้ยังสามารถละลายในแอลกอฮอล์เพื่อสร้างทิงเจอร์เหล็ก ซึ่งใช้เป็นยาเพื่อห้ามเลือดในนกคานารี^{[ 148 ]}

ไอรอน(II) ซัลเฟตใช้เป็นสารตั้งต้นของสารประกอบเหล็กอื่นๆ นอกจากนี้ยังใช้ในการลดโครเมตในซีเมนต์ ใช้ในการเสริมคุณค่าทางโภชนาการของอาหารและรักษาโรคโลหิตจางจากการขาดธาตุเหล็กไอรอน(III) ซัลเฟตใช้ในการตกตะกอนอนุภาคสิ่งปฏิกูลขนาดเล็กในน้ำในถังไอรอน(II) คลอไรด์ใช้เป็นสารรีดิวซ์ที่ช่วยในการตกตะกอน ในการสร้างสารประกอบเชิงซ้อนของเหล็กและออกไซด์ของเหล็กแม่เหล็ก และเป็นสารรีดิวซ์ในการสังเคราะห์สารอินทรีย์^{[ 147 ]}

โซเดียมไนโตรพรุสไซด์^เป็นยาที่ใช้เป็นยาขยายหลอดเลือดอยู่ในรายชื่อยาจำเป็นขององค์การอนามัยโลก [ ^{149 ]}

การได้รับธาตุเหล็กก่อให้เกิดปัญหาสำหรับสิ่งมีชีวิตแอโรบิก เนื่องจากเหล็กเฟอร์ริกละลายได้น้อยที่ค่า pH ใกล้เคียงกับค่ากลาง ดังนั้นสิ่งมีชีวิตเหล่านี้จึงได้พัฒนากลไกในการดูดซับเหล็กในรูปของสารประกอบเชิงซ้อน บางครั้งอาจดูดซับเหล็กเฟอร์รัสก่อนที่จะออกซิไดซ์กลับไปเป็นเหล็กเฟอร์ริก^{[ 10 ]} โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบคทีเรียได้พัฒนา ตัวแทนกักเก็บที่มีความสัมพันธ์สูงมาก ที่เรียกว่า ไซเดอโรฟอร์^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]}

หลังจากดูดซึมเข้าสู่เซลล์ มนุษย์แล้ว การเก็บรักษาธาตุเหล็กจะถูกควบคุมอย่างแม่นยำ^{[ 10 ] [ 159 ]}ส่วนประกอบสำคัญของการควบคุมนี้คือโปรตีนทรานสเฟอร์รินซึ่งจับกับไอออนเหล็กที่ดูดซึมจากลำไส้เล็กส่วนต้นและนำส่งไปยังเซลล์ในกระแสเลือด^{[ 10 ] [ 160 ]}ทรานสเฟอร์รินมี Fe ³⁺อยู่ตรงกลางของทรงแปดเหลี่ยมที่บิดเบี้ยว เชื่อมต่อกับไนโตรเจนหนึ่งอะตอม ออกซิเจนสามอะตอม และ แอนไอออน คาร์บอเนตคีเลต ที่ดักจับไอออน Fe ^{3+ : มันมี} ค่าคงที่ความเสถียรสูงมากจึงมีประสิทธิภาพมากในการดูดซึมไอออน Fe ³⁺แม้จากสารประกอบที่เสถียรที่สุด ที่ไขกระดูก ทรานสเฟอร์รินจะถูกลดจาก Fe ³⁺เป็น Fe ²⁺และเก็บสะสมเป็นเฟอร์ริตินเพื่อนำไปรวมเข้ากับฮีโมโกลบิน^{[ 152 ]}

สารประกอบเหล็กอนินทรีย์ ชีวภาพ (โมเลกุลเหล็กชีวภาพ) ที่เป็นที่รู้จักและศึกษากันมากที่สุดคือ^{โปรตีนฮีม ตัวอย่างเช่น ฮีโมโกลบิน ไมโอโกลบิน และไซโตโครม P450 [ 10 ] สารประกอบเหล่านี้มีส่วนร่วมในการขนส่งก๊าซ สร้างเอนไซม์ และถ่ายโอนอิเล็กตรอน [ 152 ]}เมทัลโลโปรตีนเป็นกลุ่มของ^{โปรตีนที่}มีโคแฟคเตอร์ไอออน^{โลหะตัวอย่างของ}เมทัลโลโปรตีนเหล็ก ได้แก่เฟอร์ริตินและรูเบรดอกซิน [ ^{152 ] เอนไซม์}หลายชนิดที่สำคัญต่อชีวิตมีเหล็กเป็นองค์ประกอบ เช่นคาตาเลส [ ^{161 ] ไล}โปออกซิเจเนส [ ^{162 ] และ} IRE - BP ^{[ 163 ]}

ฮีโมโกลบินเป็นตัวนำออกซิเจนที่พบในเม็ดเลือดแดงและทำให้เม็ดเลือดแดงมีสี โดยขนส่งออกซิเจนในหลอดเลือดแดงจากปอดไปยังกล้ามเนื้อ ซึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังไมโอโกลบินซึ่งจะเก็บสะสมไว้จนกว่าจะจำเป็นสำหรับการออกซิเดชันของกลูโคส ในกระบวนการเผาผลาญ เพื่อสร้างพลังงาน^{[ 10 ]}ในที่นี้ ฮีโมโกลบินจะจับกับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นเมื่อกลูโคสถูกออกซิไดซ์ ซึ่งจะถูกขนส่งผ่านหลอดเลือดดำโดยฮีโมโกลบิน (ส่วนใหญ่เป็น ไอออน ไบคาร์บอเนต ) กลับไปยังปอดเพื่อขับออกทางลมหายใจ^{[ 152 ]}ในฮีโมโกลบิน เหล็กจะอยู่ใน กลุ่ม ฮีม หนึ่งในสี่ กลุ่มและมีตำแหน่งการประสานงานที่เป็นไปได้หกตำแหน่ง สี่ตำแหน่งถูกครอบครองโดยอะตอมไนโตรเจนใน วงแหวน พอร์ฟิริน ตำแหน่ง ที่ห้าถูกครอบครองโดย ไนโตรเจน อิมิดาโซลใน สารตกค้าง ฮิสติดีนของหนึ่งในสายโปรตีนที่ติดอยู่กับกลุ่มฮีม และตำแหน่งที่หกสงวนไว้สำหรับโมเลกุลออกซิเจนที่สามารถจับได้แบบย้อนกลับได้^{[ 152 ]}เมื่อฮีโมโกลบินไม่ได้จับกับออกซิเจน (และเรียกว่าดีออกซีฮีโมโกลบิน) ไอออน Fe ²⁺ที่อยู่ตรงกลางกลุ่มฮีม (ในส่วนภายในของโปรตีนที่ไม่ชอบน้ำ) จะอยู่ในสถานะสปินสูงดังนั้นจึงมีขนาดใหญ่เกินกว่าจะเข้าไปอยู่ในวงแหวนพอร์ไฟรินได้ ซึ่งวงแหวนจะโค้งงอเป็นรูปโดมโดยมีไอออน Fe ²⁺อยู่สูงขึ้นไปประมาณ 55 พิโคเมตร ในโครงสร้างนี้ ตำแหน่งการประสานงานที่หกที่สงวนไว้สำหรับออกซิเจนจะถูกปิดกั้นโดยหมู่ฮิสติดีนอีกหมู่หนึ่ง^{[ 152 ]}

เมื่อดีออกซีฮีโมโกลบินรับโมเลกุลออกซิเจน หมู่ฮิสติดีนนี้จะเคลื่อนตัวออกไปและกลับมาเมื่อออกซิเจนยึดติดอย่างแน่นหนาเพื่อสร้างพันธะไฮโดรเจนกับมัน ส่งผลให้ไอออน Fe ²⁺เปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างสปินต่ำ ส่งผลให้รัศมีไอออนลดลง 20% เพื่อให้สามารถเข้าไปอยู่ในวงแหวนพอร์ไฟรินได้ ซึ่งจะกลายเป็นระนาบ^{[ 152 ]}นอกจากนี้ พันธะไฮโดรเจนนี้ยังส่งผลให้โมเลกุลออกซิเจนเอียง ส่งผลให้มุมพันธะ Fe–O–O อยู่ที่ประมาณ 120° ซึ่งป้องกันการเกิดสะพาน Fe–O–Fe หรือ Fe–O –Fe ที่จะนำไปสู่การถ่ายโอนอิเล็กตรอน การออกซิเดชันของ Fe ²⁺เป็น Fe ³⁺และการทำลายฮีโมโกลบิน ส่งผลให้สายโซ่โปรตีนทั้งหมดเคลื่อนที่ ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนรูปร่างของหน่วยย่อยอื่นๆ ของฮีโมโกลบินไปเป็นรูปแบบที่มีความสัมพันธ์กับออกซิเจนมากขึ้น ดังนั้น เมื่อดีออกซีฮีโมโกลบินรับออกซิเจน ความสามารถในการรับออกซิเจนเพิ่มขึ้น และในทางกลับกัน^{[ 152 ]}ในทางกลับกัน ไมโอโกลบินมีกลุ่มฮีมเพียงกลุ่มเดียว ดังนั้นผลกระทบแบบร่วมมือนี้จึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ดังนั้น ในขณะที่ฮีโมโกลบินเกือบจะอิ่มตัวด้วยออกซิเจนในความดันย่อยของออกซิเจนสูงที่พบในปอด ความสามารถในการรับออกซิเจนของฮีโมโกลบินจึงต่ำกว่าไมโอโกลบินมาก ซึ่งสามารถรับออกซิเจนได้แม้ในความดันย่อยของออกซิเจนต่ำที่พบในเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ^{[ 152 ]}ดังที่อธิบายโดยผลของโบห์ร (ตั้งชื่อตามคริสเตียน โบห์รบิดาของนีลส์ โบห์ร ) ความสามารถในการรับออกซิเจนของฮีโมโกลบินจะลดลงเมื่อมีคาร์บอนไดออกไซด์^{[ 152 ]}

คาร์บอนมอนอกไซด์และฟอสฟอรัสไตรฟลูออไรด์เป็นพิษต่อมนุษย์เนื่องจากจับกับฮีโมโกลบินในลักษณะเดียวกับออกซิเจน แต่มีความแข็งแรงมากกว่ามาก ทำให้ออกซิเจนไม่สามารถถูกขนส่งไปทั่วร่างกายได้ ฮีโมโกลบินที่จับกับคาร์บอนมอนอกไซด์เรียกว่า คาร์ บอกซีฮีโมโกลบิน ผลกระทบนี้ยังมีบทบาทเล็กน้อยในความเป็นพิษของไซยาไนด์แต่ผลกระทบหลักคือการรบกวนการทำงานที่เหมาะสมของโปรตีนขนส่งอิเล็กตรอน^ไซโตโครมเอ^{[ 152} ] โปรตีนไซโตโครมยังเกี่ยวข้องกับกลุ่มฮีมและเกี่ยวข้องกับการออกซิเดชันของกลูโคสโดยออกซิเจน ตำแหน่งการประสานงานที่หกจะถูกครอบครองโดยไนโตรเจนอิมิดาโซลอีกตัวหรือ กำมะถัน เมไทโอนีนดังนั้นโปรตีนเหล่านี้จึงเฉื่อยต่อออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ ยกเว้นไซโตโครมเอ ซึ่งจับกับออกซิเจนโดยตรงและจึงถูกพิษจากไซยาไนด์ได้ง่ายมาก^{[ 152 ]}ในที่นี้ การถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นในขณะที่เหล็กยังคงอยู่ในสถานะสปินต่ำ แต่เปลี่ยนระหว่างสถานะออกซิเดชัน +2 และ +3 เนื่องจากศักยภาพการลดลงของแต่ละขั้นตอนจะมากกว่าขั้นตอนก่อนหน้าเล็กน้อย พลังงานจึงถูกปล่อยออกมาทีละขั้นตอนและสามารถเก็บไว้ในอะดีโนซีนไตรฟอสเฟตได้ ไซโตโครมเอมีความแตกต่างเล็กน้อย เนื่องจากเกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มไมโทคอนเดรีย จับกับออกซิเจนโดยตรง และขนส่งโปรตอนรวมถึงอิเล็กตรอน ดังนี้: ^{[ 152 ]}

4 Cytc ²⁺ + O + 8H ⁺ → 4 Cytc ³⁺ + 2 H O + 4H ⁺

แม้ว่าโปรตีนฮีมจะเป็นโปรตีนที่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุด แต่โปรตีนเหล็ก-ซัลเฟอร์ก็มีความสำคัญมากเช่นกัน เนื่องจากมีส่วนเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นไปได้เพราะเหล็กสามารถคงอยู่ในสถานะออกซิเดชัน +2 หรือ +3 ได้อย่างเสถียร โปรตีนเหล่านี้มีอะตอมเหล็กหนึ่ง สอง สี่ หรือแปดอะตอม โดยแต่ละอะตอมจะประสานงานกับอะตอมซัลเฟอร์สี่อะตอมในลักษณะทรงสี่หน้าโดยประมาณ เนื่องจากโครงสร้างทรงสี่หน้านี้ โปรตีนเหล่านี้จึงมีเหล็กที่มีสปินสูงเสมอ สารประกอบที่ง่ายที่สุดในกลุ่มนี้คือรูเบรดอกซินซึ่งมีอะตอมเหล็กเพียงหนึ่งอะตอมที่ประสานงานกับอะตอมซัลเฟอร์สี่อะตอมจาก หมู่ ซิสเทอีนในสายเปปไทด์โดยรอบ โปรตีนเหล็ก-ซัลเฟอร์อีกกลุ่มที่สำคัญคือเฟอร์เรดอก ซิน ซึ่งมีอะตอมเหล็กหลายอะตอม ทรานสเฟอร์รินไม่จัดอยู่ในกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งเหล่านี้^{[ 152 ]}

ความสามารถของหอยแมลงภู่ ทะเล ในการยึดเกาะกับหินในมหาสมุทรนั้นเกิดจากการใช้พันธะออร์กาโนเมทัลลิกที่ มีเหล็กเป็นองค์ประกอบใน คิวติเคิล ที่อุดมไปด้วยโปรตีน จากการจำลองแบบสังเคราะห์ พบว่าการมีเหล็กในโครงสร้างเหล่านี้ทำให้โมดูลัสความยืดหยุ่น เพิ่มขึ้น 770 เท่าความแข็งแรงในการรับแรงดึงเพิ่มขึ้น 58 เท่า และความเหนียวเพิ่มขึ้น 92 เท่า ปริมาณความเค้นที่จำเป็นในการทำให้โครงสร้างเหล่านี้เสียหายอย่างถาวรเพิ่มขึ้น 76 เท่า^{[ 165 ]}

ภาวะขาดธาตุเหล็กเป็น ภาวะขาดสารอาหารที่พบได้บ่อยที่สุดในโลก^{[ 10 ] [ 177 ] [ 178 ] [ 179 ]}เมื่อการสูญเสียธาตุเหล็กไม่ได้รับการชดเชยอย่างเพียงพอด้วยการบริโภคธาตุเหล็กจากอาหารอย่างเพียงพอ จะเกิดภาวะขาดธาตุเหล็กแฝงซึ่งเมื่อเวลาผ่านไปจะนำไปสู่ภาวะโลหิตจางจากการขาดธาตุเหล็กหากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่ได้รับการรักษา ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือจำนวนเม็ดเลือดแดงไม่เพียงพอและปริมาณฮีโมโกลบินไม่เพียงพอ^{[ 180 ]}เด็ก ผู้หญิง ก่อนวัยหมดประจำเดือน (ผู้หญิงวัยเจริญพันธุ์) และผู้ที่มีโภชนาการไม่ดีมีความเสี่ยงต่อโรคนี้มากที่สุด กรณีส่วนใหญ่ของภาวะโลหิตจางจากการขาดธาตุเหล็กนั้นไม่รุนแรง แต่หากไม่ได้รับการรักษาอาจทำให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น หัวใจเต้นเร็วหรือผิดปกติ ภาวะแทรกซ้อนระหว่างตั้งครรภ์ และการเจริญเติบโตช้าในทารกและเด็ก^{[ 181 ]}

สมองมีความต้านทานต่อภาวะขาดธาตุเหล็กเฉียบพลันเนื่องจากการขนส่งธาตุเหล็กผ่านกำแพงเลือดสมองเป็นไปอย่างช้าๆ^{[ 182 ]}ความผันผวนเฉียบพลันของสถานะธาตุเหล็ก (ซึ่งบ่งชี้โดยระดับเฟอร์ริตินในซีรั่ม) ไม่ได้สะท้อนถึงสถานะธาตุเหล็กในสมอง แต่คาดว่าภาวะขาดธาตุเหล็กจากโภชนาการเป็นเวลานานจะลดความเข้มข้นของธาตุเหล็กในสมองเมื่อเวลาผ่านไป^{[ 183 ] [ 184 ]}ในสมอง ธาตุเหล็กมีบทบาทในการขนส่งออกซิเจน การสังเคราะห์ไมอีลิน การหายใจของไมโทคอนเดรีย และเป็นโคแฟคเตอร์สำหรับการสังเคราะห์และการเผาผลาญสารสื่อประสาท^{[ 185 ]}แบบจำลองสัตว์ของภาวะขาดธาตุเหล็กจากโภชนาการรายงานการเปลี่ยนแปลงทางชีวโมเลกุลที่คล้ายกับที่พบในโรคพาร์กินสันและโรคฮันติงตัน^{[ 186 ] [ 187 ]}อย่างไรก็ตาม การสะสมของธาตุเหล็กในสมองที่เกี่ยวข้องกับอายุยังเชื่อมโยงกับการพัฒนาของโรคพาร์กินสันด้วย^{[ 188 ]}

ร่างกายมนุษย์มีการควบคุมการดูดซึมธาตุเหล็ก อย่างเข้มงวด เนื่องจากไม่มีกลไกทางสรีรวิทยาที่ควบคุมการขับธาตุเหล็กออกไป ร่างกายสูญเสียธาตุเหล็กเพียงเล็กน้อยในแต่ละวันเนื่องจากการหลุดลอกของเซลล์เยื่อบุผิวและผิวหนัง ดังนั้นการควบคุมระดับธาตุเหล็กจึงทำได้โดยการควบคุมการดูดซึมเป็นหลัก ^{[ 189 ]}การควบคุมการดูดซึมธาตุเหล็กบกพร่องในบางคนอันเป็นผลมาจากความผิดปกติทางพันธุกรรมที่อยู่ในบริเวณยีน HLA-H บนโครโมโซม 6และนำไปสู่ระดับเฮปซิดิน ที่ต่ำกว่าปกติ ซึ่งเป็นตัวควบคุมที่สำคัญของการเข้าสู่ระบบไหลเวียนโลหิตของธาตุเหล็กในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม^{[ 190 ]}ในคนเหล่านี้ การบริโภคธาตุเหล็กมากเกินไปอาจส่งผลให้เกิดภาวะธาตุเหล็ก เกิน ซึ่งทางการแพทย์เรียกว่าฮีโมโครมาโตซิส^{[ 10 ]}หลายคนมีความเสี่ยงทางพันธุกรรมต่อภาวะธาตุเหล็กเกินที่ยังไม่ได้รับการวินิจฉัย และไม่ทราบประวัติครอบครัวเกี่ยวกับปัญหานี้ ด้วยเหตุนี้ ผู้คนไม่ควรรับประทานอาหารเสริมธาตุเหล็กเว้นแต่ว่าพวกเขาจะขาดธาตุเหล็กและได้ปรึกษาแพทย์แล้ว คาดว่าโรคฮีโมโครมาโตซิสเป็นสาเหตุของโรคเมตาบอลิกทั้งหมด 0.3–0.8% ในชาวคอเคเชียน^{[ 191 ]}

การรับประทานธาตุเหล็กเกินขนาดอาจทำให้ระดับธาตุเหล็กอิสระในเลือดสูงเกินไป ระดับธาตุเหล็กเฟอร์รัสอิสระในเลือดสูงจะทำปฏิกิริยากับเปอร์ออกไซด์ เพื่อสร้าง อนุมูลอิสระที่มีปฏิกิริยาสูงซึ่งสามารถทำลายDNAโปรตีนไขมัน และส่วนประกอบอื่นๆ ของเซลล์ได้ พิษ จากธาตุเหล็กเกิดขึ้นเมื่อเซลล์มีธาตุเหล็กอิสระ ซึ่งโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นเมื่อระดับธาตุเหล็กเกินกว่าปริมาณของทรานสเฟอร์รินที่จะจับกับธาตุเหล็กได้ ความเสียหายต่อเซลล์ในระบบทางเดินอาหารยังสามารถป้องกันไม่ให้เซลล์เหล่านั้นควบคุมการดูดซึมธาตุเหล็ก ทำให้ระดับธาตุเหล็กในเลือดเพิ่มสูงขึ้นอีก ธาตุเหล็กมักจะทำลายเซลล์ในหัวใจ ตับและส่วนอื่นๆ ทำให้เกิดผลเสียต่างๆ เช่น อาการ โคม่าภาวะกรดเกินในเลือดภาวะช็อก ตับวาย ภาวะ เลือดแข็งตัวผิดปกติความเสียหายต่ออวัยวะในระยะยาว และอาจถึงแก่ชีวิตได้^{[ 192 ]}มนุษย์จะประสบกับพิษจากธาตุเหล็กเมื่อธาตุเหล็กเกิน 20 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัมของมวลร่างกาย โดย 60 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัมถือเป็นปริมาณที่ทำให้เสียชีวิตได้^{[ 193 ]}การบริโภคธาตุเหล็กมากเกินไป ซึ่งมักเป็นผลมาจากการที่เด็กกิน ยาเม็ด เฟอร์รัสซัลเฟต ในปริมาณมาก ซึ่งมีไว้สำหรับผู้ใหญ่ เป็นหนึ่งในสาเหตุการเสียชีวิตจากพิษวิทยาที่พบบ่อยที่สุดในเด็กอายุต่ำกว่า 6 ปี^{[ 193 ]}ปริมาณสารอาหารอ้างอิงที่แนะนำต่อ วัน (DRI) กำหนดระดับปริมาณสูงสุดที่ยอมรับได้ (UL) สำหรับผู้ใหญ่ไว้ที่ 45 มก./วัน สำหรับเด็กอายุต่ำกว่า 14 ปี UL คือ 40 มก./วัน^{[ 194 ]}  

การจัดการทางการแพทย์สำหรับภาวะพิษจากธาตุเหล็กมีความซับซ้อน และอาจรวมถึงการใช้ สาร คีเลต เฉพาะ ที่เรียกว่าดีเฟอรอคซามีนเพื่อจับและขับธาตุเหล็กส่วนเกินออกจากร่างกาย^{[ 192 ] [ 195 ] [ 196 ]}

ธาตุเหล็กมีความสำคัญต่อการทำงานของสมองมนุษย์ ธาตุเหล็กในสมองได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อจำกัดผลกระทบทั้งจากภาวะขาดธาตุเหล็กและภาวะธาตุเหล็กเกิน หากระบบเหล่านี้ได้รับสารอาหารไม่เพียงพอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างตั้งครรภ์และวัยทารก อาจมีผลกระทบต่อสุขภาพในระยะยาว แต่การเชื่อมโยงโดยตรงทำได้ยาก เนื่องจากภาวะขาดสารอาหารมักเชื่อมโยงกับปัญหาสุขภาพอื่นๆ ธาตุเหล็กเกินมีความสัมพันธ์กับภาวะความเสื่อมของระบบประสาทบางอย่าง แต่ยังไม่ทราบสาเหตุ^{[ 197 ]}

บทบาทของธาตุเหล็กในการป้องกันมะเร็งสามารถอธิบายได้ว่าเป็น "ดาบสองคม" เนื่องจากมีอยู่ทั่วไปในกระบวนการที่ไม่เกี่ยวข้องกับพยาธิสภาพ^{[ 198 ]}ผู้ที่ได้รับการทำเคมีบำบัดอาจเกิดภาวะขาดธาตุเหล็กและโลหิตจางซึ่งต้องใช้การบำบัดด้วยธาตุเหล็กทางหลอดเลือดดำ เพื่อฟื้นฟูระดับธาตุเหล็ก ^{[ 199 ]}ภาวะธาตุเหล็กเกิน ซึ่งอาจเกิดขึ้นจากการบริโภคเนื้อแดงในปริมาณมาก^{[ 10 ]}อาจกระตุ้น การเจริญเติบโตของ เนื้องอกและเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดมะเร็ง^{[ 199 ]}โดยเฉพาะมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนัก^{[ 10 ]}

ธาตุเหล็กมีบทบาทสำคัญในระบบนิเวศทางทะเลและสามารถทำหน้าที่เป็นสารอาหารจำกัดสำหรับกิจกรรมของแพลงก์ตอน^{[ 200 ]}ด้วยเหตุนี้ การลดลงของธาตุเหล็กมากเกินไปอาจนำไปสู่การลดลงของอัตราการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตแพลงก์ตอนพืช เช่น ไดอะตอม^{[ 201 ]}นอกจากนี้ ธาตุเหล็กยังสามารถถูกออกซิไดซ์โดยจุลินทรีย์ในทะเลภายใต้สภาวะที่มีธาตุเหล็กสูงและออกซิเจนต่ำ^{[ 202 ]}

ธาตุเหล็กสามารถเข้าสู่ระบบทางทะเลได้ผ่านทางแม่น้ำที่อยู่ติดกันและโดยตรงจากชั้นบรรยากาศ เมื่อธาตุเหล็กเข้าสู่มหาสมุทรแล้ว มันสามารถกระจายไปทั่วมวลน้ำผ่านการผสมของมหาสมุทรและการรีไซเคิลในระดับเซลล์^{[ 203 ]}ในแถบอาร์กติก น้ำแข็งทะเลมีบทบาทสำคัญในการกักเก็บและกระจายธาตุเหล็กในมหาสมุทร โดยจะทำให้ธาตุเหล็กในมหาสมุทรลดลงเมื่อแข็งตัวในฤดูหนาวและปล่อยกลับคืนสู่น้ำเมื่อละลายในฤดูร้อน^{[ 204 ]}วัฏจักรของธาตุเหล็กสามารถเปลี่ยนแปลงรูปแบบของธาตุเหล็กจากรูปแบบของเหลวไปเป็นรูปแบบอนุภาค ซึ่งเปลี่ยนแปลงความพร้อมของธาตุเหล็กสำหรับผู้ผลิตขั้นต้น^{[ 205 ]}แสงและความอบอุ่นที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มปริมาณธาตุเหล็กในรูปแบบที่ผู้ผลิตขั้นต้นสามารถนำไปใช้ได้^{[ 206 ]}