Домой Развлечения Химические и физические свойства железа. Плотность различных модификаций металла

Химические и физические свойства железа. Плотность различных модификаций металла

98

Самым важным металлом, который повлиял на ход становления человеческой цивилизации, безусловно, является железо. В земной коре это второй по распространенности после алюминия металл, а в ядре планеты — первый. В данной статье рассмотрим вопрос, какую плотность железо имеет и какими специфическими свойствами обладает.

Железо — химический элемент

В таблице Менделеева железо стоит на 26-й позиции, что говорит о 26 протонах, которые содержит ядро этого элемента. Средняя атомная масса его составляет 55,847 а. е. м., при этом ядро с 30-ю нейтронами является самым стабильным.

Железо — самый тяжелый элемент, который может образоваться в результате ядерных реакций при сгорании звезд. Ее более тяжелые ядра образуются только в результате взрыва сверхновых звезд.

Рассматриваемый элемент является химически активным, поэтому в природе он встречается, как правило, в виде соединений. В основном это оксиды разных валентностей. Чтобы восстановить чистое железо из его оксидов в промышленных масштабах используют углеродное сырье. Одна из множества реакций восстановления выглядит следующим образом:

FeO + CO → Fe + CO2

Процесс окисления железных изделий (появление ржавчины) является основной причиной разрушения конструкций из этого металла.

Физические свойства железа и его использование

При нормальных условиях этот металл представляет собой твердое вещество, имеющее серебристо-серый оттенок, твердое и достаточно плотное. Плотность железа составляет 7874 кг/м3, то есть оно почти в восемь раз тяжелее воды и в пять раза тяжелее песка. Как и любой металлический материал, железо хорошо проводит электрический ток и тепло.

Важной особенностью металла является его ферромагнетизм, который исчезает, когда слиток нагревают до температуры выше 660oC.

В чистом виде железо быстро окисляется. Кроме того, оно является слишком пластичным, поэтому его применяют в промышленности в качестве основного металла для сталей. Последние представляют собой сплавы железа и углерода, причем углерод содержится в количестве не более 2,1% (при большем количестве углерода начинают образовываться пластинки графита, увеличивается твердость материала, он становится хрупким — его называют чугуном).

В настоящее время стали занимают 95 % от массы металла, выплавляемого в мире. Широко используются стали с различными добавками других элементов, например вольфрама, молибдена, хрома, никеля и так далее.

Плотность железа

Выше уже была приведена эта характеристика для рассматриваемого металла. Тем не менее остановимся подробнее на данном вопросе. Дело в том, что плотности веществ зависят от двух основных факторов:

  • структуры и геометрических характеристик;
  • атомной массы.

Если масса атома Fe остается постоянной, то структура железа кардинально изменяется при увеличении или уменьшении температуры. Так, во время кристаллизации при 1539oC образуется ОЦК (объемноцентрированная кубическая) решетка железа. При остывании слитка она преобразуется в ГЦК (гранецентрированная кубическая) форму при температуре 1392oC. При дальнейшем уменьшении температуры ГЦК снова переходит в ОЦК при температуре 911 oC.

На процессы изменения кристаллической решетки железа также накладывается эффект температурного сжатия, что приводит к дополнительному повышению плотности материала.

Поскольку приведенная цифра для плотности железа относится к комнатной температуре, то логично предположить, что она соответствует ОЦК-решетке. Ниже приведем показательные расчеты, демонстрирующие зависимость плотности рассматриваемого элемента от типа решетки, в котором он находится.

Теоретический расчет плотности

Напомним, что плотность определяется по такой формуле:

ρ = m/V

В соответствующих учебниках можно найти следующие цифры для параметров решетки температурных модификаций железа:

  • ОЦК высокотемпературная — a = 2,93 ангстрема;
  • ГЦК — a = 3,65 ангстрема;
  • ОЦК низкотемпературная — a = 2,866 ангстрема.

Поскольку на один кубик ОЦК приходится два атома железа, то формула для определения плотности для данной кристаллической структуры будет иметь такой вид:

ρ1 = 2*m/a3

Для ГЦК-структуры, у которой четыре атома приходится на одну кубическую ячейку, формула для плотности железа примет вид:

ρ2 = 4*m/a3

В этих выражениях m — масса одного железного атома.

Подставляем известные m и a, получаем:

  • ОЦК высокотемпературная — ρ1 = 7371 кг/м3;
  • ГЦК — ρ2 = 7625 кг/м3;
  • ОЦК низкотемпературная — ρ1 = 7876 кг/м3.

Полученные результаты показывают, что плотность железа значительно возрастает с понижением температуры.

Комментарии

Пожалуйста, авторизуйтесь чтобы добавить комментарий.
  Подписаться  
Уведомление о

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: