1. Плотность алюминия в твердом состоянии 2700 кг/м³ (м³ - метров в кубе), в жидком состоянии 2380 кг/м³. В чем причина изменения плотности алюминия?

Плотность — это масса, приходящаяся на единицу объёма. Когда алюминий переходит из твёрдого состояния в жидкое, его масса остаётся той же, а вот объём при плавлении меняется. У алюминия при плавлении объём увеличивается, поэтому при той же массе на тот же «кусок» вещества приходится больший объём — плотность уменьшается (с 2700 до 2380 кг/м³).

Причина этого связана с тем, как устроено вещество на уровне атомов.

1) Что происходит в твёрдом алюминии

В твёрдом состоянии атомы алюминия находятся в кристаллической решётке (для алюминия — плотная упаковка типа гранецентрированной кубической решётки). Это означает:

• атомы занимают строго определённые положения;

• расстояния между атомами относительно малы и стабилизированы силами межатомного взаимодействия;

• структура в среднем достаточно «упорядочена» и плотно упакована.

Да, в твёрдом теле атомы тоже колеблются, но они колеблются около фиксированных узлов решётки, поэтому средние межатомные расстояния остаются небольшими.

2) Что меняется при плавлении

Плавление — это разрушение дальнего кристаллического порядка. В жидком алюминии:

• атомы не закреплены в узлах решётки;

• сохраняется только ближний порядок (атомы в среднем всё ещё «соседствуют», но без строгой периодичности);

• атомы получают больше энергии движения и в среднем располагаются чуть дальше друг от друга, потому что структура становится более «рыхлой» (менее эффективно упакованной по сравнению с кристаллом для данного металла).

Отсюда главное следствие: увеличивается средний объём, приходящийся на один атом → увеличивается общий объём образца → плотность падает.

3) Почему именно у алюминия плотность падает (а не растёт)

Для большинства металлов (и вообще для большинства веществ) при переходе твёрдое → жидкое происходит уменьшение плотности, потому что кристаллическая решётка обычно обеспечивает более плотную и стабильную упаковку, чем жидкое состояние.

Есть известные исключения (например, вода, висмут, некоторые сплавы), где при плавлении структура жидкости оказывается более плотной или твёрдая фаза имеет «разреженную» решётку. Но алюминий к таким исключениям не относится: его твёрдая фаза уже достаточно плотно упакована, а расплав становится менее упорядоченным и занимает больший объём.

4) Дополнение: тепловое расширение перед плавлением

Перед самой точкой плавления твёрдый алюминий уже заметно теплово расширяется: межатомные расстояния растут из-за усиления тепловых колебаний. Это тоже уменьшает плотность твёрдого алюминия по мере нагрева. Но скачок, который сравнивают в справочных значениях «твёрдый» против «жидкий», связан именно с фазовым переходом: после разрушения решётки объём возрастает ещё сильнее, чем просто от нагрева.

Итог: плотность алюминия уменьшается при плавлении потому, что при переходе в жидкое состояние разрушается кристаллическая решётка, средние расстояния между атомами увеличиваются, объём возрастает, а масса остаётся прежней.