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。

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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。

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。

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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。

铜：紫红色，金属光泽强

金：黄色，金属光泽极强

银：银白色，极其明亮，有镜面感

铁：银白色偏灰，金属光泽，一般不如银、铝明亮

铝：银白色偏亮，金属光泽强，略显明亮

大多数金属呈银白色，表面有光泽；铜、金颜色最有辨识度；先看颜色与光泽，再结合密度、延展性

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。

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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。

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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。

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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。

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。

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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。

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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。

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。

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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。

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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

显示答案

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。

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第二题　延展性最强的金属是（　　）

A. 铁（$Fe$）

B. 铜（$Cu$）

C. 金（$Au$）

D. 铝（$Al$）

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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。

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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

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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。

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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

显示答案

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（$Li$）密度仅 $0.53\,\text{g/cm}^3$，远小于水（$1\,\text{g/cm}^3$），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（$7.87\,\text{g/cm}^3$）比铜（$8.96\,\text{g/cm}^3$）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。

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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？

显示答案

解题过程：

第（1）问：铜导线的质量

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

铜导线的质量为 $448\,\text{g}$。

第（2）问：铝导线的体积

相同质量的铝，质量也为 $448\,\text{g}$：

$$V_{Al} = \frac{m_{Al}}{\rho_{Al}} = \frac{448\,\text{g}}{2.70\,\text{g/cm}^3} \approx 165.9\,\text{cm}^3$$

与铜导线体积（$50\,\text{cm}^3$）相比，体积增大倍数：

$$\frac{V_{Al}}{V_{Cu}} = \frac{165.9\,\text{cm}^3}{50\,\text{cm}^3} \approx 3.3\,\text{倍}$$

答： 铜导线的质量为 $448\,\text{g}$；相同质量的铝导线体积约为 $165.9\,\text{cm}^3$，约是铜导线体积的 $3.3$ 倍。这说明铝的密度远小于铜，同等质量的铝体积要大得多。

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

显示答案

解题过程：

第（1）问：灯丝的体积

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

灯丝的体积为 $0.01\,\text{cm}^3$。

第（2）问：灯丝的横截面积

将体积换算为 $\text{mm}^3$：

$$V = 0.01\,\text{cm}^3 \times 1000\,\text{mm}^3/\text{cm}^3 = 10\,\text{mm}^3$$

由体积公式：

$$V = S \times L$$$$S = \frac{V}{L} = \frac{10\,\text{mm}^3}{580\,\text{mm}} \approx 0.0172\,\text{mm}^2$$

答： 灯丝的体积为 $0.01\,\text{cm}^3$；灯丝的横截面积约为 $0.0172\,\text{mm}^2$。这一结果说明钨灯丝极细，直径约在 $0.15\,\text{mm}$ 左右，正是钨极强的延展性使得这种极细的金属丝能够制造出来。