Metale to pierwiastki chemiczne, które tworzą większość układu okresowego pierwiastków D. I. Mendelejewa. W tym artykule rozważymy tak ważną właściwość fizyczną, jak gęstość, a także podamy tabelę gęstości metali w kg / m3.
Gęstość materii
Zanim zajmiemy się gęstością metali w kg/m3, zapoznajmy się z samą wielkością fizyczną. Gęstość to stosunek masy ciała m do jego objętości V w przestrzeni, który matematycznie można zapisać w następujący sposób:
ρ=m / V
Badana wartość jest zwykle oznaczana literą greckiego alfabetu ρ (ro).
Jeżeli różne części ciała mają różne masy, to za pomocą zapisanego wzoru można określić średnią gęstość. W takim przypadku gęstość lokalna może znacznie różnić się od średniej.
Jak widać ze wzoru, wartość ρ jest wyrażona w kg/m3w układzie SI. Charakteryzuje ilość substancji, która jest umieszczona w jednostce jej objętości. Ta cecha w wielu przypadkach jest znakiem rozpoznawczym substancji. Tak więc dla różnych metali gęstość w kg / m3jest inny, co pozwala na ich identyfikację.
Metale i ich gęstość
Materiały metaliczne są ciałami stałymi w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym (jedynym wyjątkiem jest rtęć). Charakteryzują się wysoką plastycznością, przewodnością elektryczną i cieplną oraz charakterystycznym połyskiem w wypolerowanym stanie powierzchni. Wiele właściwości metali jest związanych z obecnością uporządkowanej sieci krystalicznej, w której w węzłach znajdują się dodatnie rdzenie jonowe, połączone ze sobą za pomocą ujemnego gazu elektronowego.
Gęstość metali jest bardzo zróżnicowana. Tak więc najmniej gęste są metale alkaliczne lekkie, takie jak lit, potas czy sód. Na przykład gęstość litu wynosi 534 kg/m3, czyli prawie połowę gęstości wody. Oznacza to, że płytki litowe, potasowe i sodowe nie toną w wodzie. Z drugiej strony metale przejściowe, takie jak ren, osm, iryd, platyna i złoto, mają ogromną gęstość, która jest 20 lub więcej razy większa od ρ wody.
Poniższa tabela przedstawia gęstość metali. Wszystkie wartości odnoszą się do temperatury pokojowej w g/cm3. Jeśli te wartości pomnożymy przez 1000, to otrzymamy ρ w kg/m3.
Dlaczego istnieją metale o wysokiej gęstości i metale o niskiej gęstości? Faktem jest, że wartość ρ dla każdego konkretnego przypadku jest określona przez dwa główneczynniki:
- Cecha sieci krystalicznej metalu. Jeśli ta sieć zawiera atomy w najgęstszym upakowaniu, to jej gęstość makroskopowa będzie wyższa. Kraty FCC i hcp mają najgęstsze upakowanie.
- Własności fizyczne atomu metalu. Im większa jest jego masa i im mniejszy promień, tym wyższa wartość ρ. Ten czynnik wyjaśnia, dlaczego metale o dużej gęstości są pierwiastkami chemicznymi o dużej liczbie w układzie okresowym.
Eksperymentalne wyznaczanie gęstości
Przypuśćmy, że mamy kawałek nieznanego metalu. Jak możesz określić jego gęstość? Przypominając wzór na ρ, dochodzimy do odpowiedzi na zadane pytanie. Aby określić gęstość metalu, wystarczy zważyć go na dowolnej wadze i zmierzyć objętość. Następnie pierwszą wartość należy podzielić przez drugą, pamiętając o używaniu poprawnych jednostek.
Jeżeli kształt geometryczny ciała jest skomplikowany, nie będzie łatwo zmierzyć jego objętość. W takich przypadkach można skorzystać z prawa Archimedesa, ponieważ objętość wypartej cieczy po zanurzeniu ciała będzie dokładnie równa objętości zmierzonej.
Metoda ciężarków hydrostatycznych, wynaleziona pod koniec XVI wieku przez Galileusza, również opiera się na wykorzystaniu prawa Archimedesa. Istotą metody jest pomiar masy ciała w powietrzu, a następnie w cieczy. Jeśli pierwsza wartość jest oznaczona przez P0, a druga przez P1, to gęstość metalu w kg/m3 jest obliczana w następujący sposób formuła:
ρ=P0 ρl / (P0 - P 1)
Gdzie ρl to gęstość cieczy.
Teoretyczna definicja gęstości
W powyższej tabeli gęstości pierwiastków chemicznych metale, dla których podana jest gęstość teoretyczna, zaznaczono kolorem czerwonym. Pierwiastki te są radioaktywne i zostały uzyskane sztucznie w niewielkich ilościach. Czynniki te utrudniają dokładny pomiar ich gęstości. Jednak wartość ρ można z powodzeniem obliczyć.
Metoda teoretycznego wyznaczania gęstości jest dość prosta. Aby to zrobić, musisz znać masę jednego atomu, liczbę atomów w elementarnej sieci krystalicznej oraz rodzaj tej sieci.
Weźmy na przykład obliczenia dla żelaza. Jego atom ma masę 55,847 amu. Żelazo w warunkach pokojowych ma siatkę bcc o parametrze 2,866 angstremów. Ponieważ na elementarną kostkę bcc są dwa atomy, otrzymujemy:
ρ=255, 8471, 6610-27 / (2, 8663 10 -30)=7,876 kg/m3
Jeśli porównamy tę wartość z pierwszą w tabeli, zobaczymy, że różnią się one tylko trzecim miejscem po przecinku.
