金属的物理性质

生活中随处可见金属的影子：炒菜的铁锅、传递信号的铜导线、包裹食物的铝箔、制作首饰的金和银……这些物品之所以选用金属制造，并不是偶然的，而是因为金属本身具有一系列独特的物理性质，使它们在工业、建筑、电子等各个领域中发挥着不可替代的作用。

认识金属的物理性质，是理解金属为何如此“有用”的第一步。

金属的共同特征

在了解各种金属的具体性质之前，先来看看金属家族的“共同面貌”。绝大多数金属在常温下都是固态，外观上有着相似的特点。

金属的这些共同性质，来源于金属内部特殊的结构——金属原子之间通过“金属键”连接，外层自由移动的电子使得金属既能导电、导热，又具有延展性。这个原理在后续学习中会进一步了解，目前只需记住“金属有光泽、能导电、能导热、有延展性”这四个基本特征。

值得注意的是，金属中有一个“例外”——汞（ $Hg$ ），俗称水银。汞是常温下唯一呈液态的金属，熔点为 $-38.87\,°C$ ，远低于室温，因此在室温下就已经是液体。

金属光泽

金属之所以看起来“亮闪闪”，是因为金属表面能够反射可见光。不同的金属反射光的方式略有差异，因此呈现出不同的颜色。

绝大多数金属呈银白色，铜呈紫红色，金呈黄色。辨别金属时，颜色是最直观的依据之一，但颜色相近的金属（如铁和铝）还需要通过密度、硬度等其他性质来区分。

例题

小明在路边捡到一块金属片，外观呈银白色，光泽明亮，密度较小，用手轻易弯折。根据以上信息，该金属最可能是哪种？

该金属呈银白色、有光泽，说明它是金属；密度较小，说明不是铁（铁密度较大）；能轻易弯折，延展性较好。综合以上特征，该金属最可能是铝（ $Al$ ）。铝的密度约为 $2.7\,\text{g/cm}^3$ ，比铁（约 $7.9\,\text{g/cm}^3$ ）轻得多，且延展性良好，符合上述描述。

导电性

金属导电性是指金属能传导电流的能力。电流的本质是自由电子的定向移动，而金属内部恰好存在大量可以自由移动的电子，这正是金属能够导电的根本原因。

不同金属的导电能力并不完全相同。以下是几种常见金属导电性的比较（以银的导电性为 $100\%$ 作为参照）：

从表中可以看出，银的导电性最强，铜紧随其后。电线通常用铜制作，而不用银，主要是因为铜的资源更丰富、价格更低廉，导电性也足够优异。高压输电线则常用铝，因为铝比铜轻得多，在长距离架设时可以大幅减轻线路重量。

例题

为什么家用电线的导体芯通常选用铜，而不是导电性更强的银？

银的导电性虽然最强，但银是贵金属，资源稀少，价格昂贵。铜的导电性仅次于银，资源丰富，价格远低于银，且机械强度和耐久性均满足要求。因此，从“性能足够好、成本合理”的原则出发，铜是制作导线的最佳选择。

导电性最强的金属是银（ $Ag$ ），其次是铜（ $Cu$ ），再次是金（ $Au$ ）。工业中最常用的导电金属是铜，高压输电线常用铝。这是“性能与成本兼顾”思维的典型体现。

导热性

导热性是指金属传递热量的能力。同样因为金属内部自由电子的存在，热量可以通过电子的碰撞迅速传播，因此金属的导热性普遍优于非金属材料。

生活中的铁锅和铝锅都利用了金属的导热性。锅底吸收炉灶的热量，通过金属迅速传导到整个锅面，使食物受热均匀。

例题

夏天抓住铁棍和木棍，铁棍感觉更烫，这说明什么？

铁棍感觉更烫，是因为铁的导热性远强于木材。铁能迅速将环境热量传导到手上，使手感觉温度升高更明显；木材导热性差，热量传导慢，手不会马上感到热。这一现象说明不同物质的导热性有明显差异，金属的导热性通常远大于非金属材料。

导电性和导热性的强弱顺序基本一致：银 > 铜 > 金 > 铝 > 铁。这是因为两者都依赖金属内部自由电子的运动，导电性强的金属，导热性通常也较强。

延展性

延展性是金属非常重要的一种机械性质，分为两个方面：

“延性”是指金属在拉力作用下能被拉成细丝而不断裂的能力；“展性”是指金属在锤击或压力作用下能被压成薄片而不碎裂的能力。

金的延展性在所有金属中排名第一。 $1\,\text{g}$ 黄金可以被锤打成面积约 $0.5\,\text{m}^2$ 的金箔，厚度仅约 $0.1\,\mu\text{m}$ ，薄得几乎透明。这正是古代工匠用来贴金装饰佛像、建筑的原理。

例题

铝箔可以用于食品包装，是因为铝具有什么物理性质？

铝箔能被压制成极薄的片状，包裹食物，这正是利用了铝良好的延展性（展性）。铝能被压延成很薄的箔片而不碎裂，同时铝箔还具有较好的隔热性和阻隔性，适合保存食物。

密度

金属的密度差异非常大。有的金属极轻，有的金属极重。通常将密度小于 $4.5\,\text{g/cm}^3$ 的金属称为“轻金属”，密度大于 $4.5\,\text{g/cm}^3$ 的金属称为“重金属”。

从上面可以看出，铝的密度约为铁的三分之一，这就是为什么铝被大量用于航空、汽车制造——重量轻，可以减少能耗。铁的强度高，成本低，则被广泛用于建筑和机械。

例题

同样是体积为 $100\,\text{cm}^3$ 的金属块，铝块和铁块哪个更重？重多少？

铝的密度为 $2.70\,\text{g/cm}^3$ ，铁的密度为 $7.87\,\text{g/cm}^3$ 。

铝块的质量：

m_{Al} = \rho_{Al} \times V = 2.70\,\text{g/cm}^3 \times 100\,\text{cm}^3 = 270\,\text{g}

铁块的质量：

m_{Fe} = \rho_{Fe} \times V = 7.87\,\text{g/cm}^3 \times 100\,\text{cm}^3 = 787\,\text{g}

铁块比铝块重，两者质量差为：

787\,\text{g} - 270\,\text{g} = 517\,\text{g}

相同体积下，铁块比铝块重约 $517\,\text{g}$ ，是铝块质量的近 $3$ 倍。

熔点与硬度

金属的熔点（固态变为液态的温度）和硬度也因种类不同而差异很大。

钨（ $W$ ）的熔点高达 $3422\,°C$ ，是所有金属中熔点最高的。白炽灯的灯丝就是用钨制成的，正是因为钨能承受通电发光时产生的极高温度而不熔化。汞的熔点最低，常温下为液态，是唯一的液态金属。

例题

焊接电路板时使用的“焊锡”（主要成分为锡和铅的合金）熔点较低，约为 $180°C \sim 200°C$ ，为什么选择低熔点的合金来焊接电路？

焊接时需要将焊料熔化后流入焊点，再冷却凝固形成连接。低熔点合金的优点在于：加热到较低温度即可熔化，操作方便；同时低温焊接对电路板上的元器件损伤小，避免因温度过高而烧毁电子元件。因此，低熔点是焊锡的关键优势。

几种重要金属的综合对比

学过上面各种性质后，通过一下内容整体对比几种常见金属：

从上面可以直观看出，不同金属在各项物理性质上各有特点，正是这些差异决定了它们各自的用途。铜用于导线是因为导电性强；铝用于飞机是因为密度小；金用于首饰是因为颜色美观且化学性质稳定；铁用于钢铁建筑是因为来源丰富、强度高。

选择材料的核心原则是“性质决定用途，用途反映性质”。了解一种金属的物理性质，就能判断它适合用在哪些场合。这种从性质推断用途的分析方式，是学习化学材料部分的核心思维方法。

练习题

第一题　下列关于金属共同物理性质的说法，不正确的是（　　）

A. 金属一般具有金属光泽，大多数呈银白色

B. 金属都能导电，导电性强弱顺序为：银 > 铜 > 铝 > 铁

C. 所有金属在常温下都是固体，不存在液态金属

D. 金属普遍具有良好的导热性和延展性

答案：C

选项C错误。汞（ $Hg$ ，俗称水银）在常温下（约 $20°C$ ）即为液态，是常温下唯一呈液态的金属，其熔点为 $-38.87°C$ ，远低于室温。选项A、B、D均为正确表述。

第二题　延展性最强的金属是（　　）

A. 铁（ $Fe$ ）

B. 铜（ $Cu$ ）

C. 金（ $Au$ ）

D. 铝（ $Al$ ）

答案：C

金（ $Au$ ）是延展性最强的金属。 $1\,\text{g}$ 金可以被拉成约 $3000\,\text{m}$ 的细丝，或锤打成面积约 $0.5\,\text{m}^2$ 的金箔，薄度几乎达到透明。铜和铝的延展性也良好，但均不及金。

第三题　某同学需要选择一种金属材料制作家用导线，综合考虑导电性和成本，最合适的选择是（　　）

A. 银（ $Ag$ ）——导电性最强

B. 铜（ $Cu$ ）——导电性强，资源丰富，价格合理

C. 铝（ $Al$ ）——密度小，质量轻

D. 金（ $Au$ ）——化学性质稳定，不易被腐蚀

答案：B

铜的导电性仅次于银，但铜资源丰富，价格远低于银和金，机械性能和耐久性也满足家用要求，是家用导线的最优选择。银虽然导电性最强，但价格昂贵，不适合大量用于普通导线；铝导电性较弱，且连接处易氧化，安全性不如铜；金价格极高，不具有实用性。

第四题　下列关于金属密度的说法，正确的是（　　）

A. 金属的密度都很大，比水重得多

B. 密度最小的金属是铝（ $Al$ ）

C. 铁的密度比铜大，所以相同质量的铁比铜体积大

D. 钨（ $W$ ）是熔点最高的金属，但不是密度最大的金属

答案：D

钨的熔点最高（ $3422°C$ ），但密度约为 $19.3\,\text{g/cm}^3$ ，而锇（ $Os$ ）的密度约为 $22.59\,\text{g/cm}^3$ ，是密度最大的金属，两者不同，D正确。

选项A错误：锂（）密度仅，远小于水（），能浮在水面上；选项B错误：密度最小的金属是锂而非铝；选项C需要分析——铁的密度（）比铜（）小，所以相同质量的铁体积比铜大，表述方向正确，但题目说铁密度“比铜大”是错误的前提，故C错误。

计算题

第五题　一根铜导线的体积为 $50\,\text{cm}^3$ ，铜的密度为 $8.96\,\text{g/cm}^3$ 。

（1）这根铜导线的质量是多少克？

（2）如果用相同质量的铝（密度为 $2.70\,\text{g/cm}^3$ ）来制作导线，铝导线的体积是多少？与铜导线体积相比，体积增加了多少倍？

解题过程：

第（1）问：铜导线的质量

m_{Cu} = \rho_{Cu} \times V_{Cu} = 8.96\,\text{g/cm}^3 \times 50\,\text{cm}^3 = 448\,\text{g}

第六题　已知钨（ $W$ ）的密度为 $19.3\,\text{g/cm}^3$ ，一个白炽灯泡的钨灯丝质量约为 $0.193\,\text{g}$ 。

（1）这根灯丝的体积是多少 $\text{cm}^3$ ？

（2）将灯丝展开拉直后，其长度约为 $580\,\text{mm}$ ，求灯丝的横截面积（单位： $\text{mm}^2$ ）。（提示：体积 $=$ 横截面积 $\times$ 长度，需将体积单位统一为 $\text{mm}^3$ ，）

解题过程：

第（1）问：灯丝的体积

V = \frac{m}{\rho} = \frac{0.193\,\text{g}}{19.3\,\text{g/cm}^3} = 0.01\,\text{cm}^3

L i

Li

1 {cm}^{3} = 1000 {mm}^{3}

1\,\text{cm}^3 = 1000\,\text{mm}^3

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