IChO 1997 · Theory problem 5
Allotropes of iron and the density of martensite
Iron metal melts at 1811 K. Between room temperature and its melting point, iron metal can exist in different allotropic or crystalline forms. From room temperature to 1185 K, the crystal structure of iron metal exists as a body-centred cubic (bcc) lattice known as α-iron. From 1185 K to 1667 K, the structure becomes face-centred cubic (fcc) and is called γ-iron. Above 1667 K, and up to its melting point, iron reverts to a bcc structure similar to that of α-iron. The latter phase is called δ-iron.
Given that the density of pure iron metal is \(7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) at 293 K:
5.1 Calculate the atomic radius of iron (expressed in cm).
5.2 Calculate its density (expressed in \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) at 1250 K.
Notes: Ignore the small effects due to the thermal expansion of the metal.
Clearly define any symbols which you use, e.g. \(r\) = atomic radius of \(\ce{Fe}\).
Steel is an alloy of iron and carbon in which some of the interstitial spaces (“holes”) of the crystal lattice (iron) are occupied by small atoms (carbon). Its carbon content typically ranges from 0.1 % to 4.0 %. In a blast-furnace, the melting of iron is facilitated when it contains 4.3 % of carbon by mass. If this mixture is cooled too rapidly the carbon atoms remain dispersed within the α-iron phase. This new solid, called martensite, is extremely hard and brittle. Although is it slightly distorted, the size of the unit cell of this solid (martensite) is the same as that of α-iron (bcc).
Assuming that the carbon atoms are evenly distributed in the iron structure:
5.3 Calculate the average number of carbon atoms per unit cell of α-iron in martensite containing 4.3 % \(\ce{C}\) by mass.
5.4 Calculate the density (expressed in \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) of this material.
Molar masses and constants:
\(M(\ce{Fe}) = 55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(M(\ce{C}) = 12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1: \(r=\boxed{1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm}}\).
- 5.2: \(\rho_\gamma=\boxed{8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\) at 1250 K.
- 5.3: \(\boxed{0.42\text{ carbon atoms per unit cell, on average}}\) (calculated value \(0.4178\)).
- 5.4: \(\rho_{\mathrm{martensite}}=\boxed{8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
Solution
5.1 Atomic radius of iron
Let \(r\) be the atomic radius of iron, \(a_\alpha\) the edge length of the cubic α-iron unit cell, and \(\rho_\alpha\) its density. \(M(\ce{Fe})\) is the molar mass of iron and \(N_{\mathrm A}\) is the Avogadro constant.
At 293 K, iron has a bcc structure. Its conventional unit cell contains eight corner atoms, each shared by eight cells, and one atom entirely inside the cell:
\[ \text{Number of iron atoms per cell} =8\left(\frac18\right)+1=2. \]
Consequently,
\[ \rho_\alpha=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\alpha^3}, \]
so
\[ a_\alpha =\left[\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}\rho_\alpha}\right]^{1/3} =\left[ \frac{2(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}})} \right]^{1/3} =2.866561\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
In a bcc lattice, atoms touch along the body diagonal. This diagonal has length \(\sqrt3\,a_\alpha\) and spans four atomic radii:
\[ \sqrt3\,a_\alpha=4r. \]
Therefore,
\[ \boxed{ r=\frac{\sqrt3}{4}a_\alpha =1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm} }. \]
5.2 Density at 1250 K
Since \(1185<1250<1667\ \mathrm K\), the metal is γ-iron and has an fcc structure. Let \(a_\gamma\) be its unit-cell edge length and \(\rho_\gamma\) its density.
An fcc unit cell contains eight corner atoms and six face-centred atoms, each face-centred atom shared by two cells:
\[ \text{Number of iron atoms per cell} =8\left(\frac18\right)+6\left(\frac12\right)=4. \]
Atoms touch along a face diagonal, giving
\[ \sqrt2\,a_\gamma=4r, \qquad a_\gamma=2\sqrt2\,r. \]
Using the same atomic radius and neglecting thermal expansion,
\[ a_\gamma=3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Thus,
\[ \rho_\gamma =\frac{4M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\gamma^3} =\frac{4(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^3}, \]
\[ \boxed{\rho_\gamma=8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
5.3 Average number of carbon atoms per unit cell
Let \(x\) be the average number of carbon atoms per martensite unit cell and \(w_{\mathrm C}=0.043\) the carbon mass fraction.
Carbon occupies interstitial sites, so the cell retains its two iron atoms. Its average iron and carbon masses are therefore
\[ m_{\mathrm{Fe}}=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}}, \qquad m_{\mathrm C}=\frac{xM(\ce{C})}{N_{\mathrm A}}. \]
The carbon mass fraction is
\[ w_{\mathrm C} =\frac{m_{\mathrm C}}{m_{\mathrm{Fe}}+m_{\mathrm C}} =\frac{xM(\ce{C})}{2M(\ce{Fe})+xM(\ce{C})}. \]
Solving for \(x\),
\[ x=\frac{2M(\ce{Fe})w_{\mathrm C}} {M(\ce{C})(1-w_{\mathrm C})} =\frac{2(55.847)(0.043)} {(12.011)(0.957)} =0.417837. \]
Hence,
\[ \boxed{x\approx0.42\text{ carbon atoms per unit cell}}. \]
This fractional value is an average over many cells; individual cells contain integer numbers of carbon atoms.
5.4 Density of martensite
The problem specifies that the unit-cell volume remains \(a_\alpha^3\). The iron mass per cell also remains unchanged, while carbon adds mass.
Because iron accounts for the mass fraction \(1-w_{\mathrm C}=0.957\), the total cell mass is \(m_{\mathrm{Fe}}/(1-w_{\mathrm C})\). Therefore,
\[ \rho_{\mathrm{martensite}} =\frac{m_{\mathrm{Fe}}}{(1-w_{\mathrm C})a_\alpha^3} =\frac{\rho_\alpha}{1-w_{\mathrm C}} =\frac{7.874}{0.957}\ \mathrm{g\,cm^{-3}} =8.227795\ \mathrm{g\,cm^{-3}}. \]
Thus,
\[ \boxed{\rho_{\mathrm{martensite}}=8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1997 · Theorieaufgabe 5
Allotrope Formen des Eisens und die Dichte von Martensit
Metallisches Eisen schmilzt bei 1811 K. Zwischen Raumtemperatur und seinem Schmelzpunkt kann metallisches Eisen in verschiedenen allotropen oder kristallinen Formen vorliegen. Von Raumtemperatur bis 1185 K liegt die Kristallstruktur des metallischen Eisens als kubisch raumzentriertes Gitter (bcc) vor, das als α-Eisen bezeichnet wird. Von 1185 K bis 1667 K wird die Struktur kubisch flächenzentriert (fcc) und als γ-Eisen bezeichnet. Oberhalb von 1667 K und bis zu seinem Schmelzpunkt nimmt Eisen wieder eine bcc-Struktur an, die derjenigen von α-Eisen ähnelt. Diese letztere Phase wird δ-Eisen genannt.
Die Dichte von reinem metallischem Eisen beträgt bei 293 K \(7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\):
5.1 Berechnen Sie den Atomradius von Eisen (angegeben in cm).
5.2 Berechnen Sie seine Dichte (angegeben in \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) bei 1250 K.
Hinweise: Vernachlässigen Sie die geringen Auswirkungen der Wärmeausdehnung des Metalls.
Definieren Sie alle verwendeten Symbole eindeutig, z. B. \(r\) = Atomradius von \(\ce{Fe}\).
Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, in der einige der Zwischengitterräume („Lücken“) des Kristallgitters (Eisen) von kleinen Atomen (Kohlenstoff) besetzt sind. Sein Kohlenstoffgehalt liegt üblicherweise zwischen 0.1 % und 4.0 %. Im Hochofen wird das Schmelzen von Eisen erleichtert, wenn es einen Kohlenstoff-Massenanteil von 4.3 % enthält. Wird dieses Gemisch zu schnell abgekühlt, bleiben die Kohlenstoffatome innerhalb der α-Eisen-Phase verteilt. Dieser neue Feststoff, Martensit genannt, ist äußerst hart und spröde. Obwohl die Elementarzelle dieses Feststoffs (Martensit) leicht verzerrt ist, hat sie dieselbe Größe wie diejenige von α-Eisen (bcc).
Unter der Annahme, dass die Kohlenstoffatome gleichmäßig in der Eisenstruktur verteilt sind:
5.3 Berechnen Sie die durchschnittliche Anzahl der Kohlenstoffatome pro Elementarzelle des α-Eisens in Martensit mit einem Massenanteil von 4.3 % \(\ce{C}\).
5.4 Berechnen Sie die Dichte (angegeben in \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) dieses Materials.
Molare Massen und Konstanten:
\(M(\ce{Fe}) = 55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(M(\ce{C}) = 12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1: \(r=\boxed{1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm}}\).
- 5.2: \(\rho_\gamma=\boxed{8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\) bei 1250 K.
- 5.3: \(\boxed{0.42\text{ Kohlenstoffatome pro Elementarzelle im Durchschnitt}}\) (berechneter Wert \(0.4178\)).
- 5.4: \(\rho_{\mathrm{martensite}}=\boxed{8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
Lösung
5.1 Atomradius von Eisen
Es seien \(r\) der Atomradius von Eisen, \(a_\alpha\) die Kantenlänge der kubischen Elementarzelle von α-Eisen und \(\rho_\alpha\) dessen Dichte. \(M(\ce{Fe})\) ist die molare Masse von Eisen und \(N_{\mathrm A}\) die Avogadro-Konstante.
Bei 293 K hat Eisen eine bcc-Struktur. Seine konventionelle Elementarzelle enthält acht Eckatome, die jeweils zu acht Zellen gehören, und ein Atom, das sich vollständig innerhalb der Zelle befindet:
\[ \text{Anzahl der Eisenatome pro Zelle} =8\left(\frac18\right)+1=2. \]
Folglich gilt
\[ \rho_\alpha=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\alpha^3}, \]
also
\[ a_\alpha =\left[\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}\rho_\alpha}\right]^{1/3} =\left[ \frac{2(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}})} \right]^{1/3} =2.866561\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
In einem bcc-Gitter berühren sich die Atome entlang der Raumdiagonalen. Diese Diagonale hat die Länge \(\sqrt3\,a_\alpha\) und erstreckt sich über vier Atomradien:
\[ \sqrt3\,a_\alpha=4r. \]
Daher gilt
\[ \boxed{ r=\frac{\sqrt3}{4}a_\alpha =1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm} }. \]
5.2 Dichte bei 1250 K
Da \(1185<1250<1667\ \mathrm K\), liegt das Metall als γ-Eisen vor und hat eine fcc-Struktur. Es seien \(a_\gamma\) die Kantenlänge seiner Elementarzelle und \(\rho_\gamma\) seine Dichte.
Eine fcc-Elementarzelle enthält acht Eckatome und sechs Atome in den Flächenmitten, wobei jedes Atom in einer Flächenmitte zu zwei Zellen gehört:
\[ \text{Anzahl der Eisenatome pro Zelle} =8\left(\frac18\right)+6\left(\frac12\right)=4. \]
Die Atome berühren sich entlang einer Flächendiagonalen, sodass gilt
\[ \sqrt2\,a_\gamma=4r, \qquad a_\gamma=2\sqrt2\,r. \]
Bei Verwendung desselben Atomradius und unter Vernachlässigung der Wärmeausdehnung ergibt sich
\[ a_\gamma=3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Somit gilt
\[ \rho_\gamma =\frac{4M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\gamma^3} =\frac{4(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^3}, \]
\[ \boxed{\rho_\gamma=8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
5.3 Durchschnittliche Anzahl der Kohlenstoffatome pro Elementarzelle
Es seien \(x\) die durchschnittliche Anzahl der Kohlenstoffatome pro Martensit-Elementarzelle und \(w_{\mathrm C}=0.043\) der Kohlenstoff-Massenanteil.
Kohlenstoff besetzt Zwischengitterplätze, sodass die Zelle ihre beiden Eisenatome behält. Die durchschnittlichen Massen von Eisen und Kohlenstoff in der Zelle betragen daher
\[ m_{\mathrm{Fe}}=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}}, \qquad m_{\mathrm C}=\frac{xM(\ce{C})}{N_{\mathrm A}}. \]
Der Kohlenstoff-Massenanteil ist
\[ w_{\mathrm C} =\frac{m_{\mathrm C}}{m_{\mathrm{Fe}}+m_{\mathrm C}} =\frac{xM(\ce{C})}{2M(\ce{Fe})+xM(\ce{C})}. \]
Auflösen nach \(x\) ergibt
\[ x=\frac{2M(\ce{Fe})w_{\mathrm C}} {M(\ce{C})(1-w_{\mathrm C})} =\frac{2(55.847)(0.043)} {(12.011)(0.957)} =0.417837. \]
Damit ergibt sich
\[ \boxed{x\approx0.42\text{ Kohlenstoffatome pro Elementarzelle}}. \]
Dieser nicht ganzzahlige Wert ist ein Mittelwert über viele Zellen; einzelne Zellen enthalten ganzzahlige Anzahlen von Kohlenstoffatomen.
5.4 Dichte von Martensit
Die Aufgabenstellung gibt vor, dass das Volumen der Elementarzelle \(a_\alpha^3\) bleibt. Auch die Eisenmasse pro Zelle bleibt unverändert, während der Kohlenstoff zusätzliche Masse beiträgt.
Da Eisen den Massenanteil \(1-w_{\mathrm C}=0.957\) ausmacht, beträgt die Gesamtmasse der Zelle \(m_{\mathrm{Fe}}/(1-w_{\mathrm C})\). Daher gilt
\[ \rho_{\mathrm{martensite}} =\frac{m_{\mathrm{Fe}}}{(1-w_{\mathrm C})a_\alpha^3} =\frac{\rho_\alpha}{1-w_{\mathrm C}} =\frac{7.874}{0.957}\ \mathrm{g\,cm^{-3}} =8.227795\ \mathrm{g\,cm^{-3}}. \]
Somit gilt
\[ \boxed{\rho_{\mathrm{martensite}}=8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1997 · Teori sorusu 5
Demirin allotropları ve martenzitin yoğunluğu
Demir metali 1811 K'de erir. Oda sıcaklığı ile erime noktası arasında demir metali farklı allotropik veya kristal biçimlerde bulunabilir. Oda sıcaklığından 1185 K'ye kadar demir metalinin kristal yapısı, α-demir olarak bilinen hacim merkezli kübik (bcc) bir örgüdür. 1185 K ile 1667 K arasında yapı yüzey merkezli kübik (fcc) hâle gelir ve γ-demir olarak adlandırılır. 1667 K'nin üzerinde, erime noktasına kadar demir, α-demirinkine benzer bir bcc yapısına geri döner. Bu son faz δ-demir olarak adlandırılır.
Saf demir metalinin 293 K'deki yoğunluğunun \(7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) olduğu veriliyor:
5.1 Demirin atom yarıçapını (cm cinsinden) hesaplayınız.
5.2 1250 K'deki yoğunluğunu (\(\mathrm{g\,cm^{-3}}\) cinsinden) hesaplayınız.
Notlar: Metalin ısıl genleşmesinden kaynaklanan küçük etkileri ihmal ediniz.
Kullandığınız tüm sembolleri açıkça tanımlayınız; örneğin, \(r\) = \(\ce{Fe}\) atomunun yarıçapı.
Çelik, kristal örgünün (demir) bazı ara yer boşluklarının (“oyukların”) küçük atomlar (karbon) tarafından doldurulduğu bir demir ve karbon alaşımıdır. Karbon içeriği genellikle % 0.1 ile % 4.0 arasında değişir. Bir yüksek fırında, demir kütlece % 4.3 karbon içerdiğinde erimesi kolaylaşır. Bu karışım çok hızlı soğutulursa karbon atomları α-demir fazı içinde dağılmış olarak kalır. Martenzit olarak adlandırılan bu yeni katı son derece sert ve kırılgandır. Birim hücresi hafifçe çarpılmış olsa da bu katının (martenzitin) birim hücre boyutu α-demirinkiyle (bcc) aynıdır.
Karbon atomlarının demir yapısı içinde düzgün dağıldığını varsayarak:
5.3 Kütlece % 4.3 \(\ce{C}\) içeren martenzitte α-demirin birim hücresi başına ortalama karbon atomu sayısını hesaplayınız.
5.4 Bu malzemenin yoğunluğunu (\(\mathrm{g\,cm^{-3}}\) cinsinden) hesaplayınız.
Molar kütleler ve sabitler:
\(M(\ce{Fe}) = 55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(M(\ce{C}) = 12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1: \(r=\boxed{1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm}}\).
- 5.2: 1250 K'de \(\rho_\gamma=\boxed{8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
- 5.3: \(\boxed{0.42\text{ karbon atomu, birim hücre başına ortalama}}\) (hesaplanan değer \(0.4178\)).
- 5.4: \(\rho_{\mathrm{martensite}}=\boxed{8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
Çözüm
5.1 Demirin atom yarıçapı
\(r\) demirin atom yarıçapı, \(a_\alpha\) kübik α-demir birim hücresinin kenar uzunluğu ve \(\rho_\alpha\) yoğunluğu olsun. \(M(\ce{Fe})\) demirin molar kütlesi, \(N_{\mathrm A}\) ise Avogadro sabitidir.
293 K'de demir bcc yapısındadır. Geleneksel birim hücresinde, her biri sekiz hücre tarafından paylaşılan sekiz köşe atomu ve tamamen hücrenin içinde yer alan bir atom bulunur:
\[ \text{Hücre başına demir atomu sayısı} =8\left(\frac18\right)+1=2. \]
Dolayısıyla,
\[ \rho_\alpha=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\alpha^3}, \]
buradan
\[ a_\alpha =\left[\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}\rho_\alpha}\right]^{1/3} =\left[ \frac{2(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}})} \right]^{1/3} =2.866561\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Bir bcc örgüsünde atomlar cisim köşegeni boyunca birbirine temas eder. Bu köşegenin uzunluğu \(\sqrt3\,a_\alpha\) olup dört atom yarıçapına eşittir:
\[ \sqrt3\,a_\alpha=4r. \]
Böylece,
\[ \boxed{ r=\frac{\sqrt3}{4}a_\alpha =1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm} }. \]
5.2 1250 K'deki yoğunluk
\(1185<1250<1667\ \mathrm K\) olduğundan metal γ-demirdir ve fcc yapısındadır. \(a_\gamma\) birim hücresinin kenar uzunluğu, \(\rho_\gamma\) ise yoğunluğu olsun.
Bir fcc birim hücresi, sekiz köşe atomu ve her biri iki hücre tarafından paylaşılan altı yüzey merkezli atom içerir:
\[ \text{Hücre başına demir atomu sayısı} =8\left(\frac18\right)+6\left(\frac12\right)=4. \]
Atomlar bir yüzey köşegeni boyunca birbirine temas eder; buradan
\[ \sqrt2\,a_\gamma=4r, \qquad a_\gamma=2\sqrt2\,r. \]
Aynı atom yarıçapı kullanılıp ısıl genleşme ihmal edildiğinde,
\[ a_\gamma=3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Böylece,
\[ \rho_\gamma =\frac{4M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\gamma^3} =\frac{4(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^3}, \]
\[ \boxed{\rho_\gamma=8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
5.3 Birim hücre başına ortalama karbon atomu sayısı
\(x\) martenzitin birim hücresi başına ortalama karbon atomu sayısı ve \(w_{\mathrm C}=0.043\) karbonun kütle kesri olsun.
Karbon ara yerleri doldurduğundan hücre iki demir atomunu korur. Dolayısıyla hücrenin ortalama demir ve karbon kütleleri şöyledir:
\[ m_{\mathrm{Fe}}=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}}, \qquad m_{\mathrm C}=\frac{xM(\ce{C})}{N_{\mathrm A}}. \]
Karbonun kütle kesri şöyledir:
\[ w_{\mathrm C} =\frac{m_{\mathrm C}}{m_{\mathrm{Fe}}+m_{\mathrm C}} =\frac{xM(\ce{C})}{2M(\ce{Fe})+xM(\ce{C})}. \]
\(x\) için çözüldüğünde,
\[ x=\frac{2M(\ce{Fe})w_{\mathrm C}} {M(\ce{C})(1-w_{\mathrm C})} =\frac{2(55.847)(0.043)} {(12.011)(0.957)} =0.417837. \]
Buna göre,
\[ \boxed{x\approx0.42\text{ karbon atomu, birim hücre başına}}. \]
Bu kesirli değer, çok sayıda hücre üzerinden alınan bir ortalamadır; tek tek hücrelerdeki karbon atomlarının sayısı tam sayıdır.
5.4 Martenzitin yoğunluğu
Soruda birim hücre hacminin \(a_\alpha^3\) olarak kaldığı belirtilmektedir. Hücre başına demir kütlesi de değişmezken karbon ek kütle sağlar.
Demirin kütle kesri \(1-w_{\mathrm C}=0.957\) olduğundan toplam hücre kütlesi \(m_{\mathrm{Fe}}/(1-w_{\mathrm C})\) olur. Dolayısıyla,
\[ \rho_{\mathrm{martensite}} =\frac{m_{\mathrm{Fe}}}{(1-w_{\mathrm C})a_\alpha^3} =\frac{\rho_\alpha}{1-w_{\mathrm C}} =\frac{7.874}{0.957}\ \mathrm{g\,cm^{-3}} =8.227795\ \mathrm{g\,cm^{-3}}. \]
Böylece,
\[ \boxed{\rho_{\mathrm{martensite}}=8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1997 · Problema teórico 5
Alótropos del hierro y densidad de la martensita
El hierro metálico funde a 1811 K. Entre la temperatura ambiente y su punto de fusión, el hierro metálico puede existir en diferentes formas alotrópicas o cristalinas. Desde la temperatura ambiente hasta 1185 K, la estructura cristalina del hierro metálico es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc), conocida como hierro α. Desde 1185 K hasta 1667 K, la estructura pasa a ser cúbica centrada en las caras (fcc) y se denomina hierro γ. Por encima de 1667 K, y hasta su punto de fusión, el hierro vuelve a presentar una estructura bcc similar a la del hierro α. Esta última fase se denomina hierro δ.
Sabiendo que la densidad del hierro metálico puro es de \(7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) a 293 K:
5.1 Calcule el radio atómico del hierro (expresado en cm).
5.2 Calcule su densidad (expresada en \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) a 1250 K.
Notas: Ignore los pequeños efectos debidos a la dilatación térmica del metal.
Defina claramente todos los símbolos que utilice, por ejemplo, \(r\) = radio atómico del \(\ce{Fe}\).
El acero es una aleación de hierro y carbono en la que algunos de los espacios intersticiales («huecos») de la red cristalina (hierro) están ocupados por átomos pequeños (carbono). Su contenido de carbono suele variar entre el 0.1 % y el 4.0 %. En un alto horno, la fusión del hierro se facilita cuando contiene un 4.3 % de carbono en masa. Si esta mezcla se enfría demasiado rápido, los átomos de carbono permanecen dispersos en la fase de hierro α. Este nuevo sólido, denominado martensita, es extremadamente duro y frágil. Aunque está ligeramente distorsionada, la celda unidad de este sólido (martensita) tiene el mismo tamaño que la del hierro α (bcc).
Suponiendo que los átomos de carbono están distribuidos uniformemente en la estructura del hierro:
5.3 Calcule el número medio de átomos de carbono por celda unidad de hierro α en una martensita que contiene un 4.3 % de \(\ce{C}\) en masa.
5.4 Calcule la densidad (expresada en \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) de este material.
Masas molares y constantes:
\(M(\ce{Fe}) = 55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(M(\ce{C}) = 12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1: \(r=\boxed{1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm}}\).
- 5.2: \(\rho_\gamma=\boxed{8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\) a 1250 K.
- 5.3: \(\boxed{0.42\text{ átomos de carbono por celda unidad, en promedio}}\) (valor calculado \(0.4178\)).
- 5.4: \(\rho_{\mathrm{martensite}}=\boxed{8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
Solución
5.1 Radio atómico del hierro
Sean \(r\) el radio atómico del hierro, \(a_\alpha\) la longitud de la arista de la celda unidad cúbica del hierro α y \(\rho_\alpha\) su densidad. \(M(\ce{Fe})\) es la masa molar del hierro y \(N_{\mathrm A}\) es la constante de Avogadro.
A 293 K, el hierro tiene una estructura bcc. Su celda unidad convencional contiene ocho átomos en los vértices, cada uno compartido por ocho celdas, y un átomo situado por completo en el interior de la celda:
\[ \text{Número de átomos de hierro por celda} =8\left(\frac18\right)+1=2. \]
Por consiguiente,
\[ \rho_\alpha=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\alpha^3}, \]
por lo que
\[ a_\alpha =\left[\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}\rho_\alpha}\right]^{1/3} =\left[ \frac{2(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}})} \right]^{1/3} =2.866561\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
En una red bcc, los átomos se tocan a lo largo de la diagonal del cuerpo. Esta diagonal tiene una longitud de \(\sqrt3\,a_\alpha\) y abarca cuatro radios atómicos:
\[ \sqrt3\,a_\alpha=4r. \]
Por tanto,
\[ \boxed{ r=\frac{\sqrt3}{4}a_\alpha =1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm} }. \]
5.2 Densidad a 1250 K
Puesto que \(1185<1250<1667\ \mathrm K\), el metal es hierro γ y tiene una estructura fcc. Sean \(a_\gamma\) la longitud de la arista de su celda unidad y \(\rho_\gamma\) su densidad.
Una celda unidad fcc contiene ocho átomos en los vértices y seis átomos en los centros de las caras, cada uno de estos últimos compartido por dos celdas:
\[ \text{Número de átomos de hierro por celda} =8\left(\frac18\right)+6\left(\frac12\right)=4. \]
Los átomos se tocan a lo largo de la diagonal de una cara, lo que da
\[ \sqrt2\,a_\gamma=4r, \qquad a_\gamma=2\sqrt2\,r. \]
Utilizando el mismo radio atómico y despreciando la dilatación térmica,
\[ a_\gamma=3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Así,
\[ \rho_\gamma =\frac{4M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\gamma^3} =\frac{4(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^3}, \]
\[ \boxed{\rho_\gamma=8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
5.3 Número medio de átomos de carbono por celda unidad
Sean \(x\) el número medio de átomos de carbono por celda unidad de martensita y \(w_{\mathrm C}=0.043\) la fracción másica de carbono.
El carbono ocupa posiciones intersticiales, de modo que la celda conserva sus dos átomos de hierro. Por tanto, sus masas medias de hierro y carbono son
\[ m_{\mathrm{Fe}}=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}}, \qquad m_{\mathrm C}=\frac{xM(\ce{C})}{N_{\mathrm A}}. \]
La fracción másica de carbono es
\[ w_{\mathrm C} =\frac{m_{\mathrm C}}{m_{\mathrm{Fe}}+m_{\mathrm C}} =\frac{xM(\ce{C})}{2M(\ce{Fe})+xM(\ce{C})}. \]
Despejando \(x\),
\[ x=\frac{2M(\ce{Fe})w_{\mathrm C}} {M(\ce{C})(1-w_{\mathrm C})} =\frac{2(55.847)(0.043)} {(12.011)(0.957)} =0.417837. \]
Por tanto,
\[ \boxed{x\approx0.42\text{ átomos de carbono por celda unidad}}. \]
Este valor fraccionario es un promedio sobre muchas celdas; cada celda individual contiene un número entero de átomos de carbono.
5.4 Densidad de la martensita
El enunciado especifica que el volumen de la celda unidad sigue siendo \(a_\alpha^3\). La masa de hierro por celda tampoco cambia, mientras que el carbono añade masa.
Como el hierro representa la fracción másica \(1-w_{\mathrm C}=0.957\), la masa total de la celda es \(m_{\mathrm{Fe}}/(1-w_{\mathrm C})\). Por tanto,
\[ \rho_{\mathrm{martensite}} =\frac{m_{\mathrm{Fe}}}{(1-w_{\mathrm C})a_\alpha^3} =\frac{\rho_\alpha}{1-w_{\mathrm C}} =\frac{7.874}{0.957}\ \mathrm{g\,cm^{-3}} =8.227795\ \mathrm{g\,cm^{-3}}. \]
Así,
\[ \boxed{\rho_{\mathrm{martensite}}=8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1997 · 理论题 5
铁的同素异形体与马氏体的密度
金属铁的熔点为 1811 K。在室温至熔点之间,金属铁可以以不同的同素异形体或晶体形式存在。从室温至 1185 K,金属铁的晶体结构为体心立方(bcc)晶格,称为 α-铁。从 1185 K 至 1667 K,其结构变为面心立方(fcc),称为 γ-铁。在 1667 K 以上直至熔点,铁重新转变为与 α-铁类似的 bcc 结构。后一种相称为 δ-铁。
已知纯金属铁在 293 K 时的密度为 \(7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\):
5.1 计算铁的原子半径(以 cm 表示)。
5.2 计算铁在 1250 K 时的密度(以 \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\) 表示)。
注:忽略金属热膨胀所产生的微小影响。
请明确说明所用各符号的含义,例如 \(r\) = \(\ce{Fe}\) 的原子半径。
钢是铁与碳的合金,其中晶格(铁)的部分间隙(“空隙”)被小原子(碳)占据。其含碳量通常为 0.1 % 至 4.0 %。在高炉中,当铁的碳质量分数为 4.3 % 时,更易熔化。如果这种混合物冷却过快,碳原子会保持分散在 α-铁相中的状态。这种新的固体称为马氏体,极硬且脆。尽管其晶胞略有畸变,这种固体(马氏体)的晶胞大小仍与 α-铁(bcc)相同。
假设碳原子均匀分布在铁的结构中:
5.3 计算在 \(\ce{C}\) 的质量分数为 4.3 % 的马氏体中,每个 α-铁晶胞所含碳原子的平均数目。
5.4 计算这种材料的密度(以 \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\) 表示)。
摩尔质量及常数:
\(M(\ce{Fe}) = 55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(M(\ce{C}) = 12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1: \(r=\boxed{1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm}}\)。
- 5.2: 在 1250 K 时,\(\rho_\gamma=\boxed{8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\)。
- 5.3: \(\boxed{0.42\text{ 个碳原子每晶胞(平均)}}\)(计算值为 \(0.4178\))。
- 5.4: \(\rho_{\mathrm{martensite}}=\boxed{8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\)。
解答
5.1 铁的原子半径
设 \(r\) 为铁的原子半径,\(a_\alpha\) 为立方 α-铁晶胞的边长,\(\rho_\alpha\) 为其密度。\(M(\ce{Fe})\) 为铁的摩尔质量,\(N_{\mathrm A}\) 为阿伏伽德罗常数。
在 293 K 时,铁具有 bcc 结构。其常规晶胞包含八个顶角原子,每个顶角原子由八个晶胞共用,另有一个完全位于晶胞内部的原子:
\[ \text{每个晶胞中的铁原子数} =8\left(\frac18\right)+1=2. \]
因此,
\[ \rho_\alpha=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\alpha^3}, \]
所以
\[ a_\alpha =\left[\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}\rho_\alpha}\right]^{1/3} =\left[ \frac{2(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}})} \right]^{1/3} =2.866561\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
在 bcc 晶格中,原子沿体对角线相互接触。该对角线的长度为 \(\sqrt3\,a_\alpha\),相当于四个原子半径:
\[ \sqrt3\,a_\alpha=4r. \]
因此,
\[ \boxed{ r=\frac{\sqrt3}{4}a_\alpha =1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm} }. \]
5.2 在 1250 K 时的密度
由于 \(1185<1250<1667\ \mathrm K\),此时金属为 γ-铁,具有 fcc 结构。设 \(a_\gamma\) 为其晶胞边长,\(\rho_\gamma\) 为其密度。
一个 fcc 晶胞包含八个顶角原子和六个面心原子,每个面心原子由两个晶胞共用:
\[ \text{每个晶胞中的铁原子数} =8\left(\frac18\right)+6\left(\frac12\right)=4. \]
原子沿面对角线相互接触,因此有
\[ \sqrt2\,a_\gamma=4r, \qquad a_\gamma=2\sqrt2\,r. \]
采用相同的原子半径并忽略热膨胀,
\[ a_\gamma=3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
于是,
\[ \rho_\gamma =\frac{4M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\gamma^3} =\frac{4(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^3}, \]
\[ \boxed{\rho_\gamma=8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
5.3 每个晶胞中碳原子的平均数目
设 \(x\) 为每个马氏体晶胞中碳原子的平均数目,\(w_{\mathrm C}=0.043\) 为碳的质量分数。
碳占据间隙位置,因此每个晶胞仍含有两个铁原子。故每个晶胞中铁和碳的平均质量分别为
\[ m_{\mathrm{Fe}}=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}}, \qquad m_{\mathrm C}=\frac{xM(\ce{C})}{N_{\mathrm A}}. \]
碳的质量分数为
\[ w_{\mathrm C} =\frac{m_{\mathrm C}}{m_{\mathrm{Fe}}+m_{\mathrm C}} =\frac{xM(\ce{C})}{2M(\ce{Fe})+xM(\ce{C})}. \]
解出 \(x\),得
\[ x=\frac{2M(\ce{Fe})w_{\mathrm C}} {M(\ce{C})(1-w_{\mathrm C})} =\frac{2(55.847)(0.043)} {(12.011)(0.957)} =0.417837. \]
因此,
\[ \boxed{x\approx0.42\text{ 个碳原子每晶胞}}. \]
这一非整数值是对许多晶胞取平均所得的结果;单个晶胞所含的碳原子数为整数。
5.4 马氏体的密度
题目规定晶胞体积仍为 \(a_\alpha^3\)。每个晶胞中铁的质量也保持不变,而碳使晶胞的质量增加。
由于铁的质量分数为 \(1-w_{\mathrm C}=0.957\),晶胞的总质量为 \(m_{\mathrm{Fe}}/(1-w_{\mathrm C})\)。因此,
\[ \rho_{\mathrm{martensite}} =\frac{m_{\mathrm{Fe}}}{(1-w_{\mathrm C})a_\alpha^3} =\frac{\rho_\alpha}{1-w_{\mathrm C}} =\frac{7.874}{0.957}\ \mathrm{g\,cm^{-3}} =8.227795\ \mathrm{g\,cm^{-3}}. \]
于是,
\[ \boxed{\rho_{\mathrm{martensite}}=8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1997 · Теоретическая задача 5
Аллотропные модификации железа и плотность мартенсита
Металлическое железо плавится при 1811 K. В интервале от комнатной температуры до температуры плавления металлическое железо может существовать в различных аллотропных, или кристаллических, модификациях. От комнатной температуры до 1185 K металлическое железо имеет объёмноцентрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решётку; эта модификация называется α-железом. От 1185 K до 1667 K решётка становится гранецентрированной кубической (ГЦК), и эта модификация называется γ-железом. Выше 1667 K и вплоть до температуры плавления железо вновь приобретает ОЦК-структуру, аналогичную структуре α-железа. Эта последняя фаза называется δ-железом.
Известно, что плотность чистого металлического железа при 293 K составляет \(7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\):
5.1 Рассчитайте атомный радиус железа (в см).
5.2 Рассчитайте его плотность (в \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) при 1250 K.
Примечания: пренебрегайте небольшими эффектами, обусловленными тепловым расширением металла.
Чётко определите все используемые обозначения, например: \(r\) = атомный радиус \(\ce{Fe}\).
Сталь — это сплав железа и углерода, в котором часть междоузлий («пустот») кристаллической решётки железа занята небольшими атомами углерода. Содержание углерода в ней обычно составляет от 0.1 % до 4.0 %. В доменной печи плавление железа облегчается, если оно содержит 4.3 % углерода по массе. Если эту смесь охлаждать слишком быстро, атомы углерода остаются распределёнными внутри фазы α-железа. Это новое твёрдое вещество, называемое мартенситом, чрезвычайно твёрдое и хрупкое. Хотя элементарная ячейка этого твёрдого вещества (мартенсита) слегка искажена, её размер совпадает с размером элементарной ячейки α-железа (ОЦК).
Предполагая, что атомы углерода равномерно распределены в структуре железа:
5.3 Рассчитайте среднее число атомов углерода на элементарную ячейку α-железа в мартенсите, содержащем 4.3 % \(\ce{C}\) по массе.
5.4 Рассчитайте плотность (в \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) этого материала.
Молярные массы и постоянные:
\(M(\ce{Fe}) = 55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(M(\ce{C}) = 12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1: \(r=\boxed{1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm}}\).
- 5.2: \(\rho_\gamma=\boxed{8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\) при 1250 K.
- 5.3: \(\boxed{0.42\text{ атома углерода на элементарную ячейку в среднем}}\) (расчётное значение \(0.4178\)).
- 5.4: \(\rho_{\mathrm{martensite}}=\boxed{8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
Решение
5.1 Атомный радиус железа
Пусть \(r\) — атомный радиус железа, \(a_\alpha\) — длина ребра кубической элементарной ячейки α-железа, а \(\rho_\alpha\) — его плотность. \(M(\ce{Fe})\) — молярная масса железа, а \(N_{\mathrm A}\) — постоянная Авогадро.
При 293 K железо имеет ОЦК-структуру. Его обычная элементарная ячейка содержит восемь атомов в вершинах, каждый из которых принадлежит одновременно восьми ячейкам, и один атом, целиком находящийся внутри ячейки:
\[ \text{Число атомов железа в ячейке} =8\left(\frac18\right)+1=2. \]
Следовательно,
\[ \rho_\alpha=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\alpha^3}, \]
откуда
\[ a_\alpha =\left[\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}\rho_\alpha}\right]^{1/3} =\left[ \frac{2(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}})} \right]^{1/3} =2.866561\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
В ОЦК-решётке атомы соприкасаются вдоль пространственной диагонали. Длина этой диагонали равна \(\sqrt3\,a_\alpha\) и составляет четыре атомных радиуса:
\[ \sqrt3\,a_\alpha=4r. \]
Поэтому
\[ \boxed{ r=\frac{\sqrt3}{4}a_\alpha =1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm} }. \]
5.2 Плотность при 1250 K
Поскольку \(1185<1250<1667\ \mathrm K\), металл представляет собой γ-железо и имеет ГЦК-структуру. Пусть \(a_\gamma\) — длина ребра его элементарной ячейки, а \(\rho_\gamma\) — его плотность.
ГЦК-ячейка содержит восемь атомов в вершинах и шесть атомов в центрах граней, причём каждый атом в центре грани принадлежит одновременно двум ячейкам:
\[ \text{Число атомов железа в ячейке} =8\left(\frac18\right)+6\left(\frac12\right)=4. \]
Атомы соприкасаются вдоль диагонали грани, поэтому
\[ \sqrt2\,a_\gamma=4r, \qquad a_\gamma=2\sqrt2\,r. \]
Используя тот же атомный радиус и пренебрегая тепловым расширением, получаем
\[ a_\gamma=3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Таким образом,
\[ \rho_\gamma =\frac{4M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\gamma^3} =\frac{4(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^3}, \]
\[ \boxed{\rho_\gamma=8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
5.3 Среднее число атомов углерода на элементарную ячейку
Пусть \(x\) — среднее число атомов углерода на элементарную ячейку мартенсита, а \(w_{\mathrm C}=0.043\) — массовая доля углерода.
Углерод занимает междоузлия, поэтому в ячейке сохраняются два атома железа. Следовательно, средние массы железа и углерода в ней равны
\[ m_{\mathrm{Fe}}=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}}, \qquad m_{\mathrm C}=\frac{xM(\ce{C})}{N_{\mathrm A}}. \]
Массовая доля углерода составляет
\[ w_{\mathrm C} =\frac{m_{\mathrm C}}{m_{\mathrm{Fe}}+m_{\mathrm C}} =\frac{xM(\ce{C})}{2M(\ce{Fe})+xM(\ce{C})}. \]
Решая уравнение относительно \(x\), получаем
\[ x=\frac{2M(\ce{Fe})w_{\mathrm C}} {M(\ce{C})(1-w_{\mathrm C})} =\frac{2(55.847)(0.043)} {(12.011)(0.957)} =0.417837. \]
Следовательно,
\[ \boxed{x\approx0.42\text{ атома углерода на элементарную ячейку}}. \]
Это дробное значение является средним по многим ячейкам; отдельные ячейки содержат целое число атомов углерода.
5.4 Плотность мартенсита
В условии задачи указано, что объём элементарной ячейки остаётся равным \(a_\alpha^3\). Масса железа в ячейке также остаётся неизменной, а углерод увеличивает её массу.
Поскольку массовая доля железа равна \(1-w_{\mathrm C}=0.957\), полная масса ячейки составляет \(m_{\mathrm{Fe}}/(1-w_{\mathrm C})\). Поэтому
\[ \rho_{\mathrm{martensite}} =\frac{m_{\mathrm{Fe}}}{(1-w_{\mathrm C})a_\alpha^3} =\frac{\rho_\alpha}{1-w_{\mathrm C}} =\frac{7.874}{0.957}\ \mathrm{g\,cm^{-3}} =8.227795\ \mathrm{g\,cm^{-3}}. \]
Таким образом,
\[ \boxed{\rho_{\mathrm{martensite}}=8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1997 · مسألة نظرية 5
الأشكال التآصلية للحديد وكثافة المارتنسيت
ينصهر الحديد الفلزي عند 1811 K. وبين درجة حرارة الغرفة ودرجة انصهاره، يمكن أن يوجد الحديد الفلزي في أشكال تآصلية أو بلورية مختلفة. من درجة حرارة الغرفة إلى 1185 K، تكون البنية البلورية للحديد الفلزي شبكة مكعبة مركزية الجسم (bcc) تُعرف باسم الحديد α. ومن 1185 K إلى 1667 K، تصبح البنية مكعبة مركزية الوجوه (fcc)، ويُسمّى الحديد γ. وفوق 1667 K وحتى درجة انصهاره، يعود الحديد إلى بنية bcc مشابهة لبنية الحديد α. ويُسمّى هذا الطور الأخير الحديد δ.
علمًا بأن كثافة الحديد الفلزي النقي تساوي \(7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) عند 293 K:
5.1 احسب نصف القطر الذري للحديد (معبّرًا عنه بوحدة cm).
5.2 احسب كثافته (معبّرًا عنها بوحدة \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) عند 1250 K.
ملاحظات: أهمل التأثيرات الصغيرة الناتجة عن التمدد الحراري للفلز.
عرّف بوضوح أي رموز تستخدمها، مثلًا \(r\) = نصف القطر الذري لـ \(\ce{Fe}\).
الفولاذ سبيكة من الحديد والكربون تشغل فيها ذرات صغيرة (الكربون) بعض الفراغات البينية («الفجوات») في الشبكة البلورية (الحديد). ويتراوح محتواه من الكربون عادةً بين 0.1 % و4.0 %. في الفرن العالي، يسهل انصهار الحديد عندما يحتوي على 4.3 % من الكربون بالكتلة. وإذا بُرّد هذا المزيج بسرعة كبيرة جدًا، تبقى ذرات الكربون موزعة داخل طور الحديد α. ويُسمّى هذا الصلب الجديد المارتنسيت، وهو شديد الصلادة والهشاشة. وعلى الرغم من أن خلية الوحدة لهذا الصلب (المارتنسيت) مشوّهة قليلًا، فإن حجمها يساوي حجم خلية الوحدة للحديد α ذي البنية (bcc).
بافتراض أن ذرات الكربون موزعة بانتظام في بنية الحديد:
5.3 احسب متوسط عدد ذرات الكربون لكل خلية وحدة من الحديد α في المارتنسيت الذي يحتوي على 4.3 % من \(\ce{C}\) بالكتلة.
5.4 احسب كثافة هذه المادة (معبّرًا عنها بوحدة \(\mathrm{g\,cm^{-3}}\)).
الكتل المولية والثوابت:
\(M(\ce{Fe}) = 55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(M(\ce{C}) = 12.011\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1: \(r=\boxed{1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm}}\).
- 5.2: \(\rho_\gamma=\boxed{8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\) عند 1250 K.
- 5.3: \(\boxed{0.42\text{ ذرة كربون لكل خلية وحدة، في المتوسط}}\) (القيمة المحسوبة \(0.4178\)).
- 5.4: \(\rho_{\mathrm{martensite}}=\boxed{8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
الحل
5.1 نصف القطر الذري للحديد
ليكن \(r\) نصف القطر الذري للحديد، و\(a_\alpha\) طول حرف خلية الوحدة المكعبة للحديد α، و\(\rho_\alpha\) كثافته. وتمثّل \(M(\ce{Fe})\) الكتلة المولية للحديد، و\(N_{\mathrm A}\) ثابت أفوغادرو.
عند 293 K، تكون بنية الحديد من النوع bcc. وتحتوي خلية وحدته التقليدية على ثماني ذرات عند الرؤوس، تشترك في كل منها ثماني خلايا، وعلى ذرة واحدة تقع بالكامل داخل الخلية:
\[ \text{عدد ذرات الحديد في كل خلية} =8\left(\frac18\right)+1=2. \]
وبناءً على ذلك،
\[ \rho_\alpha=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\alpha^3}, \]
ومن ثم،
\[ a_\alpha =\left[\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}\rho_\alpha}\right]^{1/3} =\left[ \frac{2(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (7.874\ \mathrm{g\,cm^{-3}})} \right]^{1/3} =2.866561\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
في شبكة bcc، تتلامس الذرات على امتداد القطر الفراغي. ويبلغ طول هذا القطر \(\sqrt3\,a_\alpha\)، ويساوي أربعة أنصاف أقطار ذرية:
\[ \sqrt3\,a_\alpha=4r. \]
إذن،
\[ \boxed{ r=\frac{\sqrt3}{4}a_\alpha =1.241\times10^{-8}\ \mathrm{cm} }. \]
5.2 الكثافة عند 1250 K
بما أن \(1185<1250<1667\ \mathrm K\)، فإن الفلز هو الحديد γ وله بنية fcc. ليكن \(a_\gamma\) طول حرف خلية وحدته، و\(\rho_\gamma\) كثافته.
تحتوي خلية الوحدة من النوع fcc على ثماني ذرات عند الرؤوس وست ذرات في مراكز الوجوه، وتشترك خليتان في كل ذرة تقع في مركز وجه:
\[ \text{عدد ذرات الحديد في كل خلية} =8\left(\frac18\right)+6\left(\frac12\right)=4. \]
تتلامس الذرات على امتداد قطر أحد الوجوه، فنحصل على
\[ \sqrt2\,a_\gamma=4r, \qquad a_\gamma=2\sqrt2\,r. \]
باستخدام نصف القطر الذري نفسه وإهمال التمدد الحراري،
\[ a_\gamma=3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
وعليه،
\[ \rho_\gamma =\frac{4M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}a_\gamma^3} =\frac{4(55.847\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} {(6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) (3.510806\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^3}, \]
\[ \boxed{\rho_\gamma=8.572\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
5.3 متوسط عدد ذرات الكربون لكل خلية وحدة
ليكن \(x\) متوسط عدد ذرات الكربون لكل خلية وحدة من المارتنسيت، و\(w_{\mathrm C}=0.043\) الكسر الكتلي للكربون.
يشغل الكربون مواقع بينية، لذا تحتفظ الخلية بذرتَي الحديد فيها. ومن ثم فإن متوسطَي كتلتي الحديد والكربون فيها هما
\[ m_{\mathrm{Fe}}=\frac{2M(\ce{Fe})}{N_{\mathrm A}}, \qquad m_{\mathrm C}=\frac{xM(\ce{C})}{N_{\mathrm A}}. \]
الكسر الكتلي للكربون هو
\[ w_{\mathrm C} =\frac{m_{\mathrm C}}{m_{\mathrm{Fe}}+m_{\mathrm C}} =\frac{xM(\ce{C})}{2M(\ce{Fe})+xM(\ce{C})}. \]
بحل المعادلة لإيجاد \(x\)،
\[ x=\frac{2M(\ce{Fe})w_{\mathrm C}} {M(\ce{C})(1-w_{\mathrm C})} =\frac{2(55.847)(0.043)} {(12.011)(0.957)} =0.417837. \]
ومن ثم،
\[ \boxed{x\approx0.42\text{ ذرة كربون لكل خلية وحدة}}. \]
هذه القيمة الكسرية هي متوسط محسوب على عدد كبير من الخلايا؛ أما كل خلية على حدة فتحتوي على عدد صحيح من ذرات الكربون.
5.4 كثافة المارتنسيت
تنص المسألة على أن حجم خلية الوحدة يبقى \(a_\alpha^3\). وتبقى كتلة الحديد في كل خلية أيضًا دون تغيير، بينما يضيف الكربون كتلة.
لأن الحديد يمثّل الكسر الكتلي \(1-w_{\mathrm C}=0.957\)، فإن الكتلة الكلية للخلية هي \(m_{\mathrm{Fe}}/(1-w_{\mathrm C})\). لذلك،
\[ \rho_{\mathrm{martensite}} =\frac{m_{\mathrm{Fe}}}{(1-w_{\mathrm C})a_\alpha^3} =\frac{\rho_\alpha}{1-w_{\mathrm C}} =\frac{7.874}{0.957}\ \mathrm{g\,cm^{-3}} =8.227795\ \mathrm{g\,cm^{-3}}. \]
وعليه،
\[ \boxed{\rho_{\mathrm{martensite}}=8.23\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.