Метали – це хімічні елементи, які складають більшу частину періодичної таблиці Менделєєва Д. І.. У цій статті розглянемо таке важливе їх фізична властивість, як щільність, а також наведемо таблицю щільності металів в кг/м3 .
Щільність речовини
Перш ніж розібратися з щільністю металів в кг/м3, познайомимося з самою фізичною величиною. Щільністю називають відношення маси тіла m до його об’єму V в просторі, що математично можна записати так:
ρ = m / V
Досліджувану величину зазвичай позначають буквою грецького алфавіту ρ (рв).
Якщо різні частини тіла мають відмінні маси, то за допомогою записаної формули можна визначити середню щільність. При цьому локальна щільність може значно відрізнятися від середньої.
Як видно з формули, величина ρ виражається в кг/м3 в системі СІ. Вона характеризує кількість речовини, яка міститься в одиниці його об’єму. Ця характеристика в багатьох випадках є візитною карткою речовин. Так, у різних металів щільність (кг/м3 є різною, що дозволяє їх ідентифікувати.
Метали і їх густина
Металеві матеріали являють собою тверді речовини при кімнатній температурі і атмосферному тиску (винятком є лише ртуть). Вони володіють високою пластичністю, електро – і теплопровідністю і мають характерний блиск в відполірованому стані поверхні. Багато властивості металів пов’язані з наявністю у них впорядкованої кристалічної решітки, у вузлах якої сидять позитивні іонні остови, пов’язані один з одним за допомогою негативного електронного газу.
Що стосується щільності металів, то вона змінюється в широких межах. Так, найменш щільними є лужні легкі метали, такі як літій, калій або натрій. Наприклад, щільність літію становить 534 кг/м3, що практично в два рази менше аналогічної величини для води. Це означає, що пластинки з літію, калію і натрію не будуть тонути у воді. З іншого боку, такі перехідні метали, як реній, осмій, іридій, платина і золото, володіють величезною густиною, яка в 20 і більше разів перевищує ρ води.
Нижче наведена таблиця щільності металів. Всі значення відповідають кімнатній температурі г/см3. Якщо ці значення помножити на 1 000, то ми отримаємо ρ (кг/м3.
Чому існують метали з високою щільністю і з низьким її значенням? Справа в тому, що значення ρ для кожного конкретного випадку визначається двома основними чинниками:
Експериментальне визначення щільності
Припустимо, у нас є шматок невідомого металу. Як можна визначити його щільність? Згадуючи формулу для ρ, приходимо до відповіді на поставлене питання. Для визначення щільності металу досить зважити його на будь-яких вагах і виміряти обсяг. Потім слід першу величину розділити на другу, не забуваючи про використання правильних одиниць вимірювання.
Якщо геометрична форма тіла є складною, то обсяг його виміряти буде нелегко. У таких випадках можна скористатися законом Архімеда, оскільки об’єм витісненої рідини при зануренні тіла буде точно дорівнює вимірюваного об’єму.
На використанні закону Архімеда також заснований метод гідростатичних ваг, винайдених в кінці XVI століття Галілеєм. Суть методу полягає у вимірюванні ваги тіла в повітрі, а потім в рідині. Якщо першу величину позначити P0, а другу – P1, тоді щільність металу, кг/м3 обчислюється за такою формулою:
ρ = P0 * ρl / (P0 – P1)
Де ρl – щільність рідини.
Теоретичне визначення щільності
У наведеній вище таблиці густин хімічних елементів червоним позначені метали, для яких наведена теоретична щільність. Ці елементи є радіоактивними, і отримані вони були штучно в невеликих кількостях. Зазначені фактори ускладнюють їх точне вимірювання щільності. Проте величину ρ можна успішно розрахувати.
Метод теоретичного визначення щільності досить простий. Для цього потрібно знати масу одного атома, кількість атомів в елементарній кристалічній решітці і тип цієї решітки.
Для прикладу наведемо розрахунок для заліза. Його атом має масу 55,847 а.е.м. Залізо при кімнатних умовах має ОЦК грати з параметром 2,866 ангстрема. Оскільки на один елементарний кубик ОЦК припадає два атома, то отримуємо:
ρ = 2 * 55,847 * 1,66 * 10-27 / (2,8663 * 10-30) = 7,876 кг/м3
Якщо порівняти це значення з табличним, то видно, що вони розрізняються лише в третьому знаку після коми.
