צפיפות היא גודל פיזיקלי חשוב לכל מצב מצטבר של חומר. במאמר זה נשקול את השאלה מהי צפיפות המתכות, ניתן טבלה של פרמטר זה ליסודות כימיים ונדבר על המתכת הצפופה ביותר על פני כדור הארץ.
על איזה מאפיין פיזי אנחנו מדברים?
צפיפות הוא ערך המאפיין את כמות החומר בנפח ידוע. לפי הגדרה זו, ניתן לחשב אותו באופן מתמטי באופן הבא:
ρ=m/V.
קבע את הערך הזה באות היוונית ρ (ro).
צפיפות היא מאפיין אוניברסלי מכיוון שניתן להשתמש בה כדי להשוות בין חומרים שונים. ניתן להשתמש בעובדה זו כדי לזהות אותם, וזה מה שעשה הפילוסוף היווני ארכימדס, לפי האגדה (הוא הצליח להקים כתר זהב מזויף על ידי מדידת הערך של ρ עבורו).
פרמטר זה עבור חומר מסוים תלוי בשני גורמים עיקריים:
- ממסה של האטומים והמולקולות המרכיבות את החומר;
- ממרחקים בין-אטומיים ואינטרמולקולריים ממוצעים.
לדוגמה, לכל אחת ממתכות המעבר (זהב, ברזל, ונדיום, טונגסטן) יש צפיפות גבוהה יותר מכל חומר פחמן, שכן המסה של האטום האחרון קטנה פי עשרה. דוגמה אחרת. גרפיט ויהלום הם שני מבני פחמן. השני צפוף יותר, מכיוון שהמרחקים הבין-אטומיים בסריג שלו קטנים יותר.
צפיפות מתכות
זו הקבוצה הגדולה ביותר בטבלה המחזורית של מנדלייב. מתכת היא כל חומר בעל מוליכות תרמית וחשמלית גבוהה, ברק משטח אופייני בעת ליטוש ויכולת לעבור דפורמציה פלסטית.
ליסוד כימי כזה יש אלקטרושליליות נמוכה בהשוואה לחומרים כמו חנקן, חמצן ופחמן. עובדה זו מובילה לכך שאטומי מתכת במבנים בתפזורת יוצרים קשר מתכתי זה עם זה. זוהי אינטראקציה חשמלית בין בסיסים יוניים בעלי מטען חיובי וגז אלקטרונים שלילי.
אטומי מתכת בחלל מסודרים בצורה של מבנה מסודר, הנקרא סריג גביש. ישנם שלושה סוגים בלבד:
- cubic;
- BCC (מעוקב במרכז הגוף);
- HCP (צפוף משושה);
- FCC (מעוקב במרכז פנים).
צפיפות המתכות היא גודל פיזיקלי התלוי בסוג סריג הגביש. להלן טבלה של פרמטר זה עבור כל היסודות הכימיים ב-g / cm3, אשר בתנאים רגילים נמצאים במצב מוצק.
מהטבלה עולה שצפיפות המתכות היא ערך המשתנה בטווח רחב. אז החלש ביותר הוא ליתיום, שעם אותם נפחים קל פי שניים ממים. הצפיפות של המתכת הנדירה אוסמיום היא הגבוהה ביותר בטבע. זה 22.59g/cm3.
איך אתה מוצא את הערך?
צפיפות המתכות היא מאפיין שניתן להגדיר בשתי דרכים שונות מהותית:
- ניסיוני;
- תיאורטי.
שיטות הניסוי הן כדלקמן:
- מדידות ישירות של משקל הגוף והנפח. קל לחשב את האחרון אם הפרמטרים הגיאומטריים של הגוף ידועים, וצורתו אידיאלית, למשל, פריזמה, פירמידה או כדור.
- מדידות הידרוסטטיות. במקרה זה משתמשים בקשקשים מיוחדים שהומצאו על ידי גלילאו במאה ה-16. עקרון הפעולה שלהם הוא די פשוט: ראשית, גוף בעל צפיפות לא ידועה נשקל באוויר, ולאחר מכן בנוזל (מים). לאחר מכן, הערך הנדרש מחושב באמצעות נוסחה פשוטה.
לגבי השיטה התיאורטית לקביעת צפיפות המתכות, מדובר בשיטה פשוטה למדי הדורשת ידע על סוג סריג הגביש, המרחק הבין-אטומי בו ומסת האטום. לאחר מכן, באמצעות הדוגמה של אוסמיום, נראה כיצד משתמשים בשיטה זו.
צפיפות המתכת הנדירה אוסמיום
הואנמצא בכמויות עקבות על הפלנטה שלנו. לרוב זה נמצא בצורה של סגסוגות עם אירידיום ופלטינה, כמו גם בצורה של תחמוצות. לאוסמיום יש סריג hcp עם פרמטרים a=2.7343 ו-c=4.32 אנגסטרם. המסה הממוצעת של אטום אחד היא m=190.23 amu
מספיקים המספרים לעיל כדי לקבוע את הערך של ρ. לשם כך השתמשו בנוסחה המקורית של הצפיפות וקחו בחשבון שמנסרה משושה אחת מכילה שישה אטומים. כתוצאה מכך, אנו מגיעים לנוסחת העבודה:
ρ=4m/(√3a2c).
בהחלפת הדמויות הכתובות למעלה ובהתחשב במידותיהן, אנו מגיעים לתוצאה: ρ=22 579 kg/m3.
לפיכך, הצפיפות של מתכת נדירה היא 22.58 גרם/ס מ3, השווה לערך הטבלה שנמדד בניסוי.
