Kim loại: Vật liệu quan trọng - Khái niệm cơ bản và đặc điểm cấu tạo kim loại

Khái niệm cơ bản về kim loại và các đặc điểm cấu tạo của Kim loại
I. Khái niệm về kim loại
Đại cương về kim loại - Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao.
Tuy nhiên không phải mọi kim loại đều có được tính chất đó
VD: Angtimon (Sb) dòn, không rèn được, Xêri (Ce) và Prazêodim (Pr) có tính dẫn điện kém do đó định nghĩa cũ chưa đúng cho mọi kim loại và chưa nêu lên được bản chất chung của kim loại
Hiện nay người ta thống nhất rằng: Kim loại khác với á kim là hệ số nhiệt độ của điện trở, ở kim loại hệ số này là dương tức là khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng, còn ở á kim hệ số này là âm
Ngoài ra còn có các nguyên tố trung gian đó là các nguyên tố bán dẫn (Gr, Si …)
Có thể giải thích định nghĩa trên của kim loại bằng cấu tạo nguyên tử và cấu tạo mạng tinh thể.

II: Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại:
+ Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau. Vật chất do các nguyên tử tạo thành.
+ Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm hạt nhân (có chứa notron, proton…) và các lớp điện tử bao quanh nó (điện tử có điện tích âm). Đối với kim loại người ta thường hay quan tâm đến lớp điện tử ngoài cùng (vì lớp bên trong rất bền vững)
+ Đặc điểm quan trọng nhất về cấu tạo nguyên tử của kim loại là số điện tử hoá trị ( số điện tử ngoài cùng đối với kim loại thông thường và ở lớp sát ngoài đối với kim loại chuyển tiếp). Số điện tử này là rất ít thường chỉ 1 đến 2 điện tử. Những điện tử này rất dễ bị bứt đi và trở thành điện tử tự do, còn nguyên tử trở thành ion dương.
+ Hành vi của điện tử tự do quyết định nhiều các tính chất đặc trưng của kim loại. Bình thường các điện tử tự do không bị ràng buộc bởi các nguyên tử sẽ chuyển động hỗn loạn theo mọi phương tạo nên lớp “khí điện tử” bao quanh các ion dương
+ Mỗi nguyên tử gồm có: hạt nhân mang điện tích dương ở giữa và các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh.
+ Khi hai đầu dây kim loại có một hiệu điện thế các điện tử tự do sẽ chuyển động theo một hướng nhất định tạo nên dòng điện do đó kim loại có tính dẫn điện cao.
+ Các điện tử mang điện tích âm này dịch chuyển xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo riêng của nó, đặc biệt là các điện tử ở quỹ đạo ngòai cùng ở mạng tinh thể kim loại còn gọi là điện tử tự do. Vì chúng dể bật ra khỏi quỹ đạo của chúng. Chính các điện tử tự do này tạo nên tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt cũng như cơ tính của kim loại.
+ Khi kim loại bị nung nóng, dao động nhiệt của các ion dương tăng lên làm tăng trở lực cho sự chuyển động định hướng của các điện tử tự do do vậy điện trở tăng lên Tính dẫn nhiệt cũng được giải thích bằng sự truyền động năng của các điện tử tự do và của ion dương. Điện tử tự do khi hấp thụ năng lượng của ánh sáng chiếu tới bị kích động lên mức năng lượng cao hơn khi trở về mức năng lượng cũ nó phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ, do vậy kim loại phản xạ ánh sáng.
Sự sai khác giữa hai mức năng lượng đặc trưng cho tần số ánh sáng phản xạ do đó mỗi kim loại có màu sắc riêng
Điện tử tự do có trong kim loại là yếu tố quyết định để hình thành liên kết kim loại, nó bảo đảm mối liên kết này không bị biến đổi khi các nguyên tử (ion dương) dịch chuyển vị trí tương đối với nhau (biến dạng dẻo) do đó kim loại có tính dẻo cao.

III. Đặc điểm cấu tạo mạng tinh thể của kim loại

• Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân).
• Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (Hình 1.2 a).
• Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua các nguyên tử, các mặt này luôn luôn song song cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể (Hình 1.2 b).
• Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2 c). Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng. Ví dụ như trên ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô. Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A

Các kiểu mạng tinh thể thường gặp:
1. Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ở tâm của khối lập phương.
Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα , Cr, W, Mo, V…

2. Lập phương diện tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương.
Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feg, Cu, Ni, Al, Pb…

3. Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau
Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn…

Như vậy có thể xem một khối kim loại nguyên chất là tập hợp vô số các mạng tinh thể (hạt tinh thể) được sắp xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô số các ô cơ sở và dạng của từng ô cơ sở tùy thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó.

b. Tính thù hình của kim loại
Định nghĩa
Là một kim loại có thể có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau tồn tại ở những khoảng nhiệt độ và áp suất khác nhau.
Đặc tính thù hình
Các dạng thù hình khác nhau được ký hiệu bằng các chữ cái Hy Lạp theo nhiệt độ từ thấp đến cao: α, β, γ, δ…
Khi có chuyển biến thù hình thì kim loại có sự thay đổi thể tích và tính chất bên trong. Đây là đặc tính quan trọng khi sử dụng chúng.

Ví dụ: Khi nung nóng sắt người ta thấy ở trạng thái rắn sắt thay đổi ba kiểu mạng tinh thể ở ba khoảng nhiệt độ khác nhau (≤ 9110C, 911 – 13920C, ≥ 13920C). Vậy sắt có ba dạng thù hình được ký hiệu là: Feα, Feg, Feδ. Ta thấy sắt có ba kiểu mạng tinh thể khác nhau do đó tính chất của sắt ứng với từng kiểu mạng cũng khác nhau.