Κάθε μαθητής που είναι εξοικειωμένος με τον περιοδικό πίνακα γνωρίζει ότι η ποσότητα των μετάλλων σε αυτόν αποτελεί τα περισσότερα από τα χημικά στοιχεία. Ένα από τα σημαντικά φυσικά χαρακτηριστικά για αυτά είναι η πυκνότητα. Εξετάστε αυτήν την τιμή στο άρθρο και δώστε έναν πίνακα με την πυκνότητα των μετάλλων και των κραμάτων.
Τι είναι η πυκνότητα
Αν πάρετε τους ίδιους όγκους πλαστικού και χάλυβα, τότε το πρώτο θα είναι πολύ πιο εύκολο από το δεύτερο. Αντίθετα, ένα κομμάτι πλαστικό θα έχει ακριβώς το ίδιο βάρος με ένα κομμάτι χάλυβα εάν είναι πολύ μεγαλύτερο σε όγκο. Ο λόγος για αυτές τις διαφορές είναι μια τέτοια φυσική ποσότητα όπως η πυκνότητα. Ο τύπος για τον υπολογισμό του είναι ο εξής:
ρ=m/V.
Εδώ m είναι η μάζα του σώματος, V είναι ο όγκος του. Το ελληνικό γράμμα ρ (rho) χρησιμοποιείται συχνά για να δηλώσει την πυκνότητα. Από τον τύπο προκύπτει ότι οι μονάδες μέτρησης στο SI είναι χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο (kg/m3). Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν μη συστημικές μονάδες, όπως g/cm3 ή g/l (για υγρά).
Τι είναι τα μέταλλα
Πριν δώσουμε έναν πίνακα με την πυκνότητα των μετάλλων, ας εξηγήσουμε για ποια ουσία μιλάμε. Τα μεταλλικά υλικά διαφέρουν από τα μη μέταλλα σε υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και ολκιμότητα. Αυτά είναι τα κύρια διακριτικά τους χαρακτηριστικά. Υπάρχουν επίσης δευτερεύουσες ιδιότητες, όπως η χαρακτηριστική μεταλλική λάμψη, η ελατότητα και η χαμηλή ηλεκτραρνητικότητα για τα άτομά τους.
Όλα τα μέταλλα υπό κανονικές συνθήκες υπάρχουν σε στερεή μορφή. Η μόνη εξαίρεση είναι ο υδράργυρος, για τον οποίο η θερμοκρασία κρυστάλλωσης είναι -39oC. Το στερεό μέταλλο υπάρχει με τη μορφή κρυσταλλικού πλέγματος. Το τελευταίο είναι μια συλλογή ατόμων που είναι οργανωμένα στο διάστημα με έναν συγκεκριμένο γεωμετρικό τρόπο. Οποιοδήποτε καθαρό (ενός συστατικού) μεταλλικό υλικό υπάρχει σε έναν από τους τρεις τύπους κρυσταλλικών δικτυωμάτων υπό δεδομένες συνθήκες. Αυτά είναι τα ακόλουθα πλέγματα:
- Κυβικό στο κέντρο προσώπου (FCC).
- Κυβικό με κέντρο σώματος (BCC).
- Εξαγωνικό κλειστό (hcp).
Αν οι συνθήκες (θερμοκρασία, πίεση) αλλάξουν, τότε το μέταλλο μπορεί να μεταβεί από τη μια κρυσταλλική κατάσταση στην άλλη. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι η μετάβαση του bcc σιδήρου σε fcc όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από 1392oC ή όταν ανεβαίνει πάνω από 911oC.
Πίνακας πυκνότητας μετάλλων
Η πυκνότητα των μετάλλων καθορίζεται από δύο κύριους παράγοντες:
- Ο τύπος του κρυσταλλικού πλέγματος και οι διατομικές αποστάσεις σε αυτό.
- Η μάζα ενός ατόμουχημικό στοιχείο.
Πίνακας πυκνότητας μετάλλων και άλλων στοιχείων δίνεται παρακάτω.
Ακολουθούν αριθμοί σε g/cm3. Για να εκφραστεί ο πίνακας πυκνότητας μετάλλων σε kg / m3, είναι απαραίτητο να πολλαπλασιάσουμε την αντίστοιχη τιμή επί 1000. Ο πίνακας δείχνει ότι τα μέταλλα έχουν πολύ διαφορετικές πυκνότητες. Μπορεί να είναι ελαφρύτερα από το νερό (νάτριο, λίθιο, κάλιο) ή πολύ βαριά (ιρίδιο, όσμιο, πλατίνα, χρυσός).
Πυκνότητα κραμάτων
Τα κράματα είναι ουσίες πολλαπλών συστατικών, για παράδειγμα, ο χάλυβας είναι ένα κράμα σιδήρου και άνθρακα. Η κρυσταλλική δομή των κραμάτων είναι πιο περίπλοκη από ό,τι για τα καθαρά μέταλλα. Για τον χάλυβα, ο οποίος αποτελείται από άτομα σιδήρου και άνθρακα, υπάρχουν πολλές δυνατότητες για την αμοιβαία διευθέτησή τους (στερεό διάλυμα άνθρακα σε σίδηρο bcc ή fcc, σχηματισμός ειδικής φάσης - τσιμεντίτης, σχηματισμός εγκλεισμάτων γραφίτη και ορισμένες άλλες).
Όσον αφορά την πυκνότητα των κραμάτων, σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο απλό τύπο:
ρ=∑imi/∑iV i.
Όπου i είναι ο αριθμός του συστατικού στο κράμα. Εάν αυτή η έκφραση εφαρμόζεται σε ένα κράμα δύο συστατικών, τότε μπορεί να ληφθεί ο ακόλουθος τύπος:
ρ=ρ1ρ2/(ρ1+x(ρ2-ρ1)).
Όπου ρ1 και ρ2 είναι οι πυκνότητες των αντίστοιχων συστατικών, x είναι το κλάσμα μάζας του πρώτου συστατικού στο κράμα. Ορίζεταιοπότε:
x=m1/(m1+ m2).
Ο πίνακας πυκνότητας ορισμένων κραμάτων σε τόνους ανά κυβικό μέτρο δίνεται παρακάτω.
Δεδομένου ότι κάθε κράμα περιέχει κυρίως ένα συστατικό (χάλυβας - σίδηρος, μπρούντζος - χαλκός, νικέλιο - νικέλιο κ.λπ.), δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι πυκνότητες τους είναι κοντά σε αυτές των καθαρών μετάλλων.
