Bài học

Tính chất vật lí chung của kim loại

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được bốn tính chất vật lí chung của kim loại (ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo) bằng mô hình liên kết kim loại, đồng thời so sánh được tính chất vật lí riêng (khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, độ cứng) giữa các kim loại để lí giải vì sao mỗi kim loại phù hợp với những ứng dụng khác nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã dựng mô hình liên kết kim loại: cation kim loại nằm ở nút mạng, bao quanh bởi biển electron tự do di chuyển khắp khối chất rắn. Bài này khai thác trực tiếp mô hình đó để suy ra và giải thích các tính chất vật lí — thay vì liệt kê chúng như những sự kiện rời rạc cần học thuộc.

Khởi động

Nồi, chảo nấu ăn thường làm từ nhôm hoặc thép không gỉ (hợp kim chứa Fe), còn dây tóc bóng đèn sợi đốt lại làm từ wolfram (W). Cả ba đều là kim loại, đều dẫn điện, dẫn nhiệt — vậy vì sao người ta không dùng chung một kim loại cho mọi ứng dụng, kể cả khi chì (Pb) có giá rẻ hơn nhiều?

Kiến thức trọng tâm

Bốn tính chất vật lí chung của kim loại đều bắt nguồn từ sự tồn tại của electron tự do trong mạng tinh thể. Ánh kim xuất hiện vì electron tự do trên bề mặt kim loại hấp thụ rồi phản xạ lại hầu hết ánh sáng chiếu tới, tạo ra vẻ sáng bóng đặc trưng. Tính dẫn điện đến từ khả năng electron tự do di chuyển có hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài — đáng chú ý là độ dẫn điện của kim loại giảm khi nhiệt độ tăng, vì các cation dao động mạnh hơn quanh nút mạng, cản trở đường đi của electron; đặc điểm này ngược với chất bán dẫn (độ dẫn điện tăng theo nhiệt độ) nên có thể dùng để phân biệt hai loại vật liệu. Tính dẫn nhiệt xảy ra vì electron tự do truyền động năng va chạm nhanh khắp khối kim loại khi một điểm được nung nóng. Tính dẻo, như đã phân tích ở bài trước, đến từ đặc điểm không định hướng của liên kết kim loại, cho phép các lớp cation trượt lên nhau.

Bên cạnh bốn tính chất chung đó, mỗi kim loại còn có những tính chất vật lí riêng khác biệt rõ rệt, tuỳ vào khối lượng nguyên tử, kiểu mạng tinh thể và độ bền liên kết kim loại của nó. Về khối lượng riêng: lithium, natri, kali là những kim loại nhẹ (khối lượng riêng nhỏ hơn 1 g/cm³, nổi được trên nước), trong khi osmium, iridi, platinum thuộc nhóm kim loại nặng nhất. Về nhiệt độ nóng chảy: thuỷ ngân (Hg) là kim loại duy nhất ở thể lỏng tại điều kiện thường (nhiệt độ nóng chảy khoảng −39 °C), trong khi wolfram (W) có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong số các kim loại, khoảng 3410 °C. Về độ cứng: crom (Cr) là kim loại cứng nhất, có thể vạch được kính, trong khi các kim loại kiềm (Na, K) mềm đến mức cắt được bằng dao thường.

Chính sự khác biệt về tính chất vật lí riêng này quyết định kim loại nào được dùng cho ứng dụng nào. Đồng và nhôm được chọn làm dây dẫn điện phổ biến — không phải vì chúng dẫn điện tốt nhất (bạc mới là kim loại dẫn điện tốt nhất) mà vì chúng có độ dẫn điện đủ tốt trong khi giá thành rẻ hơn bạc rất nhiều lần và khối lượng riêng của nhôm còn nhẹ hơn, thuận lợi cho đường dây cao thế đi xa. Wolfram được chọn làm dây tóc bóng đèn chính vì nhiệt độ nóng chảy cực cao của nó, cho phép sợi dây phát sáng ở nhiệt độ hàng nghìn độ mà không bị chảy.

Nhiệt độ nóng chảy chênh lệch rất lớn giữa các kim loại — cơ sở để chọn kim loại phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

Ví dụ

Giải thích vì sao đồng/nhôm được chọn làm dây dẫn điện thay vì bạc

1
Bạc (Ag) dẫn điện tốt nhất trong số các kim loại, nhưng dây điện trong nhà lại làm bằng đồng (Cu) hoặc nhôm (Al). Hãy giải thích lựa chọn này.
2
Ag dẫn điện tốt nhất, tiếp theo là Cu, rồi đến Al — cả ba đều đủ tốt để truyền tải điện năng hiệu quả trên thực tế, chênh lệch giữa Ag và Cu là không lớn tới mức tạo khác biệt đáng kể trong sử dụng dân dụng.
3
Ag là kim loại quý, giá thành cao gấp hàng chục lần Cu, không khả thi để dùng đại trà làm dây điện. Al lại có khối lượng riêng nhỏ hơn Cu, nên với cùng chiều dài, dây nhôm nhẹ hơn — phù hợp cho đường dây điện cao thế kéo dài hàng chục ki-lô-mét, nơi trọng lượng dây ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí cột điện và độ võng dây.
4
Vậy việc chọn kim loại cho một ứng dụng không chỉ dựa vào tính chất nào là "tốt nhất" một cách tuyệt đối, mà phải cân bằng nhiều tính chất vật lí cùng lúc với chi phí thực tế — đây là nguyên tắc lựa chọn vật liệu mà em sẽ gặp lại xuyên suốt chương này.

Ví dụ

Chọn kim loại phù hợp làm dây tóc bóng đèn dựa trên biểu đồ nhiệt độ nóng chảy

1
Cho bốn kim loại với nhiệt độ nóng chảy: Hg (−39 °C), Al (660 °C), Fe (1538 °C), W (3410 °C). Bóng đèn sợi đốt cần dây tóc phát sáng ở nhiệt độ khoảng 2500–3000 °C mà không bị chảy. Hãy chọn kim loại phù hợp và giải thích, đồng thời cho biết vì sao ba kim loại còn lại không phù hợp.
2
Theo biểu đồ, chỉ có W có nhiệt độ nóng chảy (3410 °C) cao hơn nhiệt độ hoạt động cần thiết của dây tóc (2500–3000 °C). Ba kim loại còn lại đều có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn mức nhiệt độ hoạt động này.
3
Hg đã ở thể lỏng ngay tại điều kiện thường nên hoàn toàn không thể dùng làm dây tóc rắn. Al chảy ở 660 °C, Fe chảy ở 1538 °C — cả hai đều thấp hơn nhiều so với nhiệt độ hoạt động cần thiết, nên sẽ nóng chảy và đứt ngay khi bóng đèn sáng.
4
Vậy W là lựa chọn phù hợp duy nhất trong bốn kim loại đã cho, đúng như thực tế công nghiệp: nhiệt độ nóng chảy cực cao của wolfram là tiêu chí quyết định khiến nó được chọn làm dây tóc bóng đèn sợi đốt suốt hơn một thế kỉ qua.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh mặc định "kim loại dẫn điện tốt nhất luôn được dùng nhiều nhất", quên rằng lựa chọn vật liệu trong thực tế còn phụ thuộc giá thành, khối lượng riêng, độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy — bạc dẫn điện tốt nhất nhưng gần như không được dùng làm dây điện dân dụng vì lí do kinh tế, không phải vì lí do tính chất vật lí.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Electron tự do trong liên kết kim loại giải thích cả bốn tính chất chung: ánh kim (phản xạ ánh sáng), dẫn điện (electron di chuyển có hướng, giảm khi nhiệt độ tăng), dẫn nhiệt (truyền động năng), tính dẻo (lớp cation trượt lên nhau). Tính chất vật lí riêng — khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, độ cứng — khác nhau giữa các kim loại và quyết định ứng dụng thực tế của từng kim loại.

Chương tiếp theo chuyển từ tính chất vật lí sang tính chất hoá học: vì kim loại dễ nhường electron, nó thể hiện tính khử khi gặp phi kim, acid, và dung dịch muối — và mức độ dễ nhường electron đó khác nhau giữa các kim loại, được sắp xếp thành dãy hoạt động hoá học mà em sẽ dùng xuyên suốt các bài sau.