מתכות הם יסודות כימיים המרכיבים את רוב הטבלה המחזורית של D. I. Mendeleev. במאמר זה נשקול תכונה פיזיקלית כה חשובה כמו צפיפות, וכן ניתן טבלה של צפיפות המתכות בק"ג/מ"ק.
צפיפות החומר
לפני שנעסוק בצפיפות המתכות בק"ג/מ"ק, בואו נכיר את הכמות הפיזית עצמה. צפיפות היא היחס בין מסת הגוף m לנפח V שלו במרחב, שניתן לכתוב בצורה מתמטית באופן הבא:
ρ=m / V
הערך הנחקר מסומן בדרך כלל באות האלפבית היווני ρ (ro).
אם לחלקים שונים בגוף יש מסות שונות, אז באמצעות הנוסחה הכתובה, אתה יכול לקבוע את הצפיפות הממוצעת. במקרה זה, הצפיפות המקומית עשויה להיות שונה משמעותית מהממוצע.
כפי שניתן לראות מהנוסחה, הערך של ρ מבוטא ב-kg/m3במערכת SI. הוא מאפיין את כמות החומר המונח ביחידת נפחו. מאפיין זה במקרים רבים הוא סימן ההיכר של חומרים. אז, עבור מתכות שונות, הצפיפות בק"ג / מ"קשונה, מה שמאפשר לזהות אותם.
מתכות וצפיפותן
חומרים מתכתיים הם מוצקים בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי (כספית היא היוצא מן הכלל היחיד). יש להם פלסטיות גבוהה, מוליכות חשמלית ותרמית ובעלי ברק אופייני במצב המלוטש של פני השטח. תכונות רבות של מתכות קשורות לנוכחות של סריג גביש מסודר שבו ליבות יוניות חיוביות יושבות בצמתים, המחוברות זו לזו באמצעות גז אלקטרונים שלילי.
באשר לצפיפות המתכות, היא משתנה מאוד. אז, הפחות צפופות הן המתכות הקלות האלקליות, כגון ליתיום, אשלגן או נתרן. לדוגמה, הצפיפות של ליתיום היא 534 ק"ג/מ"ר3, שהיא כמעט מחצית מזו של מים. המשמעות היא שצלחות ליתיום, אשלגן ונתרן לא ישקעו במים. מצד שני, למתכות מעבר כגון רניום, אוסמיום, אירידיום, פלטינה וזהב יש צפיפות עצומה, שהיא פי 20 או יותר מה-ρ של מים.
הטבלה למטה מציגה את צפיפות המתכות. כל הערכים מתייחסים לטמפרטורת החדר ב-g/cm3. אם ערכים אלה מוכפלים ב-1,000, נקבל ρ ב-kg/m3.
למה יש מתכות בצפיפות גבוהה ומתכות בצפיפות נמוכה? העובדה היא שהערך של ρ עבור כל מקרה ספציפי נקבע על ידי שניים עיקרייםגורמים:
- תכונה של סריג הקריסטל של המתכת. אם הסריג הזה מכיל אטומים באריזה הצפופה ביותר, אז הצפיפות המקרוסקופית שלו תהיה גבוהה יותר. לסריגי FCC ו-hcp יש את האריזה הצפופה ביותר.
- מאפיינים פיזיים של אטום המתכת. ככל שהמסה שלו גדולה יותר והרדיוס קטן יותר, כך הערך של ρ גבוה יותר. גורם זה מסביר מדוע מתכות בצפיפות גבוהה הן יסודות כימיים עם מספר גבוה בטבלה המחזורית.
קביעה נסיונית של צפיפות
נניח שיש לנו חתיכת מתכת לא ידועה. כיצד ניתן לקבוע את הצפיפות שלו? כשנזכרים בנוסחה של ρ, אנו מגיעים לתשובה לשאלה שנשאלה. כדי לקבוע את צפיפות המתכת, מספיק לשקול אותה על כל איזון ולמדוד את הנפח. לאחר מכן יש לחלק את הערך הראשון בשני, לזכור להשתמש ביחידות הנכונות.
אם הצורה הגיאומטרית של הגוף מורכבת, אז לא יהיה קל למדוד את נפחו. במקרים כאלה, אתה יכול להשתמש בחוק ארכימדס, שכן נפח הנוזל שנעקר כשהגוף טביל יהיה שווה בדיוק לנפח הנמדד.
שיטת המשקולות ההידרוסטטיות, שהומצאה בסוף המאה ה-16 על ידי גלילאו, מבוססת גם היא על השימוש בחוק ארכימדס. מהות השיטה היא מדידת משקל גוף באוויר ולאחר מכן בנוזל. אם הערך הראשון מסומן ב-P0, והשני ב-P1, אזי צפיפות המתכת בק"ג/מ"ק מחושבת באמצעות הערכים הבאים נוסחה:
ρ=P0 ρl / (P0 - P 1)
היכן ρl היא צפיפות הנוזל.
הגדרה תיאורטית של צפיפות
בטבלה לעיל של הצפיפויות של יסודות כימיים, המתכות שעבורן ניתנת הצפיפות התיאורטית מסומנות באדום. יסודות אלו הם רדיואקטיביים, והם התקבלו באופן מלאכותי בכמויות קטנות. גורמים אלו מקשים על מדידת צפיפותם במדויק. עם זאת, ניתן לחשב בהצלחה את הערך של ρ.
השיטה לקביעה תיאורטית של צפיפות היא פשוטה למדי. כדי לעשות זאת, אתה צריך לדעת את המסה של אטום אחד, את מספר האטומים בסריג הגביש היסודי ואת סוג הסריג הזה.
לדוגמה, ניקח חישוב עבור ברזל. לאטום שלו יש מסה של 55.847 אמו. לברזל בתנאי חדר יש סריג bcc עם פרמטר של 2.866 אנגסטרם. מכיוון שיש שני אטומים לכל קוביית Bcc יסודי, נקבל:
ρ=255, 8471, 6610-27 / (2, 8663 10 -30)=7.876 ק"ג/מ"ר3
אם נשווה את הערך הזה עם הטבלה הראשונה, נוכל לראות שהם שונים רק במקום העשרוני השלישי.
