密度最大的金屬是什麼?

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在我們常見的物質中,金屬的密度都比較高,那麼密度最大的金屬是哪種呢?它就是鉑族金屬中的鋨了。



鋨的元素符號為Os,原子序數76,首次發現於1804年,其密度為22.59克/立方厘米,而1立方厘米的水只有1克,所以這種金屬的密度可以說是水的20多倍,1立方厘米的鐵約有7.8克,只有鋨的1/3左右,1立方厘米的黃金約有19.3克,黃金是重金屬裡邊的代表,但仍然沒有鋨的密度高。

鋨看上去是灰藍色金屬,組成結構為六方密集晶格,質硬而脆,用錘子可將其輕鬆砸成粉末,鋨粉呈藍黑色,有易燃屬性,所以鋨金屬粉末可自燃。固態的鋨熔點為3045℃,沸點在5300℃以上,但變成蒸氣的鋨有劇毒,會強烈地刺激人眼部的粘膜,嚴重時甚至會造成失明。

地球地殼中約有萬分之一的鋨,自然界中的鋨存在於鋨銥礦中。提煉時可將含鋨的固體焙燒,這時會揮發出四氧化鋨,利用醇鹼溶液過濾就可吸收並得到鋨酸鹽,再用氫氣還原就能製成金屬鋨。





提煉出來的金屬鋨有著很多的應用,工業生產中可以將其作為催化劑,也可以用來製造超高硬度的合金。比如它同銠、釕、銥或鉑的合金,就很堅硬耐磨,在鉑裡摻進一點鋨,就可做成硬度大且十分鋒利的鋨鉑合金手術刀,是如今重要的醫療器械。而利用鋨與一定量的銥可製成鋨銥合金,常用作電唱機、自來水筆尖以及鐘錶和儀器中的軸承等。比如某些高級鋼筆的筆尖上有顆銀白色的小圓點,那就是鋨銥合金,相對於其他金屬,其使用年限很長。


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你有沒有想過哪種元素密度最高?雖然鋨通常被認為是密度最高的元素,但答案並不總是正確的。

密度是單位體積的質量。它可以通過實驗來測量,也可以根據物質的性質和它在特定條件下的行為來預測。事實證明,以下兩個元素中的任何一個都可以被認為是密度最高的元素:自然鋨或者銥。鋨和銥都是非常緻密的金屬,每種金屬的重量大約是鉛的兩倍。在室溫和正常大氣壓力下,鋨的計算密度為22.61克/cm³,銥的計算密度為22.65克/cm³。



然而,鋨的實驗測量值(使用x射線結晶學)是22.59克/cm³ ,銥的含量僅為22.56克/cm³。通常,鋨是密度最大的元素。

然而,元素的密度取決於許多因素。這些包括元素的同素異形體(形式)、壓力和溫度,所以密度沒有單一的值。例如,地球上的氫氣密度很低,但太陽中同樣的氫元素密度超過地球上的鋨或銥。如果鋨和銥的密度都是在普通條件下測量的,鋨會獲得冠軍。然而,稍微不同的條件可能會導致銥奪冠。

在室溫和2.98 GPa以上的壓力下,銥比鋨密度大,密度為22.75克/cm³。

假設鋨的密度最高,你可能會奇怪為什麼原子序數較高的元素密度不高。畢竟,每個原子都更重。但是,密度是每一單位體積質量。鋨和銥的原子半徑非常小,所以質量被壓縮成很小的體積。發生這種情況的原因是電子軌道在n=5和n=6軌道上收縮,因為其中的電子沒有很好地屏蔽正電荷原子核的吸引力。此外,鋨的高原子數也發揮了相對論效應。



電子繞原子核旋轉的速度之快,以至於它們的質量增大,s軌道半徑減小。

簡而言之,鋨和銥比鉛和其他原子序數更高的元素密度更大,因為這些金屬結合了大原子序數和小原子序數。



玄武岩是密度最高的岩石類型。平均值約為3克/cm³,甚至離金屬密度差距較遠,但仍然很重。根據其組成,閃長巖也可能被認為是玄武岩的競爭者。

地球上密度最大的液體是液態元素汞,其密度為13.5克/cm³。


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密度最大的金屬是鋨,鋨是元素週期表第六週期Ⅷ族元素,鉑族金屬成員之一。元素符號為Os,原子序數76,相對原子質量190.2。屬於重鉑族金屬,它是已知的密度最大的金屬。



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先說結論:

  • 在歷史上,由於測量精度問題,常溫(20°C)常壓下,鋨,銥密度哪個大?一直有不同看法。

  • 在常溫常壓下,基於最新數據,密度最大的金屬是鋨(22.589 ± 0.005 g/cm³),其次是銥(22.562±0.011 g/cm³) ,但密度差非常小,該數據是否還需要修訂,目前不得而知。

  • 溫度和壓強會影響金屬的密度。

  • 壓力常壓,溫度改變時,目前已知實驗數據表明,鋨的密度都比銥要大。

  • 在常溫下,當壓力超過約3萬個大氣壓後,銥的密度,大於鋨。

下面詳細說明!

金屬的理論密度如何測量

我們知道,密度 = 質量 ÷ 體積, 對金屬理論密度的測量也是遵循這個原理,只不過手段更為高明,它是在晶體結構層面進行計算的,其基本思路,是:求得單個原子的質量,以及單個原子的佔據空間(準確說是在單個晶胞內,原子平均分配到的晶胞體積)細節不表,我們來說說決定密度的幾個參數。

  • 原子量: 該參數影響單個原子的質量,其數值需要測量。

  • 晶格常數: 該參數影響單個原子的佔據空間,其數值需要測量

  • 晶體結構:影響單個原子的佔據空間,其數值是準確的,銥是面心立方結構,鋨是密排六方結構。

由上面參數可見,原子量和晶格常數的測試結果,直接影響到金屬理論密度的數值。


那些年,我們測過的銥鋨密度

由於測量手段和測量精度問題,歷史上銥,鋨理論密度的數值(常溫常壓下),經歷過很多改變,具體如下。

目前來看在常溫常壓下,鋨的密度暫時領先,但不排除未來是否有新數據出現。


當溫度變化時,銥會奪冠麼?

上述的密度值只是在常溫常壓下的測量數據,隨著溫度的改變,銥有可能奪冠麼?

在室溫下,銥的熱膨脹係數比鋨要高,因此人們曾經設想:如果把溫度降低,銥是不是”收縮“的更厲害一些?體積變小的更強烈,以至於密度超過鋨? 經過驗證,這種猜測似乎不準確。

下圖是在常壓,低溫範圍內,鋨,銥的密度對比(從接近絕對零度開始到300K【即27℃】

可見,這種條件下,鋨的密度總是高於銥。並且有研究表明,在從室溫到溫度1027℃以下時,鋨的熱膨脹係數都比銥要低(再高就沒數據了),因此可推斷至少在這個範圍內,鋨的密度仍舊比銥大。


當壓強變化時,情況又如何呢?

可以直觀想象,壓強增大,物體會被壓縮,體積變小。由於在常溫下,鋨比銥更難以壓縮(這兩者的體積模量都很大,鋨是所有金屬中最大的,銥排第二)。當重量一定時,隨著壓強的增加,銥的體積小的更快! 密度增幅更大!那麼是否有可能,在壓強達到一定值後,銥的密度會超過鋨呢?

答案是,會的!

在常溫下,當壓強超過約3萬個大氣壓(3GPa)時,銥的密度約為 22.750 g/cm³,開始超過鋨。


實際的錸,銥製品,密度又如何呢?

由於雜質含量,熔鍊缺陷,加工缺陷或多或少都存在,在實際生活中我們能接觸的銥,鋨製品,都達不到理論密度。

例如,下面是館長這些年來製作,或收藏的一些銥,鋨製品。

這是使用氣相沉積技術製造的鋨晶體,密度較高,但還是達不到理論密度的。(原諒館長手機的渣像素^_^)


這是採用電弧熔鍊法制造的“鋨丹”(Osnium pellet),由於外部與內部均有熔鍊缺陷,密度沒法達到理論密度,當然了,一般情況下,鋨丹的密度還是較高的,而且,體積小的相對會圓,製造缺陷相對也會少一些。


“銥丹”,這件製造缺陷少一些,緻密性相對好。但是在放大鏡觀察下,局部還是可以看到缺陷的。


無定形的碎銥塊,緻密度也還可以,但不如前者。


前年製造的銥戒指,緻密度還可以吧。


好了,就這樣。


耐腐蝕藝術館


白矮星,中子星,夸克星,黑洞,你自己選吧[呲牙]


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