Хімічні і фізичні властивості заліза. Щільність різних модифікацій металу

Найважливішим металом, який вплинув на хід становлення людської цивілізації, безумовно, є залізо. У земній корі це другий за поширеністю після алюмінію метал, а в ядрі планети — перший. У цій статті розглянемо питання, яку щільність залізо має і якими специфічними властивостями володіє.

Залізо — хімічний елемент

У таблиці Менделєєва залізо стоїть на 26-й позиції, що говорить про 26 протонах, які містить ядро цього елемента. Середня атомна маса його становить 55,847 а. е. м., при цьому ядро з 30-ю нейтронами є самим стабільним.

Залізо — найважчий елемент, який може утворитися в результаті ядерних реакцій при згорянні зірок. Її більш важкі ядра утворюються тільки в результаті вибуху наднових зірок.

Розглянутий елемент є хімічно активним, тому в природі він зустрічається, як правило, у вигляді сполук. В основному це оксиди різних валентностей. Щоб відновити чисте залізо з його оксидів в промислових масштабах використовують вуглецеве сировину. Одна з безлічі реакцій відновлення виглядає наступним чином:

FeO + CO → Fe + CO2

Процес окислення залізних виробів (поява іржі) є основною причиною руйнування конструкцій з цього металу.

Фізичні властивості заліза та його використання

При нормальних умовах цей метал являє собою тверду речовину, що має сріблясто-сірий відтінок, тверде і досить щільне. Щільність заліза становить 7874 кг/м3, тобто воно майже у вісім разів важче води і в п’ять разів важче піску. Як і будь-який металевий матеріал, залізо добре проводить електричний струм і тепло.

Важливою особливістю металу є його феромагнетизм, який зникає, коли злиток нагрівають до температури вище 660oC.

У чистому вигляді залізо швидко окислюється. Крім того, воно є дуже пластичним, тому його застосовують в промисловості в якості основного металу для сталей. Останні являють собою сплави заліза і вуглецю, причому вуглець міститься в кількості не більше 2,1% (при більшій кількості вуглецю починають утворюватися пластинки графіту, збільшується твердість матеріалу, він стає крихким, його називають чавуном).

В даний час стали займають 95 % від маси металу, виплавленого в світі. Широко використовуються сталі з різними добавками інших елементів, наприклад вольфраму, молібдену, хрому, нікелю і так далі.

Щільність заліза

Вище вже була наведена ця характеристика для розглянутого металу. Тим не менш зупинимося детальніше на цьому питанні. Справа в тому, що щільності речовин залежать від двох основних факторів:

  • структури і геометричних характеристик;
  • атомної маси.

Якщо маса атома Fe залишається постійною, то структура заліза кардинально змінюється при збільшенні або зменшенні температури. Так, під час кристалізації при 1539oC утворюється ОЦК (об’емноцентрірованная кубічна) решітка заліза. При охолодженні злитка вона перетворюється в ГЦК (гранецентрированная кубічна) форму при температурі 1392oC. При подальшому зменшенні температури ГЦК знову переходить в ОЦК при температурі 911 oC.

На процеси зміни кристалічної решітки заліза також накладається ефект температурного стиснення, що приводить до додаткового підвищення щільності матеріалу.

Оскільки наведена цифра для щільності заліза належить до кімнатній температурі, то логічно припустити, що вона відповідає ОЦК-решіткою. Нижче наведемо показові розрахунки, що демонструють залежність щільності розглянутого елемента від типу решітки, в якому він знаходиться.

Теоретичний розрахунок щільності

Нагадаємо, що щільність визначається за такою формулою:

ρ = m/V

У відповідних підручниках можна знайти наступні цифри для параметрів решітки температурних модифікацій заліза:

  • ОЦК високотемпературна — a = 2,93 ангстрема;
  • ГЦК — a = 3,65 ангстрема;
  • ОЦК низькотемпературна — a = 2,866 ангстрема.

Оскільки на один кубик ОЦК доводиться два атоми заліза, то формула для визначення щільності для даної кристалічної структури буде мати такий вигляд:

ρ1 = 2*m/a3

Для ГЦК структури, у якій чотири атома припадає на одну кубічну клітинку, формула для щільності заліза прийме вигляд:

ρ2 = 4*m/a3

В цих виразах m — маса одного залізного атома.

Підставляємо відомі m і a, отримуємо:

  • ОЦК високотемпературна — ρ1 = 7371 кг/м3;
  • ГЦК — ρ2 = 7625 кг/м3;
  • ОЦК низькотемпературна — ρ1 = 7876 кг/м3.

Отримані результати показують, що щільність заліза значно зростає з пониженням температури.