Gęstość jest ważną wielkością fizyczną dla każdego skupionego stanu materii. W tym artykule rozważymy pytanie, jaka jest gęstość metali, podamy tabelę tego parametru dla pierwiastków chemicznych i porozmawiamy o najgęstszym metalu na Ziemi.
O jakich cechach fizycznych mówimy?
Gęstość to wartość charakteryzująca ilość substancji w znanej objętości. Zgodnie z tą definicją można ją matematycznie obliczyć w następujący sposób:
ρ=m/V.
Oznacz tę wartość grecką literą ρ (ro).
Gęstość jest cechą uniwersalną, ponieważ można ją wykorzystać do porównywania różnych materiałów. Ten fakt można wykorzystać do ich identyfikacji, co według legendy uczynił grecki filozof Archimedes (potrafił stworzyć fałszywą złotą koronę, mierząc dla niej wartość ρ).
Ten parametr dla konkretnego materiału zależy od dwóch głównych czynników:
- z masy atomów i cząsteczek tworzących substancję;
- od średnich odległości międzyatomowych i międzycząsteczkowych.
Na przykład każdy z metali przejściowych (złoto, żelazo, wanad, wolfram) ma wyższą gęstość niż jakikolwiek materiał węglowy, ponieważ masa tego ostatniego atomu jest dziesięć razy mniejsza. Inny przykład. Grafit i diament to dwie struktury węglowe. Drugi jest gęstszy, ponieważ odległości międzyatomowe w jego sieci są mniejsze.
Gęstość metali
To największa grupa w układzie okresowym Mendelejewa. Metal to każda substancja, która ma wysoką przewodność cieplną i elektryczną, charakterystyczny połysk powierzchni po polerowaniu oraz zdolność do odkształcania plastycznego.
Taki pierwiastek chemiczny ma niską elektroujemność w porównaniu z takimi substancjami jak azot, tlen i węgiel. Fakt ten prowadzi do tego, że atomy metali w strukturach objętościowych tworzą ze sobą wiązanie metaliczne. Jest to elektryczne oddziaływanie między dodatnio naładowanymi zasadami jonowymi a ujemnym gazem elektronowym.
Atomy metali w przestrzeni są ułożone w uporządkowaną strukturę, którą nazywamy siecią krystaliczną. Istnieją tylko trzy typy:
- sześcienny;
- BCC (sześcienny wyśrodkowany na ciele);
- HCP (sześciokątne ciasno upakowane);
- FCC (sześcienny skupiony na twarzy).
Gęstość metali jest wielkością fizyczną zależną od rodzaju sieci krystalicznej. Poniżej znajduje się tabela tego parametru dla wszystkich pierwiastków chemicznych w g / cm3, które w normalnych warunkach są wpółprzewodnikowy.
Z tabeli wynika, że gęstość metali jest wartością, która zmienia się w szerokim zakresie. Najsłabszy jest więc lit, który przy tych samych objętościach jest dwa razy lżejszy od wody. Gęstość rzadkiego metalu osmu jest najwyższa w przyrodzie. Jest to 22,59 g/cm3.
Jak znaleźć wartość?
Gęstość metali jest cechą, którą można zdefiniować na dwa zasadniczo różne sposoby:
- eksperymentalne;
- teoretyczny.
Metody eksperymentalne są następujące:
- Bezpośrednie pomiary masy i objętości ciała. To ostatnie jest łatwe do obliczenia, jeśli znane są parametry geometryczne ciała, a jego kształt jest idealny, na przykład pryzmat, piramida lub kula.
- Pomiary hydrostatyczne. W tym przypadku stosuje się specjalne wagi, wynalezione przez Galileusza w XVI wieku. Zasada ich działania jest dość prosta: najpierw waży się ciało o nieznanej gęstości w powietrzu, a następnie w cieczy (wody). Następnie wymagana wartość jest obliczana za pomocą prostego wzoru.
Jeśli chodzi o teoretyczną metodę wyznaczania gęstości metali, jest to dość prosta metoda, która wymaga znajomości rodzaju sieci krystalicznej, odległości międzyatomowej w niej oraz masy atomu. Następnie na przykładzie osmu pokażemy, jak ta metoda jest wykorzystywana.
Gęstość rzadkiego metalu osmu
Onznaleźć w śladowych ilościach na naszej planecie. Najczęściej występuje w postaci stopów z irydem i platyną, a także w postaci tlenków. Osm ma sieć hcp o parametrach a=2,7343 i c=4,32 angstremów. Średnia masa jednego atomu to m=190,23 amu
Powyższe liczby wystarczą do określenia wartości ρ. Aby to zrobić, użyj oryginalnego wzoru na gęstość i weź pod uwagę, że jeden sześciokątny pryzmat zawiera sześć atomów. W rezultacie dochodzimy do działającej formuły:
ρ=4m/(√3a2c).
Zastępując powyższe liczby i biorąc pod uwagę ich wymiary, otrzymujemy wynik: ρ=22 579 kg/m3.
Tak więc gęstość rzadkiego metalu wynosi 22,58 g/cm3, co jest równe wartości zmierzonej eksperymentalnie w tabeli.
