Sắt và khối lượng riêng của nó: Mọi thứ bạn cần biết

1.0 Sắt (Fe): Nền tảng của vật liệu cấu trúc và là nguyên tố quan trọng cho sự sống

Sắt (ký hiệu hóa học Fe, bắt nguồn từ tiếng Latin ferrum) là kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm 8 của bảng tuần hoàn, có số hiệu nguyên tử là 26, khối lượng nguyên tử tương đối của 55,845, mật độ 7,86 g/cm³, và nhiệt độ nóng chảy là 1539°C. Nó có màu xám bạc và là một trong những kim loại phổ biến nhất trong lớp vỏ Trái Đất. Trong tự nhiên, nó thường tồn tại ở cả trạng thái ôxi hóa sắt (Fe²⁺) và sắt (Fe³⁺).

1.1 Tính chất vật lý và hóa học:

• Ánh kim, bề ngoài màu xám bạc, cứng nhưng dễ uốn;
• Điểm nóng chảy cao (1539°C), thích hợp cho quá trình xử lý ở nhiệt độ cao;
• Một kim loại phản ứng mạnh, dễ phản ứng với oxy, nước và axit;
• Các trạng thái oxy hóa phổ biến là +2 và +3.

1.2 Ứng dụng chính:

Luyện thép:

Ứng dụng quan trọng nhất của sắt là trong sản xuất thép. Thép là hợp kim của sắt và cacbon, thường được trộn với mangan, crom, niken và các nguyên tố khác để cải thiện độ bền, độ dẻo dai hoặc khả năng chống ăn mòn. Thép được sử dụng rộng rãi trong:

• Xây dựng kết cấu (ví dụ, cầu, tòa nhà cao tầng)
• Sản xuất máy móc và thiết bị
• Vận chuyển (ô tô, tàu thủy, đường sắt)
• Đồ gia dụng và hàng hóa hàng ngày

Hóa chất công nghiệp và phân bón:

Hợp chất sắt được sử dụng để sản xuất thuốc nhuộm, chất xúc tác, chất xử lý nước và phân bón có chứa sắt.

1.3 Vai trò sinh học:

Sắt là một nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sinh vật sống. Chức năng chính của nó bao gồm:

• Cấu tạo nên hemoglobin và myoglobin, tham gia vào quá trình vận chuyển oxy;
• Tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng của ty thể;
• Hoạt động như một thành phần của nhiều loại enzyme và protein.

1.4 Ý nghĩa lịch sử và văn hóa:

• Con người bắt đầu sử dụng sắt từ thời đại đồ sắt (khoảng năm 1200 TCN), khi các công cụ và vũ khí bằng sắt thay thế đồ đồng, thúc đẩy đáng kể sản xuất nông nghiệp và khả năng quân sự;
• Việc áp dụng rộng rãi công nghệ luyện sắt đã đánh dấu một cột mốc quan trọng trong nền văn minh nhân loại.
• Cho đến ngày nay, sắt vẫn là vật liệu kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu.

Mật độ của các thành phần được chọn

2.0 Hiểu về mật độ: Định nghĩa, tính toán và sắt như một ví dụ

2.1 Mật độ là gì?

Mật độ là thước đo lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích. Nó phản ánh mức độ đóng gói chặt chẽ của các hạt của một chất. Các hạt được đóng gói càng chặt chẽ thì càng có nhiều hạt có thể vừa với một không gian nhất định. Vì các hạt có khối lượng, nên vật liệu có mật độ cao hơn sẽ nặng hơn đối với cùng một thể tích.

Các đơn vị mật độ phổ biến bao gồm:

• Đơn vị SI: kilôgam trên mét khối (kg/m³)
• Đơn vị phòng thí nghiệm: gam trên centimet khối (g/cm³) hoặc gam trên mililít (g/mL)
• Mật độ thường được biểu diễn bằng chữ cái Hy Lạp ρ (rho)

2.2 Công thức tính mật độ

Mật độ (ρ) = Khối lượng (m) / Thể tích (V)

Ở đâu:

• Khối lượng thường được đo bằng gam (g)
• Khối lượng có thể được thể hiện bằng mililít (mL)hoặc xentimét khối (cm³)
  (Lưu ý: 1 mL = 1 cm³)

2.3 Ví dụ: Khối lượng riêng của một khối sắt

Một khối sắt có khối lượng là 23,6 gam, với kích thước của 2,0cm × 2,0cm × 0,75cm. Xác định khối lượng riêng của nó và liệu nó có thể được làm bằng sắt hay không.

Thể tích = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 cm³
Mật độ = 23,6 g ÷ 3,0 cm³ = 7,87 g/cm³

Phần kết luận:
Đối tượng có mật độ xấp xỉ 7,87 g/cm³, rất gần với mật độ chuẩn của sắt nguyên chất. Do đó, rất có thể đó là sắt nguyên chất hoặc hợp kim gốc sắt.

2.4 Mật độ của sắt và hợp kim sắt

Mật độ của sắt nguyên chất là khoảng 7,874 g/cm³
(hoặc 491,5 lb/ft³, 0,284 lb/in³)

Bảng dưới đây liệt kê mật độ của các loại sắt và hợp kim sắt phổ biến ở nhiệt độ phòng. Các giá trị này hữu ích cho việc lựa chọn vật liệu và tính toán kỹ thuật.

Lưu ý-1: 6,95 đến 7,35 g/cm3 (0,251 đến 0,265 lb/in.3).

Lưu ý-2: 7,20 đến 7,34 g/cm3 (0,260 đến 0,265 lb/in.3).

3.0 Các yếu tố ảnh hưởng đến mật độ của sắt

3.1 Cấu trúc nguyên tử

Mật độ của sắt bị ảnh hưởng bởi cấu trúc tinh thể của nó:

• Cấu trúc khối lập phương tâm khối (BCC):Ferrite (sắt α, BCC) có mật độ thấp hơn một chút so với austenite (sắt γ, FCC) do hiệu quả đóng gói nguyên tử của nó.
• Cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC): Tìm thấy trong austenit (sắt γ), có một mật độ cao hơn

3.2 Nhiệt độ và chuyển pha

Khi nhiệt độ tăng, sắt trải qua quá trình chuyển pha ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và do đó ảnh hưởng đến mật độ của sắt:

• α-sắt (BCC)chuyển tiếp đến sắt γ (FCC) vào khoảng 912°C
• sắt γ (FCC)biến đổi thành δ-sắt (BCC) vào khoảng 1394°C
• Các điểm nóng chảycủa sắt là khoảng 1538°

3.3 Bổ sung các nguyên tố hợp kim

• Thêm các yếu tố như cacbonlàm thay đổi cấu trúc và mật độ của sắt
• Ví dụ, việc tăng hàm lượng cacbon trong thép dẫn đến sự hình thành ngọc traivà hạ thấp nhiệt độ chuyển phađến xung quanh 727°C.

4.0 Những câu hỏi thường gặp về mật độ của sắt

Khác: Mật độ của nhôm

Tài liệu tham khảo:

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