Các kim loại luôn có mặt sau những tiến bộ quan trọng của con người trong khoa học và công nghệ. Và tất cả là bởi vì chúng không giữ lấy những electron ngoài cùng của chúng.
Cuộc sống của chúng ta sẽ rất khác đi nếu không có các kim loại. Không có xe hơi, không có đồ điện, không có nồi chảo, và chỉ còn những món trang sức linh tinh, ‘hoang dại’.
 |
| Các kim loại quý, như vàng, có tính trơ đối với oxygen. Vàng vẫn giữ được sự sáng bóng ngay cả sau khi cho tiếp xúc với các nguyên tố khác. (Ảnh: Perth Mint) |
Giống như mọi nguyên tử và nguyên tố khác, tính chất của các kim loại suy cho cùng là do số lượng proton và electron mà chúng có, và do những electron đó được sắp xếp như thế nào. Và đối với các kim loại thì căn nguyên thật sự nằm ở chỗ các electron ngoài cùng cách các proton bao xa.
Các proton trong hạt nhân của một nguyên tử thì tích điện dương, nên chúng hút lấy các electron tích điện âm nén vào xung quanh chúng. Và càng có nhiều proton trong hạt nhân, thì lực hút lên các electron sẽ càng mạnh. Nhưng lực hút giữa proton và electron trở nên yếu đi khi khoảng cách tăng lên. Và trong mọi nguyên tử kim loại, các electron ngoài cùng ở vừa đủ xa hạt nhân để cho proton không còn trông nom nổi đối với chúng, nên chúng tự do ‘sẩy chân’ ra ngoài ngay từ cơ hội đầu tiên mà chúng có.
Chính những electron bên ngoài liên kết lỏng lẻo đó là nguyên nhân làm cho kim loại sáng bóng, cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và dễ bị dát mỏng.
Các kim loại nhìn dưới kính hiển vi
Nếu bạn có thể nhặt ra một mảnh kim loại và phóng to nó lên đến kích cỡ nguyên tử, thì bạn sẽ không thấy một chùm phân tử hơi cách xa nhau t như trường hợp bạn phóng to nước hay chất khí. Bạn sẽ thấy các nguyên tử sắp hàng theo hàng ngay ngắn thật đẹp trong một đám mây electron.
Đám mây electron đó là tất cả những electron lớp ngoài chúng liên kết lỏng lẻo. Theo thuật ngữ kĩ thuật, chúng đã được giải phóng vì nguyên tử ‘bố mẹ’ của chúng không còn giữ nổi chúng nữa. Cho nên, thay vì treo lơ lửng xung quanh lớp vỏ ngoài của một nguyên tử, các electron ngoài cùng được chia sẻ chung trong toàn khối kim loại. Và vì các nguyên tử cùng đóng góp các electron vào đám mây trên, nên thật ra chúng giống như những ion dương hơn. Lực hút giữa những lớp ion dương và đám mây electron bao quanh chúng là mạnh. Nó được gọi là liên kết kim loại, và đó là cái định hình nên các kim loại.
Đám mây electron là nguyên nhân cho khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện của các kim loại, cũng như tính sáng bóng của chúng. Và sắp thẳng hàng theo lớp của những ion dương là cơ sở cho tính cứng và tính dễ dát mỏng của các kim loại.
“Luyện” kim loại là tổ chức lại cấu trúc nguyên tử của nó. (Ảnh: Wikimedia)
Dẫn nhiệt và dẫn điện
Dòng điện khởi động xe hơi của bạn và điện thoại di động hoạt động dựa trên một thứ: các hạt mang điện đang chuyển động. Bất kì chất liệu nào cho các hạt mang điện di chuyển tự do là có thể dẫn điện, và các kim loại với đám mây electron tích điện âm đã giải phóng của chúng là thật hoàn hảo cho công việc đó. Khi bạn móc một sợi dây kim loại vào một cái pin, thì đám mây electron bị đẩy về phía cực dương của pin, và các electron dự trữ trong cực âm của pin lập tức bắt đầu đổ vào trong sợi dây, tạo ra một dòng điện.
Vừa dẫn điện, các electron tự do còn có thể mang năng lượng truyền đi trong kim loại, đó là nguyên do vì sao kim loại dẫn nhiệt. Làm nóng một đầu của một vật kim loại thì đám mây electron sẽ phân tán rất nhanh năng lượng đó trong khắp khối kim loại.
Tính cứng, tính dẻo và tính ‘dễ hòa hợp’
Bạn chỉ việc tạc một tác phẩm không cần đẹp gì bằng đồng là biết rằng các kim loại chẳng thích gì hơn ngoài việc được rèn tốt. Theo thuật ngữ kĩ thuật, đó là tính dễ dát mỏng. Ở cấp độ nguyên tử, khi kim loại bị đập, các lớp nguyên tử (ion dương) lăn lên trên nhau và trượt thành một sự thẳng hàng mới mà không phá vỡ liên kết kim loại. Bị đập, nhưng không vỡ.
Chính ‘tính dễ lăn’ của những lớp nguyên tử cũng làm cho kim loại bị dễ kéo thành dây, một tính chất gọi là tính dễ kéo sợi mà những chất phi kim loại không thể sánh kịp.
Vậy với tất cả sự cuộn gấp nguyên tử ấy thì kim loại có thể cứng như thế nào?
Thật ra, nếu chúng chỉ là một sự sắp xếp liên tục của những nguyên tử sắp thẳng hàng hoàn hảo, thì các kim loại sẽ không cứng như vậy. Nhưng các kim loại cấu tạo gồm rất nhiều vùng nhỏ gồm những lớp nguyên tử sắp thẳng hàng ép chặt với nhau.
Các vùng đó gọi là ô tinh thể, và trong khi những lớp nguyên tử có thể cuộn lên nhau bên trong các ô, thì những lớp từ những ô khác nhau không hoàn toàn thẳng hàng với nhau, cho nên sự lăn cuộn dừng lại tại rìa của các ô. Các kim loại với những ô tinh thể lớn dễ bị dát mỏng hơn, còn những kim loại có ô nhỏ hơn thì cứng hơn.
Những người thợ rèn đã tôi luyện cho kim loại cứng hơn trong hàng thế kỉ qua. Họ không hề có một kiến thức hoàn chỉnh về lí thuyết ô tinh thể, nhưng họ biết làm thế nào để đập một miếng kim loại ra – và đó là tất cả những gì cần làm để cho các tinh thể nhỏ hơn, và kim loại cứng hơn và giòn hơn.
Và cách đây 5000 năm, tổ tiên của chúng ta đã tìm ra một phương pháp làm cho các kim loại trở nên cứng hơn – đó là bằng cách trộn chúng lẫn vào nhau. Giống như những hợp kim khác, đồng thiếc cứng hơn và đồng tác thiếc, hai kim loại trộn lẫn đề tạo nên nó. Và một lần nữa, tính cứng phát sinh từ việc làm xáo trộn những ô tinh thể. Mặc dù họ không biết điều đó, nhưng người tiền sử đã hòa trộn kim loại với những nguyên tử kích cỡ khác nhau, và chẳng còn cách nào cho tác dụng lăn trượt nguyên tử, dễ dát mỏng hoạt động nữa.
Long lanh, sáng bóng
Nếu bạn từng nhìn thấy kim loại trước khi chúng được xử lí, bạn sẽ quên mất suy nghĩ rằng danh tiếng sáng bóng/ chói ngời của chúng là có chút cường điệu quá mức. Nhưng ở dạng tinh khiết của chúng, mọi kim loại đều sáng bóng – đó là vì với những electron liên kết lỏng lẻo trôi nổi xung quanh, đa phần chúng không bắt gặp những nguyên tố có sức hút electron tốt, tức là đa số các phi kim. Và đặc biệt là oxygen.
Oxygen thu hút các electron rất tốt. Khi các nguyên tử oxygen bắt gặp bề mặt kim loại, chúng lao vào đám mây electron và ở lại, tạo nên một oxide kim loại giòn trên bề mặt.
Nhưng có một vài kim loại lại trơ trơ trước sự duyên dáng của oxygen. Các kim loại quý như vàng, bạch kim, và bạc có sự kìm kẹp chặt chẽ đối với các electron của chúng hơn so với đa số các kim loại, nên chúng không phản ứng với oxygen. Bạn có thể để chúng trong oxygen cả thiên niên kỉ mà chẳng làm tróc vỏ chúng chút nào – đó là nguyên do vì sao chúng là những nguyên tố được chọn làm đồ trang sức, làm tiền đồng kể từ khi chúng được phát hiện ra lần đầu tiên.
Theo abc.net.au
