آهن و چگالی آن: هر آنچه که باید بدانید

1.0آهن (Fe): پایه و اساس مواد ساختاری و عنصری حیاتی برای حیات

آهن (نماد شیمیایی Fe، برگرفته از لاتین فروم) یک فلز واسطه در گروه ۸ جدول تناوبی با عدد اتمی ۲۶ است، جرم اتمی نسبی ۵۵.۸۴۵، چگالی ۷.۸۶ گرم بر سانتی‌متر مکعب و نقطه ذوب ۱۵۳۹ درجه سانتیگراد. به رنگ خاکستری نقره‌ای به نظر می‌رسد و یکی از فراوان‌ترین فلزات در پوسته زمین است. در طبیعت، معمولاً در هر دو حالت اکسیداسیون فرو (Fe²⁺) و فریک (Fe³⁺) وجود دارد.

1.1خواص فیزیکی و شیمیایی:

• جلای فلزی، ظاهر نقره‌ای-خاکستری، سخت اما انعطاف‌پذیر؛
• نقطه ذوب بالا (1539 درجه سانتیگراد)، مناسب برای پردازش در دمای بالا؛
• یک فلز واکنش‌پذیر، به راحتی با اکسیژن، آب و اسیدها واکنش می‌دهد؛
• حالت‌های اکسیداسیون رایج +2 و +3 هستند.

1.2کاربردهای اصلی:

فولادسازی:

مهمترین کاربرد آهن در تولید فولاد است. فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که اغلب با منگنز، کروم، نیکل و سایر عناصر مخلوط می‌شود تا استحکام، چقرمگی یا مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشد. فولاد به طور گسترده در موارد زیر استفاده می‌شود:

• ساخت سازه (مثلاً پل‌ها، ساختمان‌های بلندمرتبه)
• ساخت ماشین آلات و تجهیزات
• حمل و نقل (اتومبیل، کشتی، راه آهن)
• لوازم خانگی و کالاهای روزمره

مواد شیمیایی صنعتی و کودهای شیمیایی:

ترکیبات آهن برای تولید رنگ‌ها، کاتالیزورها، عوامل تصفیه آب و ... استفاده می‌شوند. کودهای مبتنی بر آهن.

1.3نقش بیولوژیکی:

آهن یک عنصر کمیاب ضروری برای موجودات زنده است. عملکردهای اصلی آن عبارتند از:

• تشکیل هموگلوبین و میوگلوبین، که در انتقال اکسیژن نقش دارند؛
• شرکت در متابولیسم انرژی میتوکندری؛
• به عنوان جزئی از آنزیم‌ها و پروتئین‌های مختلف عمل می‌کند.

1.4اهمیت تاریخی و فرهنگی:

• استفاده انسان از آهن به عصر آهن (حدود ۱۲۰۰ سال پیش از میلاد) برمی‌گردد، زمانی که ابزارها و سلاح‌های آهنی جایگزین ابزارهای برنزی شدند و به طور قابل توجهی تولید کشاورزی و توانایی نظامی را افزایش دادند.
• پذیرش گسترده فناوری ذوب آهن، نقطه عطفی کلیدی در تمدن بشری بود.
• تا به امروز، آهن همچنان پرکاربردترین ماده فلزی در سطح جهان است.

چگالی عناصر انتخاب شده

2.0درک چگالی: تعریف، محاسبه و آهن به عنوان مثال

2.1چگالی چیست؟

چگالی معیاری است که نشان می‌دهد چه مقدار ماده در واحد حجم وجود دارد. این نشان می‌دهد که ذرات یک ماده چقدر به هم فشرده شده‌اند. هرچه ذرات فشرده‌تر باشند، ذرات بیشتری می‌توانند در یک فضای مشخص جای بگیرند. از آنجایی که ذرات دارای جرم هستند، موادی با چگالی بالاتر، وزن بیشتری برای حجم یکسان خواهند داشت.

واحدهای رایج چگالی عبارتند از:

• واحد SI: کیلوگرم بر متر مکعب (کیلوگرم بر متر مکعب)
• واحدهای آزمایشگاهیگرم بر سانتی‌متر مکعب (گرم بر سانتی‌متر مکعب) یا گرم در هر میلی لیتر (گرم/میلی‌لیتر)
• چگالی معمولاً با حرف یونانی نشان داده می‌شود. ρ (رو)

2.2فرمول محاسبه چگالی

چگالی (ρ) = جرم (m) / حجم (V)

کجا:

• جرم معمولاً بر حسب ... اندازه‌گیری می‌شود. گرم (گرم)
• حجم را می‌توان به صورت زیر بیان کرد میلی‌لیتر (میلی‌لیتر)یا سانتی‌متر مکعب (cm³)
  (توجه: ۱ میلی‌لیتر = ۱ سانتی‌متر مکعب)

2.3مثال: چگالی یک بلوک آهن

یک بلوک آهنی جرمی برابر با ۲۳.۶ گرم، با ابعاد ۲.۰ سانتی‌متر × ۲.۰ سانتی‌متر × ۰.۷۵ سانتی‌مترچگالی آن و اینکه آیا احتمالاً از آهن ساخته شده است را تعیین کنید.

حجم = ۲.۰ × ۲.۰ × ۰.۷۵ = ۳.۰ سانتی‌متر مکعب
چگالی = ۲۳.۶ گرم ÷ ۳.۰ سانتی‌متر مکعب = ۷.۸۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب

نتیجه‌گیری:
این جسم تقریباً چگالی دارد ۷.۸۷ گرم بر سانتی‌متر مکعبکه بسیار نزدیک به چگالی استاندارد آهن خالص است. بنابراین، به احتمال زیاد آهن خالص یا آلیاژی بر پایه آهن است.

2.4چگالی آهن و آلیاژهای آهن

چگالی آهن خالص تقریباً است ۷.۸۷۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب
(یا ۴۹۱.۵ پوند بر فوت مکعب، ۰.۲۸۴ پوند بر اینچ مکعب)

جدول زیر چگالی انواع رایج آهن و آلیاژهای آهن را در دمای اتاق نشان می‌دهد. این مقادیر برای انتخاب مواد و محاسبات مهندسی مفید هستند.

نکته ۱: ۶.۹۵ تا ۷.۳۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب (۰.۲۵۱ تا ۰.۲۶۵ پوند بر اینچ مکعب).

نکته ۲: ۷.۲۰ تا ۷.۳۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب (۰.۲۶۰ تا ۰.۲۶۵ پوند بر اینچ مکعب).

3.0عوامل مؤثر بر چگالی آهن

3.1ساختار اتمی

چگالی آهن تحت تأثیر ساختار بلوری آن است:

• ساختار مکعبی مرکزپر (BCC)فریت (آهن α، BCC) به دلیل راندمان فشردگی اتمی، چگالی کمی پایین‌تری در مقایسه با آستنیت (آهن γ، FCC) دارد.
• ساختار مکعبی وجه-مرکزی (FCC): یافت شده در آستنیت (آهن γ)، که دارای یک چگالی بالاتر

3.2دما و گذار فاز

با افزایش دما، آهن دستخوش گذارهای فازی می‌شود که بر ساختار بلوری و در نتیجه چگالی آن تأثیر می‌گذارد:

• آهن آلفا (BCC)انتقال به آهن گاما (FCC) تقریباً در ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد
• آهن گاما (FCC)تبدیل می‌شود به آهن δ (BCC) در حدود ۱۳۹۴ درجه سانتی‌گراد
• The نقطه ذوبآهن تقریباً ۱۵۳۸ درجه

3.3افزودن عناصر آلیاژی

• اضافه کردن عناصری مانند کربنساختار و چگالی آهن را تغییر می‌دهد
• برای مثال، افزایش محتوای کربن در فولاد منجر به تشکیل ... پرلیت، و پایین می‌آورد دمای گذار فازبه اطراف ۷۲۷ درجه سانتی‌گراد.

4.0سوالات متداول در مورد چگالی آهن

دیگر: چگالی آلومینیوم

مراجع:

https://www.princeton.edu/~maelabs/mae324/glos324/iron.htm

https://web.fscj.edu/Milczanowski/psc/lect/Ch4/slide6.htm

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/iron-fertilizers