כל תלמיד שמכיר את הטבלה המחזורית יודע שכמות המתכות שבה מהווה את רוב היסודות הכימיים. אחד המאפיינים הפיזיים החשובים עבורם הוא צפיפות. שקול את הערך הזה במאמר ותן טבלה של הצפיפות של מתכות וסגסוגות.
מהי צפיפות
אם אתה לוקח את אותם נפחים של פלסטיק ופלדה, אז הראשון יהיה הרבה יותר קל מהשני. לעומת זאת, פיסת פלסטיק תהיה בעלת אותו משקל בדיוק כמו פיסת פלדה אם היא הרבה יותר גדולה בנפחה. הסיבה להבדלים הללו היא כמות פיזית כמו צפיפות. הנוסחה לחישוב זה היא כדלקמן:
ρ=m/V.
כאן m היא מסת הגוף, V הוא נפחו. האות היוונית ρ (rho) משמשת לעתים קרובות לציון צפיפות. מהנוסחה עולה שיחידות המדידה ב-SI הן קילוגרמים למטר מעוקב (kg/m3). ניתן להשתמש גם ביחידות לא מערכתיות, כגון g/cm3 או g/l (עבור נוזלים).
מהן מתכות
לפני שניתן טבלה של צפיפות המתכות, הבה נסביר על איזה חומר אנחנו מדברים. חומרים מתכתיים נבדלים מבלתי-מתכות במוליכות ובמשיכות תרמית וחשמלית גבוהה. אלה הם המאפיינים העיקריים המבדילים ביניהם. ישנן גם תכונות מינוריות, כגון ברק מתכתי אופייני, גמישות ואלקטרושליליות נמוכה עבור האטומים שלהם.
כל המתכות בתנאים רגילים קיימות בצורה מוצקה. היוצא מן הכלל היחיד הוא כספית, עבורה טמפרטורת ההתגבשות היא -39oC. מתכת מוצקה קיימת בצורה של סריג קריסטל. האחרון הוא אוסף של אטומים המאורגנים בחלל בצורה גיאומטרית מסוימת. כל חומר מתכתי טהור (חד רכיבי) קיים באחד משלושה סוגים של סריג קריסטל בתנאים נתונים. אלו הן הרשתות הבאות:
- Face Centered Cubic (FCC).
- Body Centered Cubic (BCC).
- משושה צפוף (hcp).
אם התנאים (טמפרטורה, לחץ) משתנים, אז המתכת יכולה לעבור ממצב גבישי אחד לשני. דוגמה קלאסית היא המעבר של ברזל bcc ל-fcc כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת ל-1392oC, או כאשר היא עולה מעל 911oC.
טבלת צפיפות מתכת
צפיפות המתכות נקבעת על ידי שני גורמים עיקריים:
- סוג סריג הגביש והמרחקים הבין-אטומיים בו.
- מסה של אטוםיסוד כימי.
טבלת הצפיפות של מתכות ואלמנטים אחרים מובאת להלן.
הנה מספרים ב-g/cm3. על מנת שטבלת צפיפות המתכת תתבטא בק"ג/מ"ק, יש צורך להכפיל את הערך המתאים ב-1000. הטבלה מראה שלמתכות יש צפיפות שונה מאוד. הם יכולים להיות קלים יותר ממים (נתרן, ליתיום, אשלגן) או כבדים מאוד (אירידיום, אוסמיום, פלטינה, זהב).
צפיפות סגסוגות
סגסוגות הן חומרים מרובי רכיבים, למשל, פלדה היא סגסוגת של ברזל ופחמן. מבנה הגביש של סגסוגות מורכב יותר מאשר למתכות טהורות. לפלדה, המורכבת מברזל ואטומי פחמן, קיימות מספר אפשרויות לסידורם ההדדי (תמיסה מוצקה של פחמן בברזל bcc או fcc, היווצרות שלב מיוחד - צמנטיט, היווצרות תכלילים של גרפיט ועוד כמה).
באשר לצפיפות הסגסוגות, במקרים רבים ניתן לאמוד אותה באמצעות הנוסחה הפשוטה הבאה:
ρ=∑imi/∑iV i.
כאשר i הוא המספר של הרכיב בסגסוגת. אם ביטוי זה מיושם על סגסוגת דו-רכיבית, ניתן לקבל את הנוסחה הבאה:
ρ=ρ1ρ2/(ρ1+x(ρ2-ρ1)).
כאשר ρ1 ו-ρ2 הם הצפיפות של הרכיבים התואמים, x הוא חלק המסה של הרכיב הראשון ב- סַגסוֹגֶת. זה מוגדראז:
x=m1/(m1+ m2).
טבלת הצפיפות של כמה סגסוגות בטונות למטר מעוקב מובאת להלן.
מכיוון שכל סגסוגת מכילה בעיקר רכיב אחד (פלדה - ברזל, ברונזה - נחושת, ניכרום - ניקל וכן הלאה), אין זה מפתיע שצפיפותם קרובה לאלו של מתכות טהורות.
