Що це – щільність металів, як вона визначається? Розрахунок щільності для осмію

Щільність є важливою фізичною величиною для будь-якого агрегатного стану матерії. У цій статті розглянемо питання, що це – щільність металів, наведемо таблицю цього параметра для хімічних елементів і розповімо про найщільнішому металі на Землі.

Про яку фізичну характеристику піде мова?

Щільність являє собою величину, яка характеризує кількість речовини, що знаходиться у відомому обсязі. Згідно з цим визначенням, її можна математично обчислити так:

ρ = m/V.

Позначають цю величину грецькою буквою ρ (рв).

Щільність є універсальною характеристикою, оскільки з нею можна порівнювати різні матеріали. Цей факт можна використовувати для їх ідентифікації, що і зробив грецький філософ Архімед, згідно з легендою (він зміг встановити підробку золотої корони, вимірявши величину ρ для неї).

Цей параметр для конкретного матеріалу залежить від двох основних факторів:

  • від маси складових речовина атомів і молекул;
  • від середніх міжатомних і міжмолекулярних відстаней.

Наприклад, будь-який з перехідних металів (золото, залізо, ванадій, вольфрам) має більшу щільність, ніж будь-вуглецевий матеріал, оскільки маса атома останнього в десятки разів менше. Інший приклад. Графіт і алмаз – це дві вуглецеві структури. Другий є більш щільним, оскільки міжатомні відстані в його решітці менше.

Щільність металів

Це найчисленніша група періодичної таблиці Менделєєва. Металом є будь-яка речовина, що володіє високою тепло – і електропровідністю, характерним блиском поверхні при її поліровці, здатність до пластичної деформації.

Такий хімічний елемент має низьку электроотрицательностью в порівнянні з такими речовинами, як азот, кисень і вуглець. Цей факт призводить до того, що в об’ємних структурах атоми металу утворюють один з одним металевий зв’язок. Вона являє собою електричне взаємодія між позитивно зарядженими іонними підставами і негативним електронним газом.

Дивіться також:  Проблема Гольдбаха: визначення, докази та рішення

Атоми металів у просторі розташовуються у вигляді впорядкованої структури, яка називається кристалічною решіткою. Існує всього три їх типи:

  • кубічна;
  • ОЦК (об’ємно-центрована кубічна);
  • ГПУ (гексагональна плотноупакованная);
  • ГЦК (гранецентрированная кубічна).

Щільність металів – це фізична величина, яка залежить від типу кристалічної решітки. Нижче наводиться таблиця цього параметра для всіх хімічних елементів в г/см3, які при нормальних умовах перебувають у твердому стані.

З таблиці випливає, що щільність металів – це змінюється в широких межах величина. Так, найбільш слабким є літій, який при однакових обсягах в два рази легше води. Щільність рідкого металу осмію є найбільшою у природі. Вона становить 22,59 г/см3.

Як знаходять величину?

Щільність металів – це характеристика, яку можна визначити двома принципово різними способами:

  • експериментальним;
  • теоретичним.

Експериментальні методи бувають наступного виду:

  • Безпосередні вимірювання ваги тіла і його обсягу. Останній легко обчислити, якщо відомі геометричні параметри тіла, а його форма є ідеальною, наприклад, призмою, пірамідою або кулею.
  • Гідростатичні вимірювання. У цьому випадку використовуються спеціальні ваги, винайдені ще Галілеєм в XVI столітті. Принцип їх дії досить простий: спочатку зважують тіло невідомої щільності в повітрі, а потім – у рідині (воді). Після цього за простою формулою обчислюють шукану величину.
  • Що стосується теоретичного способу визначення щільності металів – це досить простий метод, який вимагає знання типу кристалічної решітки, міжатомної відстані в ній і маси атома. Далі покажемо на прикладі осмію, як цей метод застосовують.

    Щільність рідкого металу осмію

    Він міститься в незначних кількостях на нашій планеті. Найчастіше його зустрічають у вигляді сплавів з іридієм і платиною, а також у формі оксидів. Осмій має ГПУ ґратами з параметрами a = 2,7343 і c = 4,32 ангстрема. Маса одного атома становить в середньому m = 190,23 а.е.м.

    Дивіться також:  "Метод Тичера": відгуки, для дітей, опис

    Наведених вище цифр достатньо, щоб визначити величину ρ. Для цього слід скористатися вихідною формулою для щільності і врахувати, що одна гексагональна призма містить шість атомів. В результаті ми приходимо до робочої формулою:

    ρ = 4*m/(√3*a2*c).

    Підставляючи записані вище цифри і враховуючи їх розмірності, приходимо до результату: ρ = 22 579 кг/м3.

    Таким чином, щільність рідкого металу дорівнює 22,58 г/см3, що дорівнює вимірюваною експериментально табличному значенню.