Giá trị của các kim loại là ở các electron tự do của chúng potx

Giá trị của các kim loại là ở các
electron tự do của chúng
Các kimloại luôncó mặt sau nhữngtiến bộ quan trọng củacon ngườitrong
khoa họcvàcông nghệ. Vàtấtcả là bởi vì chúngkhông giữ lấy những electron
ngoài cùng của chúng.
Cuộc sống của chúng ta sẽ rất khácđi nếu không cócác kimloại. Không cóxe
hơi, khôngcóđồ điện,khôngcó nồichảo,vàchỉ cònnhữngmóntrangsức linhtinh,
‘hoangdại’.
Các kimloại quý, như vàng, có
tính trơ đối vớioxygen. Vàngvẫn
giữ được sự sáng bóng ngaycả sau
khi cho tiếp xúcvới các nguyên tố
khác. (Ảnh:PerthMint)
Giống như mọi nguyên tử và nguyêntố khác, tínhchất của các kimloại suy
cho cùng là do số lượng protonvà electronmà chúngcó, và donhững electronđó
được sắp xếp như thế nào. Và đối với các kim loại thì căn nguyên thật sự nằmở
chỗ các electronngoài cùng cáchcác protonbao xa.
Các proton tronghạtnhân củamột nguyêntử thìtích điệndương,nên chúng
hút lấycác electrontích điện âm nén vào xungquanhchúng. Vàcàng có nhiều
protontronghạt nhân,thì lực hút lêncác electron sẽ càng mạnh. Nhưng lựchút
giữaproton và electrontrở nên yếu đi khikhoảng cách tănglên. Và trong mọi
nguyêntử kim loại, cácelectronngoài cùng ở vừa đủ xa hạt nhân để cho proton
khôngcòn trôngnom nổi đối vớichúng,nên chúngtự do ‘sẩy chân’ ra ngoài ngay
từ cơ hội đầu tiên mà chúng có.
Chínhnhững electronbên ngoài liên kết lỏnglẻo đó là nguyên nhânlàm cho
kim loạisáng bóng, cứng,dẫnđiện, dẫn nhiệt tốt và dễ bị dát mỏng.
Các kimloại nhìndưới kính hiển vi
Nếu bạn cóthể nhặtra một mảnh kimloại và phóng to nólên đếnkích cỡ
nguyêntử, thì bạn sẽ khôngthấymột chùm phântử hơi cách xa nhaut như trường
hợp bạn phóngto nướchay chất khí. Bạn sẽ thấy cácnguyêntử sắp hàngtheo
hàng ngayngắn thật đẹp trong một đám mây electron.

Đámmây electronđó là tất cả những electronlớp ngoài chúngliên kết lỏng
lẻo. Theothuật ngữ kĩ thuật,chúng đã được giải phóngvì nguyêntử ‘bố mẹ’ của
chúng không còn giữ nổi chúngnữa.Cho nên, thayvì treo lơ lửng xungquanhlớp
vỏ ngoài của một nguyên tử,các electronngoài cùngđượcchia sẻ chung trong toàn
khối kimloại. Vàvì các nguyên tử cùng đónggóp các electronvào đámmây trên,
nên thật ra chúng giốngnhư nhữngion dươnghơn.Lực hút giữa nhữnglớp ion
dươngvà đámmây electron bao quanhchúnglà mạnh. Nóđược gọilà liên kết kim
loại, và đó là cái địnhhình nên các kimloại.
Đámmây electronlà nguyênnhân chokhả năng dẫnnhiệt và dẫn điện của
các kimloại, cũngnhư tính sáng bóng của chúng. Và sắp thẳng hàngtheo lớp của
những iondương là cơ sở cho tính cứng vàtính dễ dát mỏng của cáckim loại.
“Luyện” kimloại làtổ chức lại cấu trúc nguyên tử của nó. (Ảnh: Wikimedia)
Dẫn nhiệt và dẫn điện
Dòngđiện khởiđộng xehơi củabạn và điện thoại di độnghoạtđộngdựa
trên mộtthứ: các hạt mangđiện đangchuyển động. Bất kì chất liệu nàocho các hạt
mang điện di chuyển tự do làcó thể dẫn điện, vàcáckim loại với đámmây electron
tích điện âm đã giải phóng của chúnglà thậthoàn hảo cho công việc đó.Khi bạn
móc một sợi dây kim loại vào mộtcái pin, thì đám mây electronbị đẩy về phía cực
dươngcủa pin, và các electron dự trữ trong cực âm củapinlập tức bắt đầuđổ vào
trong sợi dây, tạo ramột dòng điện.
Vừa dẫn điện, các electrontự docòn cóthể mangnăng lượngtruyền đi trong
kim loại, đó là nguyêndo vì saokim loại dẫn nhiệt. Làm nóngmột đầu củamột vật
kim loạithì đámmây electronsẽ phân tán rất nhanhnăng lượngđó trong khắp
khối kimloại.
Tính cứng, tính dẻovà tính ‘dễ hòa hợp’
Bạn chỉ việc tạcmột tác phẩm không cần đẹp gì bằng đồnglà biết rằng các
kim loạichẳng thích gì hơn ngoài việcđược rèn tốt. Theo thuậtngữ kĩ thuật, đó là
tính dễ dát mỏng.Ở cấp độ nguyên tử, khi kimloại bị đập, cáclớp nguyên tử (ion
dương)lăn lên trên nhauvà trượt thành một sự thẳng hàng mới mà khôngphá vỡ
liên kết kimloại. Bị đập, nhưngkhôngvỡ.

Chính‘tính dễ lăn’ củanhững lớp nguyên tử cũng làmchokim loại bị dễ kéo
thành dây, một tínhchất gọilà tính dễ kéo sợi mànhững chất phi kimloại không
thể sánh kịp.
Vậy với tấtcả sự cuộn gấp nguyêntử ấy thì kimloại có thể cứng như thế nào?
Thật ra, nếu chúngchỉ là mộtsự sắp xếp liêntục củanhữngnguyêntử sắp
thẳnghàng hoàn hảo, thì cáckim loại sẽ không cứngnhư vậy. Nhưng các kim loại
cấu tạo gồm rất nhiều vùngnhỏ gồm nhữnglớp nguyên tử sắpthẳng hàngép chặt
với nhau.
Các vùng đó gọi là ôtinh thể, và trong khinhững lớp nguyên tử có thể cuộn
lên nhaubêntrong các ô, thì nhữnglớp từ những ôkhác nhaukhônghoàn toàn
thẳnghàng với nhau, cho nên sự lăn cuộn dừnglại tại rìa của cácô. Các kimloại
với nhữngôtinh thể lớn dễ bị dát mỏng hơn,cònnhững kimloại có ô nhỏ hơn thì
cứng hơn.
Những người thợ rèn đã tôi luyện cho kimloại cứng hơn trong hàngthế kỉ
qua. Họ không hề có một kiến thức hoàn chỉnh về lí thuyếtô tinh thể, nhưnghọ
biết làmthế nào để đập một miếng kim loạira – và đó là tất cả nhữnggì cần làmđể
cho các tinhthể nhỏ hơn, và kimloạicứng hơn và giòn hơn.
Và cách đây 5000năm, tổ tiên của chúng ta đã tìm ra mộtphươngpháp làm
cho các kimloại trở nên cứng hơn – đó là bằng cáchtrộn chúnglẫn vào nhau.
Giống như những hợpkim khác, đồng thiếc cứnghơn và đồng tác thiếc, haikim
loại trộn lẫn đề tạo nên nó.Và một lần nữa, tính cứng phát sinhtừ việc làm xáo
trộn nhữngô tinh thể. Mặcdù họ không biết điều đó, nhưngngười tiền sử đã hòa
trộn kim loại với nhữngnguyên tử kích cỡ khácnhau, và chẳngcòncách nào cho
tác dụnglăn trượt nguyên tử, dễ dát mỏnghoạt động nữa.
Longlanh, sáng bóng
Nếu bạn từng nhìnthấy kimloại trước khi chúngđược xử lí, bạn sẽ quên mất
suy nghĩ rằng danh tiếng sángbóng/ chói ngời của chúng làcó chútcườngđiệu
quá mức. Nhưng ở dạng tinhkhiết của chúng, mọikim loại đều sáng bóng– đó là vì
với nhữngelectron liên kết lỏng lẻo trôi nổi xung quanh, đa phần chúng không bắt
gặpnhững nguyên tố có sức hútelectron tốt,tức là đa số các phi kim.Và đặcbiệt là

oxygen.
Oxygen thu hút các electronrất tốt. Khi cácnguyêntử oxygen bắt gặp bề mặt
kim loại, chúng lao vào đámmây electronvà ở lại,tạo nên một oxidekim loại giòn
trên bề mặt.
Nhưng cómột vài kim loại lại trơ trơ trước sự duyên dáng của oxygen.Các
kim loạiquý như vàng, bạch kim, và bạc có sự kìm kẹp chặtchẽ đối với các
electroncủa chúng hơnso với đasố các kimloại, nên chúngkhôngphản ứngvới
oxygen. Bạncó thể để chúngtrongoxygencả thiên niên kỉ mà chẳng làm trócvỏ
chúng chút nào – đó là nguyên do vì sao chúnglànhững nguyêntố đượcchọn làm
đồ trangsức,làm tiền đồngkể từ khi chúng đượcphát hiện ra lần đầu tiên.