Żelazo i jego gęstość: wszystko, co musisz wiedzieć

1.0Żelazo (Fe): podstawa materiałów konstrukcyjnych i niezbędny pierwiastek dla życia

Żelazo (symbol chemiczny Fe, pochodzący z łac. żelazo) jest metalem przejściowym z grupy 8 układu okresowego, o liczbie atomowej 26, względna masa atomowa 55,845, gęstość 7,86 g/cm³ i temperatura topnienia 1539°C. Ma srebrzysto-szary kolor i jest jednym z najliczniej występujących metali w skorupie ziemskiej. W naturze powszechnie występuje zarówno na stopniu utlenienia żelaza(II) (Fe²⁺), jak i żelaza(III) (Fe³⁺).

1.1Właściwości fizyczne i chemiczne:

• Metaliczny połysk, srebrzystoszary wygląd, twardy, ale ciągliwy;
• Wysoka temperatura topnienia (1539°C), nadaje się do przetwarzania w wysokiej temperaturze;
• Metal reaktywny, łatwo reaguje z tlenem, wodą i kwasami;
• Typowe stopnie utlenienia to +2 i +3.

1.2Główne zastosowania:

Produkcja stali:

Najważniejszym zastosowaniem żelaza jest produkcja stali. Stal to stop żelaza i węgla, często zmieszany z manganem, chromem, niklem i innymi pierwiastkami w celu poprawy wytrzymałości, udarności lub odporności na korozję. Stal jest szeroko stosowana w:

• Budownictwo konstrukcyjne (np. mosty, budynki wysokie)
• Produkcja maszyn i urządzeń
• Transport (samochody, statki, koleje)
• Sprzęt AGD i towary codziennego użytku

Chemikalia przemysłowe i nawozy:

Związki żelaza są wykorzystywane do produkcji barwników, katalizatorów, środków do uzdatniania wody i nawozy na bazie żelaza.

1.3Rola biologiczna:

Żelazo jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym dla organizmów żywych. Jego podstawowe funkcje obejmują:

• Stanowi hemoglobinę i mioglobinę, uczestniczące w transporcie tlenu;
• Uczestniczy w metabolizmie energetycznym mitochondriów;
• Pełni funkcję składnika różnych enzymów i białek.

1.4Znaczenie historyczne i kulturowe:

• Wykorzystanie żelaza przez człowieka datuje się na epokę żelaza (około 1200 r. p.n.e.), kiedy to narzędzia i broń żelazne zastąpiły te wykonane z brązu, co znacznie przyczyniło się do rozwoju produkcji rolnej i potencjału militarnego;
• Powszechne przyjęcie technologii wytopu żelaza było kamieniem milowym w rozwoju ludzkiej cywilizacji.
• Do dziś żelazo pozostaje najpowszechniej stosowanym materiałem metalicznym na świecie.

Gęstości wybranych pierwiastków

2.0Zrozumienie gęstości: definicja, obliczenia i żelazo jako przykład

2.1Co to jest gęstość?

Gęstość jest miarą ilości materii zawartej w jednostce objętości. Odzwierciedla ona, jak ściśle upakowane są cząsteczki danej substancji. Im gęściej upakowane są cząsteczki, tym więcej cząsteczek może zmieścić się w danej przestrzeni. Ponieważ cząsteczki mają masę, materiały o wyższej gęstości będą cięższe przy tej samej objętości.

Do powszechnie stosowanych jednostek gęstości należą:

• Jednostka SI: kilogramy na metr sześcienny (kg/m³)
• Jednostki laboratoryjne: gramy na centymetr sześcienny (g/cm³) lub gramach na mililitr (g/ml)
• Gęstość jest powszechnie oznaczana literą grecką ρ (rho)

2.2Wzór na obliczanie gęstości

Gęstość (ρ) = Masa (m) / Objętość (V)

Gdzie:

• Masę zazwyczaj mierzy się w gramy (g)
• Objętość można wyrazić w mililitry (ml)Lub centymetry sześcienne (cm³)
  (Uwaga: 1 ml = 1 cm³)

2.3Przykład: Gęstość bloku żelaza

Blok żelaza ma masę 23,6 grama, o wymiarach 2,0 cm × 2,0 cm × 0,75 cmOkreśl jego gęstość i czy jest prawdopodobne, że jest wykonany z żelaza.

Objętość = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 cm³
Gęstość = 23,6 g ÷ 3,0 cm³ = 7,87 g/cm³

Wniosek:
Obiekt ma gęstość około 7,87 g/cm³, co jest bardzo zbliżone do standardowej gęstości czystego żelaza. Dlatego najprawdopodobniej jest to czyste żelazo lub stop na bazie żelaza.

2.4Gęstość żelaza i stopów żelaza

Gęstość czyste żelazo jest w przybliżeniu 7,874 g/cm³
(lub 491,5 funta/stopę³, 0,284 funta/cal³)

Poniższa tabela przedstawia gęstości popularnych rodzajów żelaza i stopów żelaza w temperaturze pokojowej. Wartości te są przydatne przy doborze materiałów i obliczeniach inżynierskich.

Uwaga 1: 6,95 do 7,35 g/cm3 (0,251 do 0,265 funta/cal3).

Uwaga 2: 7,20 do 7,34 g/cm3 (0,260 do 0,265 lb/in.3).

3.0Czynniki wpływające na gęstość żelaza

3.1Struktura atomowa

Gęstość żelaza zależy od jego struktury krystalicznej:

• Struktura sześcienna skupiona na ciele (BCC):Ferryt (żelazo α, BCC) ma nieco mniejszą gęstość w porównaniu do austenitu (żelazo γ, FCC) ze względu na wydajność upakowania atomów.
• Struktura sześcienna centrowana na ścianie (FCC)Znaleziono w austenit (żelazo γ), który ma wyższa gęstość

3.2Temperatura i przejścia fazowe

Wraz ze wzrostem temperatury żelazo ulega przemianom fazowym, które wpływają na jego strukturę krystaliczną, a tym samym na jego gęstość:

• α-żelazo (BCC)przejścia do γ-żelazo (FCC) około 912°C
• γ-żelazo (FCC)przekształca się w δ-żelazo (BCC) około 1394°C
• Ten temperatura topnieniażelaza wynosi około 1538°

3.3Dodatek pierwiastków stopowych

• Dodawanie elementów takich jak węgielzmienia strukturę i gęstość żelaza
• Na przykład zwiększenie zawartości węgla w stali prowadzi do powstawania perliti obniża temperatura przejścia fazowegodookoła 727°C.

4.0Często zadawane pytania dotyczące gęstości żelaza

Inny: Gęstość aluminium

Odniesienia:

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