Τα μέταλλα είναι χημικά στοιχεία που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του περιοδικού πίνακα του D. I. Mendeleev. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε μια τόσο σημαντική φυσική ιδιότητα όπως η πυκνότητα και θα δώσουμε επίσης έναν πίνακα της πυκνότητας των μετάλλων σε kg / m3.
Πυκνότητα ύλης
Πριν ασχοληθούμε με την πυκνότητα των μετάλλων σε kg/m3, ας εξοικειωθούμε με την ίδια τη φυσική ποσότητα. Πυκνότητα είναι ο λόγος της μάζας σώματος m προς τον όγκο του V στο διάστημα, ο οποίος μπορεί να γραφτεί μαθηματικά ως εξής:
ρ=m / V
Η υπό μελέτη τιμή συνήθως υποδηλώνεται με το γράμμα του ελληνικού αλφαβήτου ρ (ro).
Εάν διαφορετικά μέρη του σώματος έχουν διαφορετικές μάζες, τότε χρησιμοποιώντας τον γραπτό τύπο, μπορείτε να προσδιορίσετε τη μέση πυκνότητα. Σε αυτήν την περίπτωση, η τοπική πυκνότητα μπορεί να διαφέρει σημαντικά από τον μέσο όρο.
Όπως μπορείτε να δείτε από τον τύπο, η τιμή του ρ εκφράζεται σε kg/m3στο σύστημα SI. Χαρακτηρίζει την ποσότητα μιας ουσίας που τοποθετείται σε μονάδα του όγκου της. Αυτό το χαρακτηριστικό σε πολλές περιπτώσεις είναι το χαρακτηριστικό των ουσιών. Έτσι, για διαφορετικά μέταλλα, η πυκνότητα σε kg / m3είναι διαφορετικό, επιτρέποντάς τους να αναγνωρίζονται.
Μέταλλα και η πυκνότητά τους
Τα μεταλλικά υλικά είναι στερεά σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση (ο υδράργυρος είναι η μόνη εξαίρεση). Έχουν υψηλή πλαστικότητα, ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα και έχουν χαρακτηριστική λάμψη στη στιλβωμένη κατάσταση της επιφάνειας. Πολλές ιδιότητες των μετάλλων συνδέονται με την παρουσία ενός διατεταγμένου κρυσταλλικού πλέγματος στο οποίο θετικοί ιοντικοί πυρήνες βρίσκονται στους κόμβους, συνδεδεμένοι μεταξύ τους μέσω ενός αρνητικού αερίου ηλεκτρονίου.
Όσον αφορά την πυκνότητα των μετάλλων, ποικίλλει πολύ. Έτσι, τα λιγότερο πυκνά είναι τα αλκαλικά ελαφρά μέταλλα, όπως το λίθιο, το κάλιο ή το νάτριο. Για παράδειγμα, η πυκνότητα του λιθίου είναι 534 kg/m3, η οποία είναι σχεδόν η μισή από αυτή του νερού. Αυτό σημαίνει ότι οι πλάκες λιθίου, καλίου και νατρίου δεν θα βυθιστούν στο νερό. Από την άλλη πλευρά, τα μέταλλα μετάπτωσης όπως το ρήνιο, το όσμιο, το ιρίδιο, η πλατίνα και ο χρυσός έχουν τεράστια πυκνότητα, η οποία είναι 20 ή περισσότερες φορές μεγαλύτερη από το ρ του νερού.
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει την πυκνότητα των μετάλλων. Όλες οι τιμές αναφέρονται στη θερμοκρασία δωματίου σε g/cm3. Εάν αυτές οι τιμές πολλαπλασιαστούν επί 1.000, τότε λαμβάνουμε ρ σε kg/m3.
Γιατί υπάρχουν μέταλλα υψηλής πυκνότητας και μέταλλα χαμηλής πυκνότητας; Το γεγονός είναι ότι η τιμή του ρ για κάθε συγκεκριμένη περίπτωση καθορίζεται από δύο κύριαπαράγοντες:
- Χαρακτηριστικό του κρυσταλλικού πλέγματος του μετάλλου. Εάν αυτό το πλέγμα περιέχει άτομα στην πιο πυκνή συσκευασία, τότε η μακροσκοπική του πυκνότητα θα είναι μεγαλύτερη. Τα πλέγματα FCC και hcp έχουν την πιο πυκνή συσκευασία.
- Φυσικές ιδιότητες του ατόμου μετάλλου. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του και όσο μικρότερη είναι η ακτίνα, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του ρ. Αυτός ο παράγοντας εξηγεί γιατί τα μέταλλα υψηλής πυκνότητας είναι χημικά στοιχεία με υψηλό αριθμό στον περιοδικό πίνακα.
Πειραματικός προσδιορισμός πυκνότητας
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα κομμάτι άγνωστου μετάλλου. Πώς μπορείτε να προσδιορίσετε την πυκνότητά του; Ανακαλώντας τον τύπο για το ρ, φτάνουμε στην απάντηση στο ερώτημα που τέθηκε. Για να προσδιορίσετε την πυκνότητα του μετάλλου, αρκεί να το ζυγίσετε σε οποιαδήποτε ζυγαριά και να μετρήσετε τον όγκο. Στη συνέχεια, η πρώτη τιμή πρέπει να διαιρεθεί με τη δεύτερη, μην ξεχνάτε να χρησιμοποιείτε τις σωστές μονάδες.
Αν το γεωμετρικό σχήμα του σώματος είναι πολύπλοκο, τότε δεν θα είναι εύκολο να μετρηθεί ο όγκος του. Σε τέτοιες περιπτώσεις, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το νόμο του Αρχιμήδη, καθώς ο όγκος του εκτοπισμένου υγρού όταν το σώμα βυθιστεί θα είναι ακριβώς ίσος με τον μετρούμενο όγκο.
Η μέθοδος των υδροστατικών βαρών, που εφευρέθηκε στα τέλη του 16ου αιώνα από τον Γαλιλαίο, βασίζεται επίσης στη χρήση του νόμου του Αρχιμήδη. Η ουσία της μεθόδου είναι η μέτρηση του σωματικού βάρους σε αέρα και μετά σε υγρό. Εάν η πρώτη τιμή συμβολίζεται με P0 και η δεύτερη με P1, τότε η πυκνότητα μετάλλου σε kg/m3 υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τα ακόλουθα τύπος:
ρ=P0 ρl / (P0 - P 1)
Όπου ρl είναι η πυκνότητα του υγρού.
Θεωρητικός ορισμός της πυκνότητας
Στον παραπάνω πίνακα με τις πυκνότητες των χημικών στοιχείων, τα μέταλλα για τα οποία δίνεται η θεωρητική πυκνότητα σημειώνονται με κόκκινο χρώμα. Αυτά τα στοιχεία είναι ραδιενεργά και ελήφθησαν τεχνητά σε μικρές ποσότητες. Αυτοί οι παράγοντες καθιστούν δύσκολη την ακριβή μέτρηση της πυκνότητάς τους. Ωστόσο, η τιμή του ρ μπορεί να υπολογιστεί με επιτυχία.
Η μέθοδος θεωρητικού προσδιορισμού της πυκνότητας είναι αρκετά απλή. Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να γνωρίζετε τη μάζα ενός ατόμου, τον αριθμό των ατόμων στο στοιχειώδες κρυσταλλικό πλέγμα και τον τύπο αυτού του πλέγματος.
Για παράδειγμα, ας πάρουμε έναν υπολογισμό για το σίδηρο. Το άτομό του έχει μάζα 55.847 amu. Το σίδερο υπό συνθήκες δωματίου έχει πλέγμα bcc με παράμετρο 2.866 angstroms. Εφόσον υπάρχουν δύο άτομα ανά στοιχειώδη κύβο bcc, παίρνουμε:
ρ=255, 8471, 6610-27 / (2, 8663 10 -30)=7,876 kg/m3
Αν συγκρίνουμε αυτήν την τιμή με τον πίνακα 1, μπορούμε να δούμε ότι διαφέρουν μόνο στο τρίτο δεκαδικό ψηφίο.
