铁及其密度：你需要知道的一切

1.0铁（Fe）：结构材料的基础和生命的重要元素

铁 （化学符号 Fe，源自拉丁语 铁)是元素周期表第8族的过渡金属，原子序数为26， 相对原子质量55.845，密度为7.86克/立方厘米，熔点为1539摄氏度。它呈银灰色，是地壳中最丰富的金属之一。在自然界中，它通常以亚铁（Fe²⁺）和三价铁（Fe³⁺）的氧化态存在。

1.1物理和化学性质：

• 金属光泽，外观银灰色，坚硬而有延展性；
• 熔点高（1539℃），适合高温加工；
• 一种活性金属，易与氧气、水和酸发生反应；
• 常见的氧化状态是+2和+3。

1.2主要应用：

炼钢：

铁最重要的用途是生产钢。钢是铁和碳的合金，通常会添加锰、铬、镍和其他元素，以提高强度、韧性或耐腐蚀性。钢广泛应用于：

• 结构建设（例如桥梁、高层建筑）
• 机械设备制造业
• 交通运输（汽车、轮船、铁路）
• 家用电器和日用品

工业化学品和肥料：

铁化合物用于生产染料、催化剂、水处理剂和 铁基肥料。

1.3生物学作用：

铁是生物体必需的微量元素。其主要功能包括：

• 构成血红蛋白和肌红蛋白，参与氧气运输；
• 参与线粒体能量代谢；
• 作为多种酶和蛋白质的组成部分。

1.4历史文化意义：

• 人类使用铁的历史可以追溯到铁器时代（约公元前 1200 年），当时铁制工具和武器取代了青铜工具和武器，大大提高了农业生产和军事能力；
• 炼铁技术的广泛应用是人类文明的一个重要里程碑。
• 时至今日，铁仍然是全球使用最广泛的金属材料。

选定元素的密度

2.0理解密度：定义、计算以及以铁为例

2.1什么是密度？

密度是衡量单位体积内物质含量的指标。它反映了物质粒子的紧密程度。粒子排列越紧密，在给定空间内能容纳的粒子就越多。由于粒子具有质量，因此密度越高的物质在相同体积下重量就越大。

常见的密度单位包括：

• 国际单位制：千克每立方米（千克/立方米)
• 实验室单位：克每立方厘米（克/立方厘米) 或克每毫升 (克/毫升)
• 密度通常用希腊字母表示 ρ（rho）

2.2密度计算公式

密度（ρ）=质量（m）/体积（V）

在哪里：

• 质量通常以 克（g）
• 体积可以表示为 毫升（mL）或者 立方厘米（cm³）
  （注：1 毫升 = 1 立方厘米）

2.3例子：铁块的密度

一块铁块的质量为 23.6克，尺寸为 2.0厘米×2.0厘米×0.75厘米. 确定它的密度以及它是否可能是由铁制成的。

音量 = 2.0 × 2.0 × 0.75 = 3.0立方厘米
密度 = 23.6 克 ÷ 3.0 立方厘米 = 7.87克/立方厘米

结论：
该物体的密度约为 7.87克/立方厘米，非常接近纯铁的标准密度。因此，它很可能是纯铁或铁基合金。

2.4铁和铁合金的密度

密度 纯铁 大约是 7.874克/立方厘米
（或 491.5 磅/立方英尺，0.284 磅/立方英寸）

下表列出了常见铁和铁合金在室温下的密度。这些数值有助于材料选择和工程计算。

注 1：6.95 至 7.35 g/cm3 (0.251 至 0.265 lb/in.3)。

注 2：7.20 至 7.34 g/cm3 (0.260 至 0.265 lb/in.3)。

3.0影响铁密度的因素

3.1原子结构

铁的密度受其晶体结构的影响：

• 体心立方（BCC）结构:由于原子堆积效率高，铁素体（α-铁，BCC）的密度比奥氏体（γ-铁，FCC）略低。
• 面心立方（FCC）结构：发现于 奥氏体（γ-铁），它有一个 更高的密度

3.2温度和相变

随着温度升高，铁会发生相变，从而影响其晶体结构，进而影响其密度：

• α-铁（BCC）过渡到 γ-铁（FCC） 大约 912°C
• γ-铁（FCC）转变为 δ-铁（体心立方） 大约 1394°C
• 这 熔点铁大约 1538°

3.3添加合金元素

• 添加元素，例如 碳改变铁的结构和密度
• 例如，增加钢中的碳含量会导致形成 珠光体，并降低 相变温度到周围 727摄氏度。

4.0关于铁密度的常见问题

其他： 铝的密度

参考：

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