ความหนาแน่นเป็นปริมาณทางกายภาพที่สำคัญสำหรับสถานะรวมของสสาร ในบทความนี้ เราจะพิจารณาคำถามเกี่ยวกับความหนาแน่นของโลหะ เราจะให้ตารางพารามิเตอร์นี้สำหรับองค์ประกอบทางเคมีและพูดคุยเกี่ยวกับโลหะที่หนาแน่นที่สุดในโลก
ลักษณะทางกายภาพที่เรากำลังพูดถึงคืออะไร
ความหนาแน่นคือค่าที่กำหนดลักษณะของปริมาณของสารในปริมาตรที่ทราบ ตามคำจำกัดความนี้ สามารถคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
ρ=m/V.
กำหนดค่านี้ด้วยตัวอักษรกรีก ρ (ro).
ความหนาแน่นเป็นลักษณะสากลเพราะสามารถใช้เปรียบเทียบวัสดุต่างๆ ได้ ข้อเท็จจริงนี้สามารถใช้เพื่อระบุสิ่งเหล่านี้ได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่อาร์คิมิดีสนักปรัชญาชาวกรีกทำ ตามตำนาน (เขาสามารถสร้างมงกุฎทองคำปลอมโดยการวัดมูลค่าของ ρ สำหรับมัน)
พารามิเตอร์นี้สำหรับวัสดุเฉพาะขึ้นอยู่กับสองปัจจัยหลัก:
- จากมวลของอะตอมและโมเลกุลที่ประกอบเป็นสสาร;
- จากระยะทางเฉลี่ยระหว่างอะตอมและระหว่างโมเลกุล
ตัวอย่างเช่น โลหะทรานซิชันใดๆ (ทอง เหล็ก วาเนเดียม ทังสเตน) มีความหนาแน่นสูงกว่าวัสดุคาร์บอนใดๆ เนื่องจากมวลของอะตอมหลังนี้น้อยกว่าสิบเท่า ตัวอย่างอื่น. กราไฟต์และเพชรเป็นโครงสร้างคาร์บอนสองแบบ อันที่สองนั้นหนาแน่นกว่า เนื่องจากระยะห่างระหว่างอะตอมในโครงตาข่ายนั้นเล็กกว่า
ความหนาแน่นของโลหะ
นี่คือกลุ่มที่ใหญ่ที่สุดในตารางธาตุของ Mendeleev โลหะคือสารใดๆ ที่มีค่าการนำความร้อนและไฟฟ้าสูง มีความมันวาวเมื่อขัดเงาเฉพาะตัว และความสามารถในการเปลี่ยนรูปของพลาสติกได้
องค์ประกอบทางเคมีดังกล่าวมีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ต่ำเมื่อเทียบกับสารเช่นไนโตรเจน ออกซิเจนและคาร์บอน ข้อเท็จจริงนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าอะตอมของโลหะในโครงสร้างจำนวนมากก่อให้เกิดพันธะโลหะซึ่งกันและกัน เป็นปฏิกิริยาทางไฟฟ้าระหว่างเบสอิออนที่มีประจุบวกกับก๊าซอิเล็กตรอนเชิงลบ
อะตอมของโลหะในอวกาศถูกจัดเรียงในลักษณะของโครงสร้างที่เป็นระเบียบซึ่งเรียกว่าคริสตัลแลตทิซ มีเพียงสามประเภทเท่านั้น:
- ลูกบาศก์;
- BCC (ลูกบาศก์ตรงกลางลำตัว);
- HCP (บรรจุปิดหกเหลี่ยม);
- FCC (ลูกบาศก์ตรงกลางหน้า).
ความหนาแน่นของโลหะเป็นปริมาณทางกายภาพที่ขึ้นอยู่กับชนิดของผลึกขัดแตะ ด้านล่างนี้คือตารางของพารามิเตอร์นี้สำหรับองค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดใน g / cm3 ซึ่งอยู่ภายใต้สภาวะปกติสถานะของแข็ง
จากตาราง ความหนาแน่นของโลหะเป็นค่าที่แปรผันตามช่วงกว้าง ดังนั้น ลิเธียมที่อ่อนที่สุดซึ่งมีปริมาตรเท่ากันนั้นเบากว่าน้ำสองเท่า ความหนาแน่นของโลหะหายากออสเมียมสูงที่สุดในธรรมชาติ มันคือ 22.59g/cm3.
คุณหาค่าได้อย่างไร
ความหนาแน่นของโลหะเป็นลักษณะเฉพาะที่สามารถกำหนดได้สองวิธีที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน:
- ทดลอง;
- ตามทฤษฎี
วิธีทดลองมีดังนี้:
- วัดน้ำหนักตัวและปริมาตรโดยตรง ส่วนหลังนั้นง่ายต่อการคำนวณหากทราบพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตของร่างกายหรือไม่ และรูปร่างของมันคืออุดมคติ เช่น ปริซึม พีระมิด หรือลูกบอล
- วัดอุทกสถิต ในกรณีนี้ กาลิเลโอใช้เครื่องชั่งพิเศษที่ประดิษฐ์ขึ้นในศตวรรษที่ 16 หลักการทำงานของมันค่อนข้างง่าย: ขั้นแรกให้ชั่งน้ำหนักวัตถุที่มีความหนาแน่นที่ไม่รู้จักในอากาศและในของเหลว (น้ำ) หลังจากนั้น ค่าที่ต้องการจะคำนวณโดยใช้สูตรง่ายๆ
สำหรับวิธีการทางทฤษฎีในการกำหนดความหนาแน่นของโลหะ นี่เป็นวิธีที่ค่อนข้างง่ายที่ต้องใช้ความรู้เกี่ยวกับชนิดของผลึกตาข่าย ระยะห่างระหว่างอะตอมในนั้น และมวลของอะตอม ต่อไป โดยใช้ตัวอย่างของออสเมียม เราจะแสดงวิธีการใช้วิธีนี้
ความหนาแน่นของโลหะออสเมียมหายาก
เหพบในปริมาณที่มากบนโลกของเรา ส่วนใหญ่มักพบในรูปของโลหะผสมที่มีอิริเดียมและแพลตตินัมรวมถึงในรูปของออกไซด์ Osmium มีโครงข่าย hcp พร้อมพารามิเตอร์ a=2.7343 และ c=4.32 อังสตรอม มวลเฉลี่ยของหนึ่งอะตอมคือ m=190.23 amu
ตัวเลขข้างต้นก็เพียงพอที่จะกำหนดมูลค่าของ ρ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้ใช้สูตรดั้งเดิมสำหรับความหนาแน่น และพิจารณาว่าปริซึมหกเหลี่ยมหนึ่งอันมีหกอะตอม เป็นผลให้เรามาถึงสูตรการทำงาน:
ρ=4m/(√3a2c).
แทนที่ตัวเลขที่เขียนด้านบนและคำนึงถึงมิติข้อมูล เราก็ได้ผลลัพธ์: ρ=22 579 kg/m3.
ดังนั้น ความหนาแน่นของโลหะหายากคือ 22.58 g/cm3 ซึ่งเท่ากับค่าตารางที่วัดได้ในการทดลอง