Bài 13. Cấu tạo và tính chất vật lí của kim loại

I. Đặc điểm cấu tạo và liên kết kim loại

1. Đặc điểm cấu tạo của nguyên tử kim loại

- Nguyên tử kim loại thường có ít electron ở lớp ngoài cùng.

- Bán kính nguyên tử kim loại thường lớn hơn khá nhiều so với bán kính của nguyên tử phi kim cùng chu kì.

⇒ Các electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử kim loại chịu lực hút yếu của hạt nhân.

2. Cấu tạo tinh thể kim loại

- Ở điều kiện thường, trừ thủy ngân (mercury) ở thể lỏng, các kim loại khác đều tồn tại ở thể rắn và có cấu tạo tinh thể.

- Trong tinh thể kim loại, do chịu lực hút yếu của hạt nhân nguyên tử nên electron hóa trị dễ tách ra khỏi nguyên tử tạo thành electron hóa trị tự do và cation kim loại. Vì vậy, tinh thể kim loại chứa các cation kim loại sắp xếp theo trật tự xác định với electron hóa trị chuyển động tự do trong tinh thể.

3. Liên kết kim loại

- Liên kết kim loại là liên kết được hình thành từ lực hút tĩnh điện giữa các cation kim loại và electron hóa trị tự do trong tinh thể kim loại.

II. Tính chất vật lí và một số ứng dụng của kim loại

1. Tính chất vật lí chung và ứng dụng

- Các kim loại ở trạng thái rắn đều có tính dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt và có ánh kim. Các tính chất này chủ yếu do các electron hóa trị tự do trong tinh thể kim loại gây ra.

a. Tính dẻo

- Kim loại có tính dẻo: dễ rèn, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi.

- Các kim loại có tính dẻo cao là Au, Ag, Al, Cu, Sn và Fe.

- Nguyên nhân gây ra tính dẻo: các cation kim loại trong tinh thể kim loại có thể trượt lên nhau mà không tách rời nhờ lực hút tĩnh điện giữa chúng với các electron hóa trị tự do.

- Ứng dụng: nhờ rất dẻo nên vàng, bạc được dùng để chế tác thành đồ trang sức với nhiều kiểu dáng hay làm vật liệu nha khoa; đồng và hợp kim của đồng được dùng để đúc tượng, sản xuất đồ gia dụng, đồ trang trí,…

Chú ý: Kim loại dẻo nhất là vàng, có thể dát mỏng tới mức ánh sáng có thể xuyên qua được.

b. Tính dẫn điện

- Nguyên nhân: Khi đặt một hiêu điện thế vào hai đầu dây kim loại, dưới tác động của điện trường, các electron hóa trị tự do đang chuyển động hỗn loạn trong tinh thể kim loại sẽ chuyển động thành dòng, có hướng từ cực âm đến cực dương, tạo thành dòng điện.

- Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, sau đó đến Cu, Au, Al, Fe,…

- Cu thường được sử dụng làm lõi dây dẫn điện; Al được sử dụng là dây dẫn điện cao thế do dẫn điện tốt, đồng thời có khối lượng riêng nhỏ hơn và giá thành thấp hơn so với đồng.

c) Tính dẫn nhiệt

- Nguyên nhân: khi đốt nóng một đầu dây kim loại, các electron hóa trị tự do ở vùng nhiệt độ cao có động năng lớn di chuyển đến vùng có nhiệt độ thấp hơn trong tinh thể kim loại và truyền năng lượng cho các cation kim loại ở đây.

- Kim loại dẫn điện tốt thường dẫn nhiệt tốt.

- Những kim loại dẫn nhiệt tốt được sử dụng làm vật liệu truyền nhiệt và tản nhiệt. Ví dụ, nhờ dẫn nhiệt tốt nên nhôm được dùng làm dụng cụ nhà bếp hoặc làm vật liệu tản nhiệt trong các thiết bị.

d. Ánh kim

- Nguyên nhân: Các electron hóa trị tự do trong tinh thể kim loại phản xạ hầu hết những tia sáng mà mắt con người nhìn thấy được, do đó kim loại có bề ngoài sáng lấp lánh, còn gọi là ánh kim.

- Các kim loại có ánh kim mạnh như vàng bạc phù hợp để làm đồ trang sức, vật trang trí, tiền kim loại. Bạc và nhôm còn được tráng lên thủy tinh để làm gương soi.

2. Tính chất vật lí riêng và một số ứng dụng

- Kim loại còn có một số tính chất vật lí riêng như khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy và tính cứng. Các kim loại khác nhau có tính chất vật lí riêng khác nhau. Tuỳ thuộc tính chất vật lí riêng của mỗi kim loại mà chúng được sử dụng với các mục đích khác nhau.

+ Kim loại nhẹ (là kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 g/cm^-3) như Mg, Al thường được dùng để chế tạo các hợp kim nhẹ. Kim loại nặng như sắt, tungsten được dùng để tạo các hợp kim nặng.

+ Nhờ có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp nên Pb, Cd, thiếc trắng được sử dụng làm dây chảy trong cầu chì. Do có nhiệt độ nóng chảy cao, tungsten được sử dụng làm dây tóc bóng đèn trong loại đèn sợi đốt.

+ Vì rất cứng nên chromium (Cr) là kim loại được mạ bên ngoài các sản phẩm để bảo vệ sản phẩm và hạn chế sự mài mòn.

+ Nhờ có độ cứng vừa phải và dẻo nên nhôm là vật liệu kim loại dễ gia công để làm khung cửa, làm lon hoặc hộp,...