Плотность у металлов это

Обновлено: 19.09.2024

Металлы – химические элементы, расположенные в левой и нижней части Периодической системы Д.И. Менделеева.

Особое строение кристаллических решеток металлов придает им ряд общих свойств.

К одним из наиболее важных физических свойств металлов относятся плотность, твердость и температура плавления. Эти свойства у металлов весьма различны.

Например, наименьшую плотность имеют щелочные металлы, а наибольшую – осмий. Металлы, плотность которых меньше пяти, условно принято называть легкими металлами, а металлы с плотностью больше пяти – тяжелыми.

По твердости металлы сравнивают с алмазом, твердость которого принята за 10. Самыми мягкими являются щелочные металлы, а самым твердым – хром.

Все металлы обладают металлическим блеском. Это свойство объясняется тем, что металлы хорошо отражают от своей поверхности световые лучи. Металлы отражают также радиоволны, что используется в радиотелескопах, улавливающих радиоизлучения искусственных спутников Земли, и в радиолокаторах, обнаруживающих самолеты на больших расстояниях.

Металлы – хорошие проводники электричества и теплоты. Это зависит от наличия в металлических решетках свободных электронов, которые в электрическом поле перемещаются от отрицательного к положительному полюсу. Электрическая проводимость и теплопроводность металлов неодинакова. Она увеличивается от ртути к серебру.

Из наиболее доступных металлов хорошей электрической проводимостью обладают медь и алюминий, поэтому они используются в качестве проводников электрического тока.

Многие металлы пластичны и обладают хорошей ковкостью, что также объясняется особенностью металлической связи. Так как ионы в металлической решетке друг с другом непосредственно не связаны, отдельные слои их могут свободно перемещаться один относительно другого. Самые хрупкие металлы находятся в V, VI и VII группах Периодической системы Д.И. Менделеева.

Распространенность металлов в природе

Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий. За ним следуют железо, кальций, натрий, калий, магний и титан. Содержание остальных металлов незначительно. Так, например, хрома в земной коре всего лишь 0,3, никеля – 0,2, а меди – 0,01%.

Металлы встречаются в природе как в свободном, так и в виде различных соединений.

Краткая характеристика химических свойств и плотность металлов

Наиболее общими химическими свойствами металлов является способность их атомов при химических реакциях отдавать валентные электроны и превращаться в положительно заряженные ионы.

Наиболее энергично металлы реагируют с кислородом и серой, электроотрицательность которых велика:

В этих реакциях окислителем является соответствующий неметалл.

Металлы могут окисляться также ионами водорода и ионами других металлов. Например, в ходе реакций взаимодействия металлов с водой, с кислотами и растворами солей:

Zn + 2HCl = Zn + H₂;

Примеры решения задач

Задание

При полном сгорании кислородсодержащего органического вещества массой 13,8 г получили 26,4 г углекислого газа и 16,2 г воды. Найдите молекулярную формулу вещества, если относительная плотность его паров по водороду равна 23.

Решение

Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

m(C) = [26,4 / 44]×12 = 7,2г;

m(H) = 2×16,2 / 18 ×1= 1,8 г.

Определим химическую формулу соединения:

x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O);

x:y:z = 7,2/12 :1,8/1 : 4,8/16;

x:y:z = 0,6 : 1,8 : 0,3 = 2 : 6 : 1.

Значит простейшая формула соединения C₂H₆O, а его молярная масса равна 46 г/моль [M(C₂H₆O) = 2×Ar(C) + 6×Ar(H) + Ar(O)= 2×12 + 1×6 + 16 = 24 + 6 + 16 = 46 г / моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по водороду:

M_substance = 2 × 23 = 46 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

Значит молекулярная формула вещества будет иметь вид C₂H₆O.

Задание	Массовая доля фосфора в одном из его оксидов равна 56,4%. Плотность паров оксида по воздуху равна 7,59. Установите молекулярную формулу оксида.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

ω (O) = 100% – ω (P) = 100% – 56,4% = 43,6%.

Обозначим число атомов фосфора в молекуле через «х», число атомов кислорода через «у».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов азота и водорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(P) = 31; Ar(O) = 16.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y = ω(P)/Ar(P) : ω (O)/Ar(O);

x:y = 56,4/31 : 43,6/16;

x:y = 1,82 : 2,725 = 1 : 1,5 = 2 : 3.

Значит простейшая формула соединения фосфора и кислорода имеет вид P₂O₃.

Значение молярной массы газа можно определить при помощи его плотности по воздуху:

M_gas = 29 × 7,59 = 220 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу соединения фосфора и кислорода найдем отношение полученных молярных масс:

M(P₂O₃) = 2 ×Ar(P) + 3 × Ar(O) = 2 ×31 + 3 × 16 = 62 + 48 = 110г/моль.

Значит индексы атомов фосфора и кислорода должны быть в 2 раза выше, т.е. формула вещества будет иметь вид P₄O₆.

Что это - плотность металлов, как она определяется? Расчет плотности для осмия

Плотность является важной физической величиной для любого агрегатного состояния материи. В данной статье рассмотрим вопрос, что это - плотность металлов, приведем таблицу этого параметра для химических элементов и расскажем о самом плотном металле на Земле.

О какой физической характеристике пойдет речь?

Плотность представляет собой величину, которая характеризует количество вещества, находящегося в известном объеме. Согласно этому определению, ее можно математически вычислить так:

Обозначают эту величину греческой буквой ρ (ро).

Плотность является универсальной характеристикой, поскольку по ней можно сравнивать разные материалы. Этот факт можно использовать для их идентификации, что и сделал греческий философ Архимед, согласно легенде (он смог установить подделку золотой короны, измерив величину ρ для нее).

Этот параметр для конкретного материала зависит от двух основных факторов:

от массы составляющих вещество атомов и молекул;
от средних межатомных и межмолекулярных расстояний.

Например, любой из переходных металлов (золото, железо, ванадий, вольфрам) имеет большую плотность, чем любой углеродный материал, поскольку масса атома последнего в десятки раз меньше. Другой пример. Графит и алмаз - это две углеродные структуры. Второй является более плотным, поскольку межатомные расстояния в его решетке меньше.

Плотность металлов

Это самая многочисленная группа периодической таблицы Менделеева. Металлом является любое вещество, которое обладает высокой тепло- и электропроводностью, характерным блеском поверхности при ее полировке, способностью к пластической деформации.

Такой химический элемент обладает низкой электроотрицательностью в сравнении с такими веществами, как азот, кислород и углерод. Этот факт приводит к тому, что в объемных структурах атомы металла образуют друг с другом металлическую связь. Она представляет собой электрическое взаимодействие между положительно заряженными ионными основаниями и отрицательным электронным газом.

Атомы металлов в пространстве располагаются в виде упорядоченной структуры, которая называется кристаллической решеткой. Существует всего три их типа:

кубическая;
ОЦК (объемно-центрированная кубическая);
ГПУ (гексагональная плотноупакованная);
ГЦК (гранецентрированная кубическая).

Плотность металлов - это физическая величина, которая зависит от типа кристаллической решетки. Ниже приводится таблица этого параметра для всех химических элементов в г/см 3 , которые при нормальных условиях находятся в твердом состоянии.

Из таблицы следует, что плотность металлов - это изменяющаяся в широких пределах величина. Так, самым слабым является литий, который при одинаковых объемах в два раза легче воды. Плотность редкого металла осмия является самой большой в природе. Она составляет 22,59 г/см 3 .

Как находят величину?

Плотность металлов - это характеристика, которую можно определить двумя принципиально разными способами:

Экспериментальные методы бывают следующего вида:

Непосредственные измерения веса тела и его объема. Последний легко вычислить, если известны геометрические параметры тела, а его форма является идеальной, например, призмой, пирамидой или шаром.
Гидростатические измерения. В этом случае используются специальные весы, изобретенные еще Галилеем в XVI веке. Принцип их действия достаточно прост: сначала взвешивают тело неизвестной плотности в воздухе, а затем - в жидкости (воде). После этого по простой формуле вычисляют искомую величину.

Что касается теоретического способа определения плотности металлов - это достаточно простой метод, который требует знания типа кристаллической решетки, межатомного расстояния в ней и массы атома. Далее покажем на примере осмия, как этот метод применяют.

Плотность редкого металла осмия

Он содержится в незначительных количествах на нашей планете. Чаще всего его встречают в виде сплавов с иридием и платиной, а также в форме оксидов. Осмий обладает ГПУ решеткой с параметрами a = 2,7343 и c = 4,32 ангстрема. Масса одного атома составляет в среднем m = 190,23 а.е.м.

Приведенных выше цифр достаточно, чтобы определить величину ρ. Для этого следует воспользоваться исходной формулой для плотности и учесть, что одна гексагональная призма содержит шесть атомов. В результате мы приходим к рабочей формуле:

Подставляя записанные выше цифры и учитывая их размерности, приходим к результату: ρ = 22 579 кг/м 3 .

Таким образом, плотность редкого металла равна 22,58 г/см 3 , что равняется измеренному экспериментально табличному значению.

Металлы и сплавы. Таблицы плотности металлов и сплавов

Каждый школьник, который знаком с таблицей Менделеева, знает, что количество металлов в ней составляет большую часть химических элементов. Одной из важных физических характеристик для них является плотность. Рассмотрим эту величину в статье и приведем таблицу плотности металлов и сплавов.

Что такое плотность

Если взять одинаковые объемы пластмассы и стали, то первая будет гораздо легче, чем вторая. Наоборот, кусок пластмассы будет иметь точно такой же вес, как кусок стали, если он будет намного больше его по объему. Причиной указанных различий является такая физическая величина, как плотность. Формула для ее вычисления имеет следующий вид:

Здесь m - масса тела, V - его объем. Греческая буква ρ (ро) часто используется для обозначения плотности. Из формулы следует, что единицами измерения величины в СИ являются килограммы на кубический метр (кг/ м 3 ). Также могут использоваться внесистемные единицы, например, г/ см 3 или г/ л (для жидкостей).

Что такое металлы

Прежде чем приводить таблицу плотности металлов, поясним, о каком веществе идет речь. Металлические материалы отличаются от неметаллов высокими тепло- и электропроводностью и пластичностью. Это главные отличительные их свойства. Также существуют второстепенные свойства, например, наличие характерного металлического блеска, ковкость и низкая электроотрицательность для их атомов.

Все металлы при нормальных условиях существуют в твердом виде. Исключение составляет лишь ртуть, для которой температура кристаллизации составляет -39 o C. Твердый металл существует в виде кристаллической решетки. Последняя представляет собой совокупность атомов, которые определенным геометрическим способом организованы в пространстве. Любой чистый (однокомпонентный) металлический материал существует в одном из трех типов кристаллических решеток при данных условиях. Это следующие решетки:

Гранецентрированная кубическая (ГЦК).
Объемно-центрированная кубическая (ОЦК).
Гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Если условия (температура, давление) изменить, то металл может перейти из одного в другое кристаллическое состояние. Классическим примером является переход ОЦК железа в ГЦК, когда температура падает ниже 1392 o C, или когда она повышается выше 911 o C.

Таблица плотности металлов

Плотность металлов определяется двумя основными факторами:

Типом кристаллической решетки и межатомными расстояниями в ней.
Массой атома химического элемента.

Таблица плотности металлов и других элементов приводится ниже.

Здесь приведены цифры в г/ см 3 . Чтобы таблица плотности металлов в кг/ м3 выражалась, необходимо соответствующую величину умножить на 1000. Из таблицы видно, что металлы обладают самой разной плотностью. Они могут быть легче воды (натрий, литий, калий) или же являться очень тяжелыми (иридий, осмий, платина, золото).

Плотность сплавов

Сплавы представляют собой многокомпонентные вещества, например, сталь - это сплав железа и углерода. Кристаллическая структура сплавов является более сложной, чем для чистых металлов. Для стали, которая состоит из атомов железа и углерода, существует несколько возможностей их взаимного расположения (твердый раствор углерода в ОЦК или ГЦК железе, образование специальной фазы - цементита, образование графитных включений и некоторые другие).

Что касается плотности сплавов, то во многих случаях ее можно оценить по следующей простой формуле:

Где i - номер компонента в сплаве. Если это выражение применить для двухкомпонентного сплава, то можно получить следующую формулу:

Где ρ₁ и ρ₂ - плотности соответствующих компонент, x - массовая доля первого компонента в сплаве. Она определяется так:

Таблица плотности некоторых сплавов в тоннах на метр кубический приведена ниже.

Поскольку каждый сплав содержит преимущественно один компонент (сталь - железо, бронза - медь, нихром - никель и так далее), то неудивительно, что их плотности близки к соответствующим величинам для чистых металлов.

Плотность металлов и сплавов

В таблице представлена плотность металлов и сплавов, а также коэффициент К отношения их плотности к плотности стали. Плотность металлов и сплавов в таблице указана в размерности г/см 3 для интервала температуры от 0 до 50°С.

Дана плотность металлов, таких как: бериллий Be, ванадий V, висмут Bi, вольфрам W, галлий Ga, гафний Hf, германий Ge, золото Au, индий In, кадмий Cd, кобальт Co, литий Li, марганец Mn, магний Mg, медь Cu, молибден Mo, натрий Na, никель Ni, олово Sn, палладий Pd, платина Pt, рений Re, родий Rh, ртуть Hg, рубидий Rb, рутений Ru, свинец Pb, серебро Ag, стронций Sr, сурьма Sb, таллий Tl, тантал Ta, теллур Te, титан Ti, хром Cr, цинк Zn, цирконий Zr.

Плотность алюминиевых сплавов и металлической стружки: алюминиевые сплавы: АЛ1, АЛ2, АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ7, АЛ8, АЛ9, АЛ11, АЛ13, АЛ21, АЛ22, АЛ24, АЛ25. Насыпная плотность стружки: стружка алюминиевая мелкая дробленая, стальная мелкая, стальная крупная, чугунная. Примечание: плотность стружки в таблице дана в размерности т/м 3 .

Плотность бронзы различных марок: бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением: БрА5, 7, БрАМц9-2, БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5, БрАЖН10-4-4, БрКМц3,1, БрКН1-3, БрМц5; бронзы бериллиевые: БрБ2, БрБНТ1,9, БрБНТ1,7; бронзы оловянные деформируемые: Бр0Ф8,0-0,3, Бр0Ф7-0,2, Бр0Ф6,5-0,4, Бр0Ф6,5-0,15, Бр0Ф4-0,25, Бр0Ц4-3, Бр0ЦС4-4-2,5, Бр0ЦС4-4-4; бронзы оловянные литейные: Бр03Ц12С5, Бр03Ц7С5Н1, Бр05Ц5С5; бронзы безоловянные литейные: БрА9Мц2Л, БрА9Ж3Л, БрА10Ж4Н4Л, БрС30.

Плотность сплавов никеля и цинка: никелевые и медно-никелевые сплавы, обрабатываемые давлением: НК0,2, НМц2,5, НМц5, НМцАК2-2-1, НХ9,5, МНМц43-0,5, НМЦ-40-1,5, МНЖМц30-1-1, МНЖ5-1, МН19, 16, МНЦ15-20, МНА 13-3, МНА6-1,5, МНМц3-12; цинковые сплавы антифрикционные: ЦАМ9-1,5Л, ЦАМ9-1,5, ЦАМ10-5Л, ЦАМ10-5.

Плотность стали, чугуна и баббитов: сталь конструкционная, стальное литье, сталь быстрорежущая с содержанием вольфрама 5…18%; чугун антифрикционный, ковкий и высокопрочный, чугун серый; баббиты оловянные и свинцовые: Б88, 83, 83С, Б16, БН, БС6.

Приведем показательные примеры плотности различных металлов и сплавов. По данным таблицы видно, что наименьшую плотность имеет металл литий, он считается самым легким металлом, плотность которого даже меньше плотности воды — плотность этого металла равна 0,53 г/см 3 или 530 кг/м 3 . А у какого металла наибольшая плотность? Металл, обладающий наибольшей плотностью — это осмий. Плотность этого редкого металла равна 22,59 г/см 3 или 22590 кг/м 3 .

Следует также отметить достаточно высокую плотность драгоценных металлов. Например, плотность таких тяжелых металлов, как платина и золото, соответственно равна 21,5 и 19,3 г/см 3 . Дополнительная информация по плотности и температуре плавления металлов представлена в этой таблице.

Сплавы также обладают широким диапазоном значений плотности. К легким сплавам относятся магниевые сплавы и сплавы алюминия. Плотность алюминиевых сплавов выше. К сплавам с высокой плотностью можно отнести медные сплавы такие, как латуни и бронзы, а также баббиты.

Источник:
Цветные металлы и сплавы. Справочник. Издательство «Вента-2». НН., 2001 — 279 с.

Удельный вес металла

При проектировании деталей и металлоконструкций необходимо знать сколько будет весить готовое изделие или сооружение. Эта характеристика важна для работы механизмов, расчетов нагрузок на опоры. Образцы одного объема и формы, выполненные из разных материалов имеют разные показатели массы, ускорения. Это же относится к сравнению металлических сплавов одной группы. Что такое удельный вес металла, как его определить?

Удельным называют вес абсолютно плотного вещества. Для измерения следует привести материал в такое состояние, в котором в структуре отсутствуют поры и посторонние включения. Расчет проводят по формуле:

Ƴ = P/V
где P — вес однородного тела, V — его объем

Принято несколько систем вычисления с разными единицами измерения.

СГС (дин/см³): 1 дина — это сила, которая сообщает ускорение 1 см/с² телу массой в 1 г. Метод был разработан в 1832 г., позже признан сложно применимым и исключен из инженерных расчетов, но применяется до сих пор в физике и астрофизике.
СИ (Н/м³): международная система измерения для обозначения физических характеристик, для учета используют силу тяжести в ньютонах на кубический метр объема.
МКГСС (кГ/м³): импульс, сообщающий телу m=1 кг, ускорение, равное ускорению свободного падения, но в горизонтальной плоскости. Методика не принята стандартами ГОСТ с 60-х годов, но используется в промышленности благодаря измерительным приборам, функционирующим в МКГСС.

Эти единицы измерения легко конвертировать: 0,1 дин/см³= 1 Н/м³= 0,102кГ/м³. Для удобства вычислений в металлургии используют обозначения в кубических сантиметрах и метрах. Это зависит от ценности и расхода сырья. Иногда Ƴ путают с плотностью. Действительно, их вычисляют по похожим формулам. Однако плотность (P=m/V) рассчитывают для любых тел и веществ, и даже пространств (межгалактические и межзвездные среды), а не только для абсолютно плотных.

Величина меняется в зависимости от температуры среды. Определение “весит” указывает на силу, с которой тело воздействует на подвес или поверхность, она имеет направленный вектор: Р (в ньютонах)=mg (масса в кг*ускорение свободного падения м/с²). Там, где важна высокая точность, значение g варьируется от 9,780 на экваторе Земли до 9,82 на полюсах. Во всех остальных случаях допускается округление до 10. Масса тел постоянна.

Удельный вес цветных металлов

Цветмет — ограниченное и ценное сырье, каждый материал обладает уникальными свойствами: свинец и олово смягчают трение механизмов, алюминий легкий и безопасный, из его сплавов делают самолеты и упаковку для пищи. Величину Ƴ вычисляют в лабораторных условиях. Она соотносится с температурой плавления — фазовым переходом из твердого состояния в жидкое под воздействием нагрева и давления. В этом же терморежиме происходит и обратный процесс.

Таким образом, t плавления = t кристаллизации.

Это совпадение возможно только для идеально чистых однородных веществ, не содержащих примесей. Именно эти цифры указывают в справочниках.

Читайте также: