فلزات عناصر شیمیایی هستند که بیشتر جدول تناوبی D. I. Mendeleev را تشکیل می دهند. در این مقاله، ویژگی فیزیکی مهمی مانند چگالی را در نظر می گیریم و همچنین جدولی از چگالی فلزات بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب ارائه می دهیم.
چگالی ماده
قبل از اینکه به چگالی فلزات بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب بپردازیم، بیایید با خود کمیت فیزیکی آشنا شویم. چگالی نسبت جرم بدن m به حجم V آن در فضا است که می توان آن را به صورت ریاضی به صورت زیر نوشت:
ρ=m / V
مقدار مورد مطالعه معمولاً با حرف الفبای یونانی ρ (ro) نشان داده می شود.
اگر قسمت های مختلف بدن دارای جرم های متفاوتی هستند، با استفاده از فرمول نوشته شده، می توانید چگالی متوسط را تعیین کنید. در این مورد، چگالی محلی ممکن است به طور قابل توجهی با میانگین متفاوت باشد.
همانطور که از فرمول می بینید، مقدار ρ بر حسب kg/m3 در سیستم SI بیان می شود. مقدار ماده ای را که در واحد حجم آن قرار می گیرد مشخص می کند. این ویژگی در بسیاری از موارد مشخصه مواد است. بنابراین، برای فلزات مختلف، چگالی بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب استمتفاوت است و به آنها اجازه می دهد شناسایی شوند.
فلزات و چگالی آنها
مواد فلزی در دمای اتاق و فشار اتمسفر جامد هستند (جیوه تنها استثناست). دارای خاصیت پلاستیسیته، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالایی هستند و درخشندگی مشخصی در حالت صیقلی سطح دارند. بسیاری از خواص فلزات با وجود یک شبکه کریستالی منظم مرتبط است که در آن هسته‌های یونی مثبت در گره‌ها قرار دارند و با استفاده از گاز الکترون منفی به یکدیگر متصل می‌شوند.
در مورد چگالی فلزات، این چگالی بسیار متفاوت است. بنابراین، کمترین چگالی فلزات سبک قلیایی مانند لیتیوم، پتاسیم یا سدیم هستند. برای مثال، چگالی لیتیوم 534 کیلوگرم در متر مربع است، که تقریباً نصف چگالی آب است. این بدان معنی است که صفحات لیتیوم، پتاسیم و سدیم در آب فرو نمی روند. از سوی دیگر، فلزات واسطه مانند رنیم، اسمیم، ایریدیم، پلاتین و طلا چگالی عظیمی دارند که 20 برابر یا بیشتر از ρ آب است.
جدول زیر چگالی فلزات را نشان می دهد. همه مقادیر به دمای اتاق بر حسب گرم در سانتی متر 3 اشاره دارد. اگر این مقادیر در 1000 ضرب شوند، ρ بر حسب kg/m3 به دست می‌آید.
چرا فلزات با چگالی بالا و فلزات با چگالی کم وجود دارند؟ واقعیت این است که مقدار ρ برای هر مورد خاص توسط دو اصلی تعیین می شودعوامل:
- ویژگی شبکه کریستالی فلز. اگر این شبکه دارای اتم هایی در متراکم ترین بسته بندی باشد، چگالی ماکروسکوپی آن بیشتر خواهد بود. شبکه های FCC و hcp متراکم ترین بسته بندی را دارند.
- خواص فیزیکی اتم فلز. هر چه جرم آن بزرگتر و شعاع آن کوچکتر باشد، مقدار ρ بیشتر است. این عامل توضیح می دهد که چرا فلزات با چگالی بالا عناصر شیمیایی با تعداد بالا در جدول تناوبی هستند.
تعیین آزمایشی چگالی
فرض کنید یک تکه فلز ناشناخته داریم. چگونه می توان چگالی آن را تعیین کرد؟ با یادآوری فرمول ρ، به پاسخ سوال مطرح شده می رسیم. برای تعیین چگالی فلز کافی است آن را روی هر ترازو وزن کرده و حجم آن را اندازه گیری کنید. سپس مقدار اول باید بر مقدار دوم تقسیم شود، به یاد داشته باشید که از واحدهای صحیح استفاده کنید.
اگر شکل هندسی بدن پیچیده باشد، اندازه گیری حجم آن آسان نخواهد بود. در چنین مواردی، می توانید از قانون ارشمیدس استفاده کنید، زیرا حجم مایع جابجا شده هنگام غوطه ور شدن بدن دقیقاً برابر با حجم اندازه گیری شده خواهد بود.
روش اوزان هیدرواستاتیک که در پایان قرن شانزدهم توسط گالیله ابداع شد، نیز بر اساس استفاده از قانون ارشمیدس است. ماهیت روش اندازه گیری وزن بدن در هوا و سپس در مایع است. اگر مقدار اول با P0 و مقدار دوم با P1 نشان داده شود، چگالی فلز بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب با استفاده از موارد زیر محاسبه می شود. فرمول:
ρ=P0 ρl / (P0 - P 1)
جایی که ρl چگالی مایع است.
تعریف نظری چگالی
در جدول فوق چگالی عناصر شیمیایی، فلزاتی که چگالی نظری برای آنها آورده شده است با رنگ قرمز مشخص شده اند. این عناصر رادیواکتیو هستند و به صورت مصنوعی در مقادیر کم به دست آمده اند. این عوامل اندازه گیری دقیق چگالی آنها را دشوار می کند. با این حال، مقدار ρ را می توان با موفقیت محاسبه کرد.
روش تعیین نظری چگالی بسیار ساده است. برای این کار باید جرم یک اتم، تعداد اتم های شبکه کریستالی ابتدایی و نوع این شبکه را بدانید.
برای مثال، بیایید یک محاسبه برای آهن در نظر بگیریم. جرم اتم آن 55.847 amu است. آهن در شرایط اتاق دارای یک شبکه bcc با پارامتر 2.866 آنگستروم است. از آنجایی که در هر مکعب bcc اولیه دو اتم وجود دارد، دریافت می کنیم:
ρ=255, 8471, 6610-27 / (2, 8663 10 -30)=7.876 کیلوگرم در متر3
اگر این مقدار را با جدول یک مقایسه کنیم، می بینیم که آنها فقط در رقم سوم اعشار متفاوت هستند.
