Dichtheid is een belangrijke fysieke grootheid voor elke geaggregeerde toestand van materie. In dit artikel zullen we de vraag bespreken wat de dichtheid van metalen is, we zullen een tabel van deze parameter voor chemische elementen geven en praten over het dichtste metaal op aarde.
Over welk fysiek kenmerk hebben we het?
Densiteit is een waarde die de hoeveelheid van een stof in een bekend volume kenmerkt. Volgens deze definitie kan het als volgt wiskundig worden berekend:
ρ=m/V.
Geef deze waarde aan met de Griekse letter ρ (ro).
Dichtheid is een universeel kenmerk omdat het kan worden gebruikt om verschillende materialen te vergelijken. Dit feit kan worden gebruikt om ze te identificeren, wat volgens de legende de Griekse filosoof Archimedes deed (hij was in staat om een nep-gouden kroon te maken door de waarde van ρ ervoor te meten).
Deze parameter voor een bepaald materiaal hangt af van twee hoofdfactoren:
- van de massa van de atomen en moleculen waaruit de stof bestaat;
- van gemiddelde interatomaire en intermoleculaire afstanden.
Alle overgangsmetalen (goud, ijzer, vanadium, wolfraam) hebben bijvoorbeeld een hogere dichtheid dan welk koolstofmateriaal dan ook, omdat de massa van het laatste atoom tien keer minder is. Een ander voorbeeld. Grafiet en diamant zijn twee koolstofstructuren. De tweede is dichter, omdat de interatomaire afstanden in het rooster kleiner zijn.
Dichtheid van metalen
Dit is de grootste groep in het periodiek systeem van Mendelejev. Een metaal is elke stof met een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid, een karakteristieke glans van het oppervlak wanneer het wordt gepolijst en het vermogen om plastische vervorming te ondergaan.
Zo'n chemisch element heeft een lage elektronegativiteit in vergelijking met stoffen als stikstof, zuurstof en koolstof. Dit feit leidt ertoe dat metaalatomen in bulkstructuren een metaalbinding met elkaar vormen. Het is een elektrische interactie tussen positief geladen ionische basen en een negatief elektronengas.
Metaalatomen in de ruimte zijn gerangschikt in de vorm van een geordende structuur, die een kristalrooster wordt genoemd. Er zijn slechts drie soorten:
- kubiek;
- BCC (lichaamsgecentreerd kubisch);
- HCP (hexagonaal dicht opeengepakt);
- FCC (face-centered cubic).
De dichtheid van metalen is een fysieke grootheid die afhangt van het type kristalrooster. Hieronder staat een tabel met deze parameter voor alle chemische elementen in g / cm3, die onder normale omstandigheden invaste toestand.
Uit de tabel volgt dat de dichtheid van metalen een waarde is die over een groot bereik varieert. De zwakste is dus lithium, dat met dezelfde volumes twee keer lichter is dan water. De dichtheid van het zeldzame metaal osmium is de hoogste in de natuur. Het is 22.59g/cm3.
Hoe vind je de waarde?
De dichtheid van metalen is een eigenschap die op twee fundamenteel verschillende manieren kan worden gedefinieerd:
- experimenteel;
- theoretisch.
Experimentele methoden zijn als volgt:
- Directe metingen van lichaamsgewicht en volume. Dit laatste is gemakkelijk te berekenen als de geometrische parameters van het lichaam bekend zijn en de vorm ideaal is, bijvoorbeeld een prisma, een piramide of een bal.
- Hydrostatische metingen. In dit geval worden speciale schalen gebruikt, uitgevonden door Galileo in de 16e eeuw. Het principe van hun werking is vrij eenvoudig: eerst wordt een lichaam met een onbekende dichtheid gewogen in lucht en vervolgens in een vloeistof (water). Daarna wordt de vereiste waarde berekend met een eenvoudige formule.
Wat betreft de theoretische methode voor het bepalen van de dichtheid van metalen, dit is een vrij eenvoudige methode die kennis vereist van het type kristalrooster, de interatomaire afstand daarin en de massa van het atoom. Vervolgens zullen we aan de hand van het voorbeeld van osmium laten zien hoe deze methode wordt gebruikt.
Dichtheid van het zeldzame metaal osmium
Hegevonden in sporenhoeveelheden op onze planeet. Meestal wordt het gevonden in de vorm van legeringen met iridium en platina, evenals in de vorm van oxiden. Osmium heeft een hcp-rooster met parameters a=2,7343 en c=4,32 angstrom. De gemiddelde massa van één atoom is m=190,23 amu
De bovenstaande getallen zijn voldoende om de waarde van ρ te bepalen. Gebruik hiervoor de originele formule voor de dichtheid en houd er rekening mee dat één hexagonaal prisma zes atomen bevat. Hierdoor komen we tot de werkformule:
ρ=4m/(√3a2c).
Door de bovenstaande cijfers te vervangen en rekening te houden met hun afmetingen, komen we tot het resultaat: ρ=22 579 kg/m3.
De dichtheid van een zeldzaam metaal is dus 22,58 g/cm3, wat gelijk is aan de experimenteel gemeten tabelwaarde.
