Железо и его плотность: все, что вам нужно знать

1.0Железо (Fe): основа конструкционных материалов и жизненно важный элемент

Железо (химический символ Fe, полученный от латинского железо) — переходный металл 8-й группы периодической системы с атомным номером 26, относительная атомная масса 55,845, плотность 7,86 г/см³ и температура плавления 1539°C. Он выглядит серебристо-серым и является одним из самых распространенных металлов в земной коре. В природе он обычно существует в двух состояниях окисления: железном (Fe²⁺) и железном (Fe³⁺).

1.1Физические и химические свойства:

• Металлический блеск, серебристо-серый цвет, твёрдый, но пластичный;
• Высокая температура плавления (1539°C), пригодна для высокотемпературной обработки;
• Реактивный металл, легко реагирует с кислородом, водой и кислотами;
• Распространенные степени окисления — +2 и +3.

1.2Основные области применения:

Сталеплавильное производство:

Наиболее важным применением железа является производство стали. Сталь — это сплав железа и углерода, часто смешанный с марганцем, хромом, никелем и другими элементами для повышения прочности, вязкости или коррозионной стойкости. Сталь широко используется в:

• Конструкционное строительство (например, мосты, высотные здания)
• Производство машин и оборудования
• Транспорт (автомобили, корабли, железные дороги)
• Бытовая техника и товары повседневного спроса

Промышленные химикаты и удобрения:

Соединения железа используются для производства красителей, катализаторов, средств для очистки воды и т. д. удобрения на основе железа.

1.3Биологическая роль:

Железо является необходимым микроэлементом для живых организмов. Его основные функции включают:

• Входит в состав гемоглобина и миоглобина, участвует в транспорте кислорода;
• Участие в митохондриальном энергетическом метаболизме;
• Входит в состав различных ферментов и белков.

1.4Историческое и культурное значение:

• Использование человеком железа восходит к железному веку (около 1200 г. до н. э.), когда железные орудия труда и оружие заменили бронзовые, что значительно способствовало развитию сельскохозяйственного производства и военного потенциала;
• Широкое внедрение технологии выплавки железа стало важной вехой в развитии человеческой цивилизации.
• По сей день железо остается наиболее широко используемым металлическим материалом в мире.

Плотности выбранных элементов

2.0Понимание плотности: определение, расчет и железо в качестве примера

2.1Что такое плотность?

Плотность — это мера того, сколько вещества содержится в единице объема. Она отражает, насколько плотно упакованы частицы вещества. Чем плотнее упакованы частицы, тем больше частиц может поместиться в данном пространстве. Поскольку частицы имеют массу, материалы с более высокой плотностью будут весить больше для того же объема.

Распространенные единицы плотности включают в себя:

• единица СИ: килограммы на кубический метр (кг/м³)
• Лабораторные подразделения: граммы на кубический сантиметр (г/см³) или граммы на миллилитр (г/мл)
• Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ (ро)

2.2Формула расчета плотности

Плотность (ρ) = Масса (м) / Объем (V)

Где:

• Масса обычно измеряется в грамм (г)
• Объем может быть выражен в миллилитры (мл)или кубические сантиметры (см³)
  (Примечание: 1 мл = 1 см³)

2.3Пример: Плотность железного блока

Железный брусок имеет массу 23,6 грамма, с размерами 2,0 см × 2,0 см × 0,75 см. Определите его плотность и вероятность того, что он сделан из железа.

Объем = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 см³
Плотность = 23,6 г ÷ 3,0 см³ = 7,87 г/см³

Заключение:
Плотность объекта составляет приблизительно 7,87 г/см³, что очень близко к стандартной плотности чистого железа. Поэтому, скорее всего, это чистое железо или сплав на основе железа.

2.4Плотность железа и железных сплавов

Плотность чистое железо приблизительно 7,874 г/см³
(или 491,5 фунта/фут³, 0,284 фунта/дюйм³)

В таблице ниже приведены плотности распространенных типов железа и железных сплавов при комнатной температуре. Эти значения полезны для выбора материалов и инженерных расчетов.

Примечание 1: от 6,95 до 7,35 г/см3 (от 0,251 до 0,265 фунта/дюйм3).

Примечание 2: от 7,20 до 7,34 г/см3 (от 0,260 до 0,265 фунта/дюйм3).

3.0Факторы, влияющие на плотность железа

3.1Атомная структура

Плотность железа зависит от его кристаллической структуры:

• Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура:Феррит (α-железо, ОЦК) имеет немного меньшую плотность по сравнению с аустенитом (γ-железо, ГЦК) из-за эффективности атомной упаковки.
• Гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура: Найдено в аустенит (γ-железо), который имеет более высокая плотность

3.2Температурные и фазовые переходы

При повышении температуры железо претерпевает фазовые переходы, которые влияют на его кристаллическую структуру и, следовательно, на его плотность:

• α-железо (БЦК)переходы к γ-железо (FCC) приблизительно 912°С
• γ-железо (FCC)превращается в δ-железо (БЦК) около 1394°С
• The точка плавленияжелеза составляет примерно 1538°

3.3Добавление легирующих элементов

• Добавление таких элементов, как углеродизменяет структуру и плотность железа
• Например, увеличение содержания углерода в стали приводит к образованию перлит, и снижает температура фазового переходаоколо 727°С.

4.0Часто задаваемые вопросы о плотности железа

Другой: Плотность алюминия

Ссылки:

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