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細(xì)說金屬的延展性

2024-12-06 00:00:00耿奕辰
科學(xué)大眾(中學(xué)) 2024年11期

化學(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學(xué),金屬的性質(zhì)當(dāng)然也在研究之列。同學(xué)們在學(xué)習(xí)金屬的物理性質(zhì)過程中,會在教材中看到一張圖,該圖揭示了金屬的一些物理性質(zhì)及其在實際應(yīng)用中的多樣用途。

有趣的是,通過對比不同版本的教材,同學(xué)們可能會注意到圖中文字表述的微妙變化。早期的教材中提到金屬“能展成薄片”,而現(xiàn)行的教材則更新為“有延展性,能壓成薄片”。這一變化實際上引導(dǎo)我們深入探討一個核心概念——延展性。

供圖/視覺中國

什么是延展性

其實,延展性是延性、展性兩個概念相近的機(jī)械性質(zhì)的合稱。這些概念多見于材料科學(xué)。延性是材料受力而產(chǎn)生破壞之前的塑性變形能力,主要表現(xiàn)在材料被拉伸成線條狀時。而材料在外力(錘擊或滾軋)作用下能被碾成薄片而不破裂的性質(zhì),則是展性。通俗一點兒說,金屬有延性,是指金屬可以被抽成細(xì)絲;金屬有展性,是指金屬可以被壓成薄片。

常見金屬及許多合金均有延展性。延性和展性兩者間并不總是相關(guān),如金具有良好的延性和展性,但是鉛僅有良好的展性。因這兩個性質(zhì)概念相近,常被合稱為“延展性”。

金屬延展性的應(yīng)用

除了教材中說的可以拉成絲、壓成薄片,還有哪些具體的例子能說明金屬具有延展性呢?

當(dāng)前,懸索橋與斜拉橋成為橋梁設(shè)計領(lǐng)域的流行趨勢。無論是懸索橋還是斜拉橋,都離不開纜索。研發(fā)纜索的科技含量非常高,要求對所用金屬材料的延展性進(jìn)行極其精確的控制與把握。

延性最好的金屬莫過于鉑了。鉑,俗稱“白金”,最細(xì)的白金絲直徑不過1/5 000毫米。而生活中利用金屬展性的現(xiàn)象,比較常見的就是金箔了。金的展性非常好,最薄的金箔只有1/10 000毫米。一兩黃金壓成的金箔,可覆蓋兩個籃球場。

2002—2011年人教版教材中的配圖
2012—2023年人教版教材中的配圖

延展性有規(guī)律嗎

一般情況下,延展性都是對金屬來講的,即對金屬晶體來講,對其他晶體一般不講延展性。那么,哪些金屬具有更好的延展性呢?

活潑金屬的延展性往往很差,不活潑金屬的延展性往往很好。比如,在金屬中,金、銀、鉑的延展性都在最好之列,堿金屬和堿土金屬的延展性均在最差之列。當(dāng)然,在金屬中,延展性最差的要數(shù)金屬汞了,因為它在常態(tài)下為液態(tài)。

金屬為什么具有延展性

我們常說,物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的性質(zhì)。所以,金屬具有延展性的問題也可以從金屬的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。當(dāng)金屬受到外力作用時,金屬內(nèi)原子層之間容易做相對位移,金屬發(fā)生形變而不易斷裂。因此,金屬具有良好的延展性。

金屬內(nèi)沒有分子或離子,而是完全的金屬鍵,即全是金屬原子之間直接相互作用構(gòu)成的。金屬通常是按照最密集排列,就像平時堆放水果一樣,整齊地羅列起來的,各原子之間的距離都差不多,是一種晶體。金屬晶體的組成微粒為金屬離子和自由電子,存在金屬鍵。當(dāng)金屬受到外力作用時,晶體中的各原子層就會發(fā)生相對滑動。由于金屬離子與自由電子之間的相互作用沒有方向性,滑動以后,各層之間仍保持著這種相互作用。在外力作用下,金屬雖然發(fā)生了變形,但是金屬鍵不被破壞,不破壞金屬鍵,移動就容易,因為這樣金屬離子移動時就不需要吸收能量克服金屬鍵能。

通過上述介紹,同學(xué)們對金屬的延展性應(yīng)該有所了解了吧?

(責(zé)任編輯:白玉磊)

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