密度最大的金属是什么?

qzuser220067884


在我们常见的物质中,金属的密度都比较高,那么密度最大的金属是哪种呢?它就是铂族金属中的锇了。



锇的元素符号为Os,原子序数76,首次发现于1804年,其密度为22.59克/立方厘米,而1立方厘米的水只有1克,所以这种金属的密度可以说是水的20多倍,1立方厘米的铁约有7.8克,只有锇的1/3左右,1立方厘米的黄金约有19.3克,黄金是重金属里边的代表,但仍然没有锇的密度高。

锇看上去是灰蓝色金属,组成结构为六方密集晶格,质硬而脆,用锤子可将其轻松砸成粉末,锇粉呈蓝黑色,有易燃属性,所以锇金属粉末可自燃。固态的锇熔点为3045℃,沸点在5300℃以上,但变成蒸气的锇有剧毒,会强烈地刺激人眼部的粘膜,严重时甚至会造成失明。

地球地壳中约有万分之一的锇,自然界中的锇存在于锇铱矿中。提炼时可将含锇的固体焙烧,这时会挥发出四氧化锇,利用醇碱溶液过滤就可吸收并得到锇酸盐,再用氢气还原就能制成金属锇。





提炼出来的金属锇有着很多的应用,工业生产中可以将其作为催化剂,也可以用来制造超高硬度的合金。比如它同铑、钌、铱或铂的合金,就很坚硬耐磨,在铂里掺进一点锇,就可做成硬度大且十分锋利的锇铂合金手术刀,是如今重要的医疗器械。而利用锇与一定量的铱可制成锇铱合金,常用作电唱机、自来水笔尖以及钟表和仪器中的轴承等。比如某些高级钢笔的笔尖上有颗银白色的小圆点,那就是锇铱合金,相对于其他金属,其使用年限很长。


人类的方向



你有没有想过哪种元素密度最高?虽然锇通常被认为是密度最高的元素,但答案并不总是正确的。

密度是单位体积的质量。它可以通过实验来测量,也可以根据物质的性质和它在特定条件下的行为来预测。事实证明,以下两个元素中的任何一个都可以被认为是密度最高的元素:自然锇或者铱。锇和铱都是非常致密的金属,每种金属的重量大约是铅的两倍。在室温和正常大气压力下,锇的计算密度为22.61克/cm³,铱的计算密度为22.65克/cm³。



然而,锇的实验测量值(使用x射线结晶学)是22.59克/cm³ ,铱的含量仅为22.56克/cm³。通常,锇是密度最大的元素。

然而,元素的密度取决于许多因素。这些包括元素的同素异形体(形式)、压力和温度,所以密度没有单一的值。例如,地球上的氢气密度很低,但太阳中同样的氢元素密度超过地球上的锇或铱。如果锇和铱的密度都是在普通条件下测量的,锇会获得冠军。然而,稍微不同的条件可能会导致铱夺冠。

在室温和2.98 GPa以上的压力下,铱比锇密度大,密度为22.75克/cm³。

假设锇的密度最高,你可能会奇怪为什么原子序数较高的元素密度不高。毕竟,每个原子都更重。但是,密度是每一单位体积质量。锇和铱的原子半径非常小,所以质量被压缩成很小的体积。发生这种情况的原因是电子轨道在n=5和n=6轨道上收缩,因为其中的电子没有很好地屏蔽正电荷原子核的吸引力。此外,锇的高原子数也发挥了相对论效应。



电子绕原子核旋转的速度之快,以至于它们的质量增大,s轨道半径减小。

简而言之,锇和铱比铅和其他原子序数更高的元素密度更大,因为这些金属结合了大原子序数和小原子序数。



玄武岩是密度最高的岩石类型。平均值约为3克/cm³,甚至离金属密度差距较远,但仍然很重。根据其组成,闪长岩也可能被认为是玄武岩的竞争者。

地球上密度最大的液体是液态元素汞,其密度为13.5克/cm³。


军机处留级大学士


密度最大的金属是锇,锇是元素周期表第六周期Ⅷ族元素,铂族金属成员之一。元素符号为Os,原子序数76,相对原子质量190.2。属于重铂族金属,它是已知的密度最大的金属。



真的勇者Cosmos



先说结论:

  • 在历史上,由于测量精度问题,常温(20°C)常压下,锇,铱密度哪个大?一直有不同看法。

  • 在常温常压下,基于最新数据,密度最大的金属是锇(22.589 ± 0.005 g/cm³),其次是铱(22.562±0.011 g/cm³) ,但密度差非常小,该数据是否还需要修订,目前不得而知。

  • 温度和压强会影响金属的密度。

  • 压力常压,温度改变时,目前已知实验数据表明,锇的密度都比铱要大。

  • 在常温下,当压力超过约3万个大气压后,铱的密度,大于锇。

下面详细说明!

金属的理论密度如何测量

我们知道,密度 = 质量 ÷ 体积, 对金属理论密度的测量也是遵循这个原理,只不过手段更为高明,它是在晶体结构层面进行计算的,其基本思路,是:求得单个原子的质量,以及单个原子的占据空间(准确说是在单个晶胞内,原子平均分配到的晶胞体积)细节不表,我们来说说决定密度的几个参数。

  • 原子量: 该参数影响单个原子的质量,其数值需要测量。

  • 晶格常数: 该参数影响单个原子的占据空间,其数值需要测量

  • 晶体结构:影响单个原子的占据空间,其数值是准确的,铱是面心立方结构,锇是密排六方结构。

由上面参数可见,原子量和晶格常数的测试结果,直接影响到金属理论密度的数值。


那些年,我们测过的铱锇密度

由于测量手段和测量精度问题,历史上铱,锇理论密度的数值(常温常压下),经历过很多改变,具体如下。

目前来看在常温常压下,锇的密度暂时领先,但不排除未来是否有新数据出现。


当温度变化时,铱会夺冠么?

上述的密度值只是在常温常压下的测量数据,随着温度的改变,铱有可能夺冠么?

在室温下,铱的热膨胀系数比锇要高,因此人们曾经设想:如果把温度降低,铱是不是”收缩“的更厉害一些?体积变小的更强烈,以至于密度超过锇? 经过验证,这种猜测似乎不准确。

下图是在常压,低温范围内,锇,铱的密度对比(从接近绝对零度开始到300K【即27℃】

可见,这种条件下,锇的密度总是高于铱。并且有研究表明,在从室温到温度1027℃以下时,锇的热膨胀系数都比铱要低(再高就没数据了),因此可推断至少在这个范围内,锇的密度仍旧比铱大。


当压强变化时,情况又如何呢?

可以直观想象,压强增大,物体会被压缩,体积变小。由于在常温下,锇比铱更难以压缩(这两者的体积模量都很大,锇是所有金属中最大的,铱排第二)。当重量一定时,随着压强的增加,铱的体积小的更快! 密度增幅更大!那么是否有可能,在压强达到一定值后,铱的密度会超过锇呢?

答案是,会的!

在常温下,当压强超过约3万个大气压(3GPa)时,铱的密度约为 22.750 g/cm³,开始超过锇。


实际的铼,铱制品,密度又如何呢?

由于杂质含量,熔炼缺陷,加工缺陷或多或少都存在,在实际生活中我们能接触的铱,锇制品,都达不到理论密度。

例如,下面是馆长这些年来制作,或收藏的一些铱,锇制品。

这是使用气相沉积技术制造的锇晶体,密度较高,但还是达不到理论密度的。(原谅馆长手机的渣像素^_^)


这是采用电弧熔炼法制造的“锇丹”(Osnium pellet),由于外部与内部均有熔炼缺陷,密度没法达到理论密度,当然了,一般情况下,锇丹的密度还是较高的,而且,体积小的相对会圆,制造缺陷相对也会少一些。


“铱丹”,这件制造缺陷少一些,致密性相对好。但是在放大镜观察下,局部还是可以看到缺陷的。


无定形的碎铱块,致密度也还可以,但不如前者。


前年制造的铱戒指,致密度还可以吧。


好了,就这样。


耐腐蚀艺术馆


白矮星,中子星,夸克星,黑洞,你自己选吧[呲牙]


分享到:


相關文章: