เหล็กและความหนาแน่น: ทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้

1.0 เหล็ก (Fe): รากฐานของวัสดุโครงสร้างและองค์ประกอบที่สำคัญต่อชีวิต

เหล็ก (สัญลักษณ์ทางเคมี Fe มาจากภาษาละติน เฟอร์รัม) เป็นโลหะทรานสิชั่นในกลุ่ม 8 ของตารางธาตุ มีเลขอะตอม 26 มวลอะตอมสัมพันธ์ 55.845มีความหนาแน่น 7.86 g/cm³ และมีจุดหลอมเหลว 1,539°C มีสีเทาเงินและเป็นหนึ่งในโลหะที่พบมากที่สุดในเปลือกโลก ในธรรมชาติ โลหะชนิดนี้มักพบในสถานะออกซิเดชันของเหล็ก (Fe²⁺) และเฟอร์ริก (Fe³⁺)

1.1 คุณสมบัติทางกายภาพและเคมี:

• มีลักษณะเป็นโลหะมันวาวคล้ายเงิน แข็งแต่สามารถยืดหยุ่นได้
• จุดหลอมเหลวสูง (1,539°C) เหมาะสำหรับการแปรรูปที่อุณหภูมิสูง
• โลหะที่มีปฏิกิริยาไวต่อออกซิเจน น้ำ และกรดได้ง่าย
• สถานะออกซิเดชันทั่วไปคือ +2 และ +3

1.2 การใช้งานหลัก:

การผลิตเหล็ก:

การใช้งานที่สำคัญที่สุดของเหล็กคือในการผลิตเหล็กกล้า เหล็กกล้าเป็นโลหะผสมของเหล็กและคาร์บอน มักผสมกับแมงกานีส โครเมียม นิกเกิล และธาตุอื่นๆ เพื่อเพิ่มความแข็งแรง ความเหนียว หรือความต้านทานการกัดกร่อน เหล็กกล้าใช้กันอย่างแพร่หลายใน:

• การก่อสร้างโครงสร้าง (เช่น สะพาน อาคารสูง)
• การผลิตเครื่องจักรและอุปกรณ์
• การขนส่ง (รถยนต์ เรือ รถไฟ)
• เครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านและของใช้ในชีวิตประจำวัน

สารเคมีอุตสาหกรรมและปุ๋ย:

สารประกอบเหล็กใช้ในการผลิตสีย้อม ตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวบำบัดน้ำ และ ปุ๋ยที่มีธาตุเหล็กเป็นส่วนประกอบ

1.3 บทบาททางชีวภาพ:

ธาตุเหล็กเป็นธาตุที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต หน้าที่หลักของธาตุเหล็ก ได้แก่:

• ประกอบด้วยฮีโมโกลบินและไมโอโกลบิน มีส่วนเกี่ยวข้องในการลำเลียงออกซิเจน
• มีส่วนร่วมในกระบวนการเผาผลาญพลังงานของไมโตคอนเดรีย
• ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบของเอนไซม์และโปรตีนต่างๆ

1.4 ความสำคัญทางประวัติศาสตร์และวัฒนธรรม:

• การใช้เหล็กของมนุษย์ย้อนกลับไปถึงยุคเหล็ก (ประมาณ 1,200 ปีก่อนคริสตศักราช) เมื่อเครื่องมือและอาวุธที่ทำจากเหล็กเข้ามาแทนที่ของที่ใช้เป็นบรอนซ์ ส่งผลให้การผลิตทางการเกษตรและศักยภาพทางการทหารก้าวหน้าขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
• การนำเทคโนโลยีการถลุงเหล็กมาใช้อย่างแพร่หลายถือเป็นก้าวสำคัญของอารยธรรมมนุษย์
• จนถึงปัจจุบัน เหล็กยังคงเป็นวัสดุโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก

ความหนาแน่นของธาตุที่เลือก

2.0 ทำความเข้าใจความหนาแน่น: คำจำกัดความ การคำนวณ และเหล็กเป็นตัวอย่าง

2.1 ความหนาแน่นคืออะไร?

ความหนาแน่นเป็นหน่วยวัดปริมาณสสารที่มีอยู่ในหนึ่งหน่วยปริมาตร ซึ่งสะท้อนให้เห็นว่าอนุภาคของสารนั้นอัดแน่นแค่ไหน ยิ่งอนุภาคอัดแน่นมากเท่าไร ก็จะยิ่งสามารถบรรจุอนุภาคเข้าไปในพื้นที่ที่กำหนดได้มากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากอนุภาคมีมวล ดังนั้น วัสดุที่มีความหนาแน่นสูงจะมีน้ำหนักมากกว่าในปริมาตรเดียวกัน

หน่วยความหนาแน่นทั่วไปได้แก่:

• หน่วยเอสไอ: กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (กก./ม³)
• หน่วยปฏิบัติการ: กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (กรัม/ซม³) หรือกรัมต่อมิลลิลิตร (กรัม/มล.)
• ความหนาแน่นโดยทั่วไปจะแสดงด้วยอักษรกรีก ρ (โร)

2.2 สูตรคำนวณความหนาแน่น

ความหนาแน่น (ρ) = มวล (ม.) / ปริมาตร (V)

ที่ไหน:

• มวลโดยทั่วไปจะวัดเป็น กรัม (g)
• ปริมาตรสามารถแสดงเป็น มิลลิลิตร (mL)หรือ ลูกบาศก์เซนติเมตร (cm³)
  (หมายเหตุ: 1 มล. = 1 ซม³)

2.3 ตัวอย่าง: ความหนาแน่นของแท่งเหล็ก

แท่งเหล็กมีมวลเท่ากับ 23.6 กรัม, มีขนาด 2.0ซม. × 2.0ซม. × 0.75ซม.. ตรวจสอบความหนาแน่นและความเป็นไปได้ว่าจะทำมาจากเหล็กหรือไม่

ปริมาตร = 2.0 × 2.0 × 0.75 = 3.0 ซม³
ความหนาแน่น = 23.6 กรัม ÷ 3.0 ซม³ = 7.87 ก./ซม.³

บทสรุป:
วัตถุมีความหนาแน่นประมาณ 7.87 ก./ซม.³ซึ่งใกล้เคียงกับความหนาแน่นมาตรฐานของเหล็กบริสุทธิ์มาก ดังนั้นจึงมีแนวโน้มสูงว่าจะเป็นเหล็กบริสุทธิ์หรือโลหะผสมที่มีส่วนประกอบเป็นเหล็ก

2.4 ความหนาแน่นของเหล็กและโลหะผสมเหล็ก

ความหนาแน่นของ เหล็กบริสุทธิ์ คือประมาณ 7.874 ก./ซม.³
(หรือ 491.5 ปอนด์/ฟุต³, 0.284 ปอนด์/นิ้ว³)

ตารางด้านล่างแสดงความหนาแน่นของเหล็กชนิดทั่วไปและโลหะผสมเหล็กที่อุณหภูมิห้อง ค่าเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการเลือกวัสดุและการคำนวณทางวิศวกรรม

หมายเหตุ-1: 6.95 ถึง 7.35 g/cm3 (0.251 ถึง 0.265 lb/in.3)

หมายเหตุ 2: 7.20 ถึง 7.34 g/cm3 (0.260 ถึง 0.265 lb/in.3)

3.0 ปัจจัยที่มีผลต่อความหนาแน่นของเหล็ก

3.1 โครงสร้างอะตอม

ความหนาแน่นของเหล็กได้รับอิทธิพลจากโครงสร้างผลึกของมัน:

• โครงสร้างลูกบาศก์ที่ศูนย์กลางร่างกาย (BCC)เฟอร์ไรต์ (α-iron, BCC) มีความหนาแน่นต่ำกว่าออสเทไนต์ (γ-iron, FCC) เล็กน้อย เนื่องจากประสิทธิภาพในการบรรจุอะตอม
• โครงสร้างลูกบาศก์หน้ากลาง (FCC): พบใน ออสเทไนต์ (γ-เหล็ก)ซึ่งมี ความหนาแน่นสูงขึ้น

3.2 อุณหภูมิและการเปลี่ยนเฟส

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เหล็กจะเกิดการเปลี่ยนสถานะ ซึ่งส่งผลต่อโครงสร้างผลึกและความหนาแน่นด้วย:

• อัลฟา-เหล็ก (BCC)การเปลี่ยนแปลงไป แกมมาเหล็ก (FCC) ที่ประมาณ 912°C
• แกมมาเหล็ก (FCC)แปลงเป็น δ-เหล็ก (BCC) ประมาณเวลาประมาณ 1394°C
• การ จุดหลอมเหลวของเหล็กประมาณ 1538°

3.3 การเพิ่มองค์ประกอบโลหะผสม

• การเพิ่มองค์ประกอบ เช่น คาร์บอนเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและความหนาแน่นของเหล็ก
• ตัวอย่างเช่น การเพิ่มปริมาณคาร์บอนในเหล็กทำให้เกิดการก่อตัวของ เพิร์ลไลต์และลดระดับลง อุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสไปรอบๆ 727°C.

4.0 คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับความหนาแน่นของเหล็ก

อื่น: ความหนาแน่นของอลูมิเนียม

อ้างอิง:

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