Каждый школьник, который знаком с таблицей Менделеева, знает, что количество металлов в ней составляет большую часть химических элементов. Одной из важных физических характеристик для них является плотность. Рассмотрим эту величину в статье и приведем таблицу плотности металлов и сплавов.
Что такое плотность
Если взять одинаковые объемы пластмассы и стали, то первая будет гораздо легче, чем вторая. Наоборот, кусок пластмассы будет иметь точно такой же вес, как кусок стали, если он будет намного больше его по объему. Причиной указанных различий является такая физическая величина, как плотность. Формула для ее вычисления имеет следующий вид:
ρ = m/V.
Здесь m - масса тела, V - его объем. Греческая буква ρ (ро) часто используется для обозначения плотности. Из формулы следует, что единицами измерения величины в СИ являются килограммы на кубический метр (кг/ м3). Также могут использоваться внесистемные единицы, например, г/ см3 или г/ л (для жидкостей).
Что такое металлы
Прежде чем приводить таблицу плотности металлов, поясним, о каком веществе идет речь. Металлические материалы отличаются от неметаллов высокими тепло- и электропроводностью и пластичностью. Это главные отличительные их свойства. Также существуют второстепенные свойства, например, наличие характерного металлического блеска, ковкость и низкая электроотрицательность для их атомов.
Все металлы при нормальных условиях существуют в твердом виде. Исключение составляет лишь ртуть, для которой температура кристаллизации составляет -39oC. Твердый металл существует в виде кристаллической решетки. Последняя представляет собой совокупность атомов, которые определенным геометрическим способом организованы в пространстве. Любой чистый (однокомпонентный) металлический материал существует в одном из трех типов кристаллических решеток при данных условиях. Это следующие решетки:
- Гранецентрированная кубическая (ГЦК).
- Объемно-центрированная кубическая (ОЦК).
- Гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
Если условия (температура, давление) изменить, то металл может перейти из одного в другое кристаллическое состояние. Классическим примером является переход ОЦК железа в ГЦК, когда температура падает ниже 1392oC, или когда она повышается выше 911oC.
Таблица плотности металлов
Плотность металлов определяется двумя основными факторами:
- Типом кристаллической решетки и межатомными расстояниями в ней.
- Массой атома химического элемента.
Таблица плотности металлов и других элементов приводится ниже.
Здесь приведены цифры в г/ см3. Чтобы таблица плотности металлов в кг/ м3 выражалась, необходимо соответствующую величину умножить на 1000. Из таблицы видно, что металлы обладают самой разной плотностью. Они могут быть легче воды (натрий, литий, калий) или же являться очень тяжелыми (иридий, осмий, платина, золото).
Плотность сплавов
Сплавы представляют собой многокомпонентные вещества, например, сталь - это сплав железа и углерода. Кристаллическая структура сплавов является более сложной, чем для чистых металлов. Для стали, которая состоит из атомов железа и углерода, существует несколько возможностей их взаимного расположения (твердый раствор углерода в ОЦК или ГЦК железе, образование специальной фазы - цементита, образование графитных включений и некоторые другие).
Что касается плотности сплавов, то во многих случаях ее можно оценить по следующей простой формуле:
ρ = ∑imi/∑iVi.
Где i - номер компонента в сплаве. Если это выражение применить для двухкомпонентного сплава, то можно получить следующую формулу:
ρ = ρ1*ρ2/(ρ1+x*(ρ2-ρ1)).
Где ρ1 и ρ2 - плотности соответствующих компонент, x - массовая доля первого компонента в сплаве. Она определяется так:
x = m1/(m1 + m2).
Таблица плотности некоторых сплавов в тоннах на метр кубический приведена ниже.
Поскольку каждый сплав содержит преимущественно один компонент (сталь - железо, бронза - медь, нихром - никель и так далее), то неудивительно, что их плотности близки к соответствующим величинам для чистых металлов.
