Металлы - это химические элементы, которые составляют большую часть периодической таблицы Д. И. Менделеева. В данной статье рассмотрим такое важное их физическое свойство, как плотность, а также приведем таблицу плотности металлов в кг/м3 .
Плотность вещества
Прежде чем разобраться с плотностью металлов в кг/м3, познакомимся с самой физической величиной. Плотностью называют отношение массы тела m к его объему V в пространстве, что математически можно записать так:
ρ = m / V
Изучаемую величину обычно обозначают буквой греческого алфавита ρ (ро).
Если разные части тела имеют отличные массы, то с помощью записанной формулы можно определить среднюю плотность. При этом локальная плотность может значительно отличаться от средней.
Как видно из формулы, величина ρ выражается в кг/м3 в системе СИ. Она характеризует количество вещества, которое помещается в единице его объема. Эта характеристика во многих случаях является визитной карточкой веществ. Так, у разных металлов плотность в кг/м3 является различной, что позволяет их идентифицировать.
Металлы и их плотность
Металлические материалы представляют собой твердые вещества при комнатной температуре и атмосферном давлении (исключением является лишь ртуть). Они обладают высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью и имеют характерный блеск в отполированном состоянии поверхности. Многие свойства металлов связаны с наличием у них упорядоченной кристаллической решетки, в узлах которой сидят положительные ионные остовы, связанные друг с другом с помощью отрицательного электронного газа.
Что касается плотности металлов, то она изменяется в широких пределах. Так, наименее плотными являются щелочные легкие металлы, такие как литий, калий или натрий. Например, плотность лития составляет 534 кг/м3, что практически в два раза меньше аналогичной величины для воды. Это означает, что пластинки из лития, калия и натрия не будут тонуть в воде. С другой стороны, такие переходные металлы, как рений, осмий, иридий, платина и золото, обладают огромной плотностью, которая в 20 и более раз превышает ρ воды.
Ниже приведена таблица плотности металлов. Все значения соответствуют комнатной температуре в г/см3. Если эти значения умножить на 1 000, то мы получим ρ в кг/м3.
Почему существуют металлы с высокой плотностью и с низким ее значением? Дело в том, что значение ρ для каждого конкретного случая определяется двумя основными факторами:
- Особенностью кристаллической решетки металла. Если эта решетка будет содержать атомы в максимально плотной упаковке, тогда макроскопическая его плотность будет выше. Самой плотной упаковкой обладают ГЦК и ГПУ решетки.
- Физическими свойствами атома металла. Чем больше его масса и чем меньше радиус, тем выше значение ρ. Этот фактор объясняет, почему металлами с высокой плотностью являются химические элементы с большим номером в периодической таблице.
Экспериментальное определение плотности
Предположим, у нас имеется кусок неизвестного металла. Как можно определить его плотность? Вспоминая формулу для ρ, приходим к ответу на заданный вопрос. Для определения плотности металла достаточно взвесить его на каких-либо весах и измерить объем. Затем следует первую величину разделить на вторую, не забывая об использовании правильных единиц измерения.
Если геометрическая форма тела является сложной, то объем его измерить будет нелегко. В таких случаях можно воспользоваться законом Архимеда, поскольку объем вытесненной жидкости при погружении тела будет точно равен измеряемому объему.
На использовании закона Архимеда также основан метод гидростатических весов, изобретенных в конце XVI века Галилеем. Суть метода заключается в измерении веса тела в воздухе, а затем в жидкости. Если первую величину обозначить P0, а вторую - P1, тогда плотность металла в кг/м3 вычисляется по такой формуле:
ρ = P0 * ρl / (P0 - P1)
Где ρl - плотность жидкости.
Теоретическое определение плотности
В приведенной выше таблице плотностей химических элементов красным обозначены металлы, для которых приведена теоретическая плотность. Эти элементы являются радиоактивными, и получены они были искусственно в небольших количествах. Указанные факторы затрудняют их точное измерение плотности. Однако величину ρ можно успешно рассчитать.
Метод теоретического определения плотности достаточно прост. Для этого нужно знать массу одного атома, количество атомов в элементарной кристаллической решетке и тип этой решетки.
Для примера приведем расчет для железа. Его атом имеет массу 55,847 а.е.м. Железо при комнатных условиях имеет ОЦК решетку с параметром 2,866 ангстрема. Поскольку на один элементарный кубик ОЦК приходится два атома, то получаем:
ρ = 2 * 55,847 * 1,66 * 10-27 / (2,8663 * 10-30) = 7,876 кг/м3
Если сравнить это значение с табличным, то видно, что различаются они лишь в третьем знаке после запятой.
