Η πυκνότητα είναι μια σημαντική φυσική ποσότητα για οποιαδήποτε αθροιστική κατάσταση της ύλης. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε το ερώτημα ποια είναι η πυκνότητα των μετάλλων, θα δώσουμε έναν πίνακα αυτής της παραμέτρου για τα χημικά στοιχεία και θα μιλήσουμε για το πιο πυκνό μέταλλο στη Γη.
Για ποιο φυσικό χαρακτηριστικό μιλάμε;
Πυκνότητα είναι μια τιμή που χαρακτηρίζει την ποσότητα μιας ουσίας σε έναν γνωστό όγκο. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, μπορεί να υπολογιστεί μαθηματικά ως εξής:
ρ=m/V.
Ορίστε αυτήν την τιμή με το ελληνικό γράμμα ρ (ro).
Η πυκνότητα είναι ένα καθολικό χαρακτηριστικό γιατί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση διαφορετικών υλικών. Αυτό το γεγονός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίησή τους, κάτι που έκανε ο Έλληνας φιλόσοφος Αρχιμήδης, σύμφωνα με το μύθο (μπόρεσε να δημιουργήσει ένα ψεύτικο χρυσό στέμμα μετρώντας την τιμή του ρ για αυτό).
Αυτή η παράμετρος για ένα συγκεκριμένο υλικό εξαρτάται από δύο κύριους παράγοντες:
- από τη μάζα των ατόμων και των μορίων που αποτελούν την ουσία,
- από μέσες διατομικές και διαμοριακές αποστάσεις.
Για παράδειγμα, οποιοδήποτε από τα μέταλλα μετάπτωσης (χρυσός, σίδηρος, βανάδιο, βολφράμιο) έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από οποιοδήποτε υλικό άνθρακα, αφού η μάζα του τελευταίου ατόμου είναι δέκα φορές μικρότερη. Ενα άλλο παράδειγμα. Ο γραφίτης και το διαμάντι είναι δύο δομές άνθρακα. Το δεύτερο είναι πιο πυκνό, αφού οι διατομικές αποστάσεις στο πλέγμα του είναι μικρότερες.
Πυκνότητα μετάλλων
Αυτή είναι η μεγαλύτερη ομάδα στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev. Μέταλλο είναι κάθε ουσία που έχει υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, χαρακτηριστική επιφανειακή λάμψη όταν γυαλίζεται και την ικανότητα να υφίσταται πλαστική παραμόρφωση.
Ένα τέτοιο χημικό στοιχείο έχει χαμηλή ηλεκτραρνητικότητα σε σύγκριση με ουσίες όπως το άζωτο, το οξυγόνο και ο άνθρακας. Αυτό το γεγονός οδηγεί στο γεγονός ότι τα άτομα μετάλλων σε δομές όγκου σχηματίζουν έναν μεταλλικό δεσμό μεταξύ τους. Είναι μια ηλεκτρική αλληλεπίδραση μεταξύ θετικά φορτισμένων ιοντικών βάσεων και ενός αρνητικού αερίου ηλεκτρονίου.
Τα άτομα μετάλλου στο διάστημα είναι διατεταγμένα με τη μορφή μιας διατεταγμένης δομής, η οποία ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα. Υπάρχουν μόνο τρεις τύποι:
- κυβικά;
- BCC (κυβικό κέντρο στο σώμα);
- HCP (εξαγωνικό κλειστό);
- FCC (μετοκεντρικά κυβικά).
Η πυκνότητα των μετάλλων είναι μια φυσική ποσότητα που εξαρτάται από τον τύπο του κρυσταλλικού πλέγματος. Παρακάτω είναι ένας πίνακας αυτής της παραμέτρου για όλα τα χημικά στοιχεία σε g / cm3, τα οποία υπό κανονικές συνθήκες βρίσκονται σεστερεά κατάσταση.
Από τον πίνακα προκύπτει ότι η πυκνότητα των μετάλλων είναι μια τιμή που ποικίλλει σε μεγάλο εύρος. Έτσι, το πιο αδύναμο είναι το λίθιο, το οποίο, με τους ίδιους όγκους, είναι δύο φορές ελαφρύτερο από το νερό. Η πυκνότητα του σπάνιου μετάλλου οσμίου είναι η υψηλότερη στη φύση. Είναι 22,59 g/cm3.
Πώς βρίσκετε την τιμή;
Η πυκνότητα των μετάλλων είναι ένα χαρακτηριστικό που μπορεί να οριστεί με δύο θεμελιωδώς διαφορετικούς τρόπους:
- πειραματικό;
- θεωρητικό.
Οι πειραματικές μέθοδοι είναι οι εξής:
- Άμεσες μετρήσεις σωματικού βάρους και όγκου. Το τελευταίο είναι εύκολο να υπολογιστεί εάν οι γεωμετρικές παράμετροι του σώματος είναι γνωστές και το σχήμα του είναι ιδανικό, για παράδειγμα, ένα πρίσμα, μια πυραμίδα ή μια μπάλα.
- Υδροστατικές μετρήσεις. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιούνται ειδικές ζυγαριές, που εφευρέθηκε από τον Γαλιλαίο τον 16ο αιώνα. Η αρχή της λειτουργίας τους είναι αρκετά απλή: πρώτα, ένα σώμα άγνωστης πυκνότητας ζυγίζεται στον αέρα και στη συνέχεια σε ένα υγρό (νερό). Μετά από αυτό, η απαιτούμενη τιμή υπολογίζεται χρησιμοποιώντας έναν απλό τύπο.
Όσον αφορά τη θεωρητική μέθοδο για τον προσδιορισμό της πυκνότητας των μετάλλων, αυτή είναι μια αρκετά απλή μέθοδος που απαιτεί γνώση του τύπου του κρυσταλλικού πλέγματος, της διατομικής απόστασης σε αυτό και της μάζας του ατόμου. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του οσμίου, θα δείξουμε πώς χρησιμοποιείται αυτή η μέθοδος.
Πυκνότητα του σπάνιου μετάλλου οσμίου
Αυτόςβρίσκονται σε ίχνη στον πλανήτη μας. Τις περισσότερες φορές βρίσκεται με τη μορφή κραμάτων με ιρίδιο και πλατίνα, καθώς και με τη μορφή οξειδίων. Το όσμιο έχει ένα πλέγμα hcp με παραμέτρους a=2,7343 και c=4,32 angstroms. Η μέση μάζα ενός ατόμου είναι m=190,23 amu
Οι παραπάνω αριθμοί είναι αρκετοί για να καθορίσουν την τιμή του ρ. Για να το κάνετε αυτό, χρησιμοποιήστε τον αρχικό τύπο για την πυκνότητα και λάβετε υπόψη ότι ένα εξαγωνικό πρίσμα περιέχει έξι άτομα. Ως αποτέλεσμα, φτάνουμε στον τύπο εργασίας:
ρ=4m/(√3a2γ).
Αντικαθιστώντας τους αριθμούς που γράφτηκαν παραπάνω και λαμβάνοντας υπόψη τις διαστάσεις τους, καταλήγουμε στο αποτέλεσμα: ρ=22 579 kg/m3.
Έτσι, η πυκνότητα ενός σπάνιου μετάλλου είναι 22,58 g/cm3, η οποία είναι ίση με την πειραματικά μετρημένη τιμή του πίνακα.
