在一装满水的硬质容器中放入一铁块并不断对水施加压强，铁块会如何变化？ 第1页

这是一个极复杂的问题，讨论之前首先假设压强变化是缓慢且连续的。

我这里就说说相关的化学反应，因为这决定体系中到底有哪些物质。

先说正常的化学反应。

Fe + H2O → FeO + H2

该反应的标准反应焓为14 kJ/mol，标准反应熵为- 31.4 J/mol·K。

在标准状态下，反应为吸热反应，温度上升到446K时，随便加加热，反应便可以向正向进行。

因为有水这种变态玩意，我们还得再考虑一组水解和电离平衡以及离子反应：

H2O → H+ + OH-

Fe + 2H+ → Fe2+ + H2

Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2↓

顺便谈一下溶解平衡：

其实吧，这个体系之下，水中有铁，铁中有氢和氧基本上是不可避免的。尤其是压强一大，反应中生成的中间产物原子H很容易向铁中扩散，溶解度以氢气计算的话，常温常压下大概0.3ml/100g（体积比1/45，氢原子浓度0.75ppm），且众所周知，压强越大溶解度越高。假设氢在铁中不会自发富集（通常都是这样认为的），完美的BCC单晶铁中氢的极限溶解度可能轻松能达到1:3（氢原子占据每一个正八面体间隙）到1:7（氢原子占据每一个正八面体间隙和正四面体间隙）。（然而即使是单晶铁，只要尺寸大到一定程度，内部总会有数量可估算的无法去除的内在空穴和间质，使得溶解于其中的氢能够发生富集，甚至进而产生气泡，破坏晶体的完整性）。

说到溶解度，有必要稍微解释一下分子在金属中的溶解过程：吸附，分解，扩散。

水分子接触到铁的表面，然后被分解成为氧原子和氢原子，然后向铁内部进行扩散。对于这些小的原子，铁也不像我们通常感觉到的那么实在，氢原子在其中有不少通道可以过，而且氢的金属性和铁其实比较接近（K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Sb (H) Cu Hg Ag Pt Au），进一步将问题复杂化了。

The two elements（H和Fe） form a metallic alloy above 35000 atmospheres of pressure, that has been advanced as a possible explanation for the low density of Earth's "iron" core.[2][3]

高压下，氢不再以间隙原子的形式存在于铁中，而是和铁形特定结构特定组分的稳定的单相。体系不再是“混合物”而成为一种“纯”物质。

嗯。。。高中没好好学的可以反复揣摩揣摩这句话的意思。

另外，铁也是一种变态的东西，他是一种催化剂，并且还不弱。

是的没错，表面结构会影响材料的化学特性，这很容易理解嘛，（足够小的）结构影响电子分布嘛，而决定化学性质的就是电子呗。

三价铁离子已经被证明对光解反应（不特指光解水）有催化效应。可以大胆地推论，在有长满毛的铁块的催化下，光催化水解应该也是可行的。

所以，体系中还可能会有氧气这种变态存在。

可以生成：FeO, α-Fe2O3, β-Fe2O3, γ-Fe2O3, ε-Fe2O3, Fe3O4, FeO4

以及四种FeOOH和更加变态暂时没有确定统一化学式的亚稳态化合物水铁矿（Ferrihydrite）。

这些矿物普遍需要氧气和水的参与，但也仅仅需要氧气和水，基本在正常的温度范围和正常的压强下便能够生成。

以大多数实验室能够实现的加压环境，便可以生成更多更加复杂的亚稳态的化合物，比如铁各种价态的各种羟基络合物，甚至铁聚合物，进一步使复杂体系，其实单就氢/氧在铁中的表现就够让人头疼了。

压强再高一些，温度也再高一些，更加极端的状态下，即使依然是液态，水的化学性质也会发生改变，嗯。。。一定范围内的高压下，水的溶解性会变好，氢与相邻水分子作用力增强，水的极性增强，电离度增加。再提高一些，氢键进一步增强，以近似离子键的分子间作用相互结合，形成固态水。

再提高一些压强，电子云开始向原子核集中，氧和氢会开始陆续表现出金属性，这种情况下水的电子海会和铁的电子海更容易混合，界面处出现更大规模互相扩散现象，氢原子的迁移速率快于氧原子，这一原理非常常见于各类提纯设备。平衡态时视各组分的内部同类原子之间的结合能和不同类型原子之间的混合能，合金表现出不同的组织模式（完全互溶，界面析晶，完全不互溶等），可以依靠Lattice based Monte Carlo进行精确度相当高的模拟。

接着再提高压强的话，电子被压入原子核，这个体系变成一团中子，再压到史瓦西半径变成黑洞，（如果霍金蒸发真的存在）视质量而定决定其存在时间，一幢楼大小的物质压成黑洞，瞬息就蒸发光了（与月球质量差不多的黑洞才能在宇宙背景辐射下保持收支平衡）。

总之是个很复杂的东西。

常温下，把水加压到1GPa（约一万倍大气压）就变成冰了 。所以水并不是一个很好的压力传导介质，不过题目的主旨是讨论铁的变化，这里就不纠结水的问题了，对此感兴趣的同学可以看这个问题： 如果严格限制低温水的膨胀空间，水还会结冰吗？。

回到主题，那么，如果对一块铁不断加压，铁本身会发生什么变化呢？这个问题属于高压物理学的研究领域，并且，由于很多行星的内核都是铁，所以地质/天文学界对此也很感兴趣。

上图是铁的高压相图^[1]，横轴为压强，纵轴为温度，不同的希腊字母（α/ε/γ）代表铁的不同结构。可以看出来，即使是处于同样的压强下，不同温度时铁的性质也是不一样的。所以研究压强带来的影响时，一定要结合具体的温度来讨论。

1、室温（300K)

常温常压下，纯铁的稳定结构是α-Fe，也称铁素体结构，有磁性。这种条件下，铁原子在微观上会规则的排列成体心立方(bcc)结构（下图左）。但如果施加给铁一定的压强（>12 GPa），铁的稳定结构就会有bcc的α-Fe变为密排六方(hcp)的 ε-Fe（下图右）， ε-Fe是无磁性的。

由于hcp结构比bcc结构更加致密，因此α-Fe变为 ε-Fe后能减小体积，从而适应更大的压强。

2、奥氏体温区（~1200-1700 K）

在这个温度区间内，常压下的铁是面心立方的γ-Fe，也称奥氏体结构（上图中），无磁性。由于γ-Fe的致密程度比常温下的α-Fe高，因此其高压下的稳定性要高于α-Fe。可以看到，在2700 K附近，γ-Fe能抵抗大约90 GPa的高压，比α-Fe的12 GPa的失稳压强要高不少。

3、液相区（>~1800 K）

其实~1700-1800 K间还有个δ-Fe相区，不过范围实在太小，这里就不讲了。

常压下铁的熔点大约是1800 K，因此高于这个温度铁自然就融化了。但铁的熔点随着压强的升高其实是会不断增长的。例如，地心深处的铁受到300 GPa以上的压强，因此能在6000 K的高温下还能保持固态。

不过，高温高压下铁的结构却一直备受争论（第一幅图中的阴影部分）。一方面，通过分析冲击波实验数据，一些学者认为高温高压下铁应该是bcc结构，但各类理论计算却表明bcc结构不如hcp结构稳定。不过前两年也有学者发现，bcc结构的铁能够通过一种特殊的扩散机制提高结构熵，从而增强高温下的稳定性^[2]。这一块内容比wo较ye复bu杂dong，就不展开了。

参考

1. ^Phase diagram of iron under extreme conditions measured with time-resolved methods https://www.researchgate.net/publication/282216834_Phase_diagram_of_iron_under_extreme_conditions_measured_with_time_resolved_methods
2. ^Stabilization of body-centred cubic iron under inner-core conditions https://www.nature.com/articles/ngeo2892