Химические и физические свойства железа. Плотность различных модификаций металла

Автор Валерий Савельев February 14, 2019

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 660^oC.

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 1539^oC образуется ОЦК (объемноцентрированная кубическая) решетка железа. При остывании слитка она преобразуется в ГЦК (гранецентрированная кубическая) форму при температуре 1392^oC. 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: