令和5年度 I-4-3

解説

この問題で問われていること

常温での固体の純鉄(α-Fe)の結晶構造(ア)、示す磁性の種類(イ)、同じ磁性を常温で示す金属(ウ)、加熱によりγ-Feへ相変態する際に伴う体積変化(エ)を問う問題。

解き方

① 常温の鉄(α-Fe)=体心立方・強磁性。常温で強磁性の金属=鉄・コバルト・ニッケル。加熱で面心立方(γ-Fe)になると、より密に詰まるので体積は収縮する
② ア=体心立方・イ=強磁性で①③。エ=収縮
③ ③

正解が正しい理由

常温での純鉄(α-Fe)は体心立方構造を取り、強磁性を示す。常温で強磁性を示す代表的な金属として、鉄のほかにコバルトやニッケルが知られている(クロムは強磁性ではない)。純鉄を加熱してγ-Fe(面心立方構造)へ相変態すると、面心立方構造は体心立方構造より原子の充填率が高い(密に詰まる)ため、体積は収縮する。したがってア=体心立方、イ=強磁性、ウ=コバルト、エ=収縮の組合せである③が正しい。

各選択肢について

• ① エが「膨張」となっている点が誤り。体心立方構造(α-Fe)から充填率の高い面心立方構造(γ-Fe)へ相変態する際には、体積は膨張ではなく収縮する。
• ② アが「面心立方」、ウが「クロム」となっている点が誤り。常温のα-Feは体心立方構造であり、また常温で強磁性を示す金属はクロムではなくコバルトなどである。
• ③ ア=体心立方(α-Feの結晶構造)、イ=強磁性(α-Feが示す磁性)、ウ=コバルト(常温で強磁性を示す他の金属)、エ=収縮(γ-Feへの相変態に伴う体積変化)の組合せが、鉄の物性と一致しており、これが正答。
• ④ アが「面心立方」、イが「常磁性」となっている点が誤り。α-Feは体心立方構造であり、常温で強磁性を示す(常磁性ではない)。
• ⑤ イが「常磁性」、エが「膨張」となっている点が誤り。α-Feは常温で強磁性を示し、γ-Feへの相変態では体積は収縮する。

覚えるべきポイント

常温の純鉄(α-Fe)は体心立方構造で強磁性を示し、加熱するとγ-Fe(面心立方構造、充填率が高い)に相変態して体積が収縮するという性質は、鉄鋼の熱処理を理解する上での基礎知識である。常温で強磁性を示す金属は鉄・コバルト・ニッケルの3つが代表的である点も覚えておく。