NGUYEN VAN THAN - 15145366 - VLHENMA - HK I 16-17 - CHU DE TIEU LUAN 1.docx

VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

Nguyễn Văn Thân


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại
MỤC LỤC

Nguyễn Văn Thân


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

LỜI NĨI ĐẦU
Trong các nhóm vật liệu cơ khí thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự phát
triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc và
những cơng trình xây dựng. Sự phát triển không ngừng của máy động lực, máy công cụ
gắn liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính năng ngày càng cao.
Bài tiểu luận này sẽ cho ta thấy được tầm quan trọng của kim loại cũng như mối quan
hệ giữa mạng tinh thể với tính chất của nó thơng qua các nội dung:
-

Khái niệm, vị trí trong bảng tuần hồn và tính thù hình của kim loại.
Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại.
Tính chất của kim loại.

Nguyễn Văn Thân

Trang 3


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

Phần 1. MỞ ĐẦU
1.1. Kim loại
1.1.1. Khái niệm về kim loại
Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao.
1.1.2. Vị trí của kim loại trong bảng tuần hồn
- Nhóm IA (trừ H), nhóm IIA: các kim loại này là những nguyên tố s.
- Nhóm IIIA (trừ B), một phần của các nhóm IVA, VA, VIA: các kim loại này là
những nguyên tố p.
- Các nhóm B (từ IB đến VIIIB): các kim loại chuyển tiếp, chúng là những nguyên tố
d.
- Họ lantan và actini (xếp riêng thành hai hàng ở cuối bảng): các kim loại thuộc hai họ
này là những nguyên tố f.
* Nhận xét: đa số các nguyên tố hóa học đã biết là nguyên tố kim loại (trên 80 %).
1.1.3. Tính thù hình của kim loại
1.1.3.1. 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.
1.1.3.2. 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 (≤ 911 0C, 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.

Nguyễn Văn Thân

Trang 4


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

PHẦN 2. QUAN HỆ GIỮA MẠNG TINH THỂ VÀ
TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI
2.2. Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại
2.2.1. Cấu tạo nguyên tử kim loại
- Hầu hết các nguyên tử kim loại có 1, 2 hoặc 3 electron ở lớp ngồi cùng.
- Bán kính nguyên tử của các nguyên tố kim loại (ở phía dưới, bên trái bảng tuần hồn)
nhìn chung lớn hơn bán kính nguyên tử các nguyên tố phi kim (ở phía trên, bên phải
bảng tuần hồn).
2.2.2. Cấu tạo mạng tinh thể 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 mơ hình hình học mơ tả sự sắp xếp có quy luật của các ngun
tử (phân tử) trong khơng 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).
+ Ơ 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 ơ cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng.
Nguyễn Văn Thân

Trang 5


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

Ví dụ như trên ơ lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thơng số mạng là a là chiều dài cạnh
của ô. Đơn vị đo của thơng số mạng là Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A

∗

Có ba kiểu mạng tinh thể kim loại đặc trưng là lập phương tâm khối, lập phương
tâm diện và lục phương.

Nguyễn Văn Thân

Trang 6


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

Nguyễn Văn Thân

Trang 7


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

- Lập phương tâm khối: Các nguyên tử, ion kim loại nằm trên đỉnh và tâm của hình
lập phương.
Các kim loại ngun chất có kiểu mạng này như: Feα, Cr, W, Mo, V…

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

Nguyễn Văn Thân

Trang 8


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

- Lục phương: Các nguyên tử, ion kim loại nằm trên các đỉnh và tâm các hình lục giác
đứng và ba ngun tử, ion nằm phía trong của hình lục giác.
Các kim loại ngun 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.

Nguyễn Văn Thân

Trang 9

VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

* Kiểu cấu trúc mạng tinh thể phổ biến của một số kim loại được tổng kết trong
bảng 3.1. Chúng ta có thể tra cứu khi muốn biết kim loại nghiên cứu có kiểu
mạng tinh thể nào.
Thí dụ: Từ bảng 3.1 cho thấy kim loại sắt thuộc dạng tinh thể lập phương tâm khối,
đồng dạng thuộc tinh thể lập phương tâm diện và coban thuộc dạng tinh thể lục
phương. Người ta dùng độ đặc khít ρ là phần trăm thể tích mà các nguyên tử chiếm
trong tinh thể để đặc trưng cho từng kiểu cấu trúc. Với kiểu cấu trúc lập phương tâm
khối, ρ = 68%; Kiểu cấu trúc lục phương tâm diện, ρ = 74%; Kiểu cấu trúc lập
phương, ρ = 74%. Phần trăm cón lại trong tinh thể là khơng gian trống.
Thí dụ: Đối với các kim loại có cấu trúc kiểu lập phương tâm khối, các nguyên tử kim
loại chiếm 68% thể tích của tinh thể. Không gian trống của tinh thể là 32% thể tích
tinh thể.
Bảng 3.1
- Kiểu cấu trúc mạng tinh thể phổ biến của một số kim loại trong bảng tuần hoàn:

Nguyễn Văn Thân

Trang 10


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

∗

Tính chất của tinh thể kim loại.

Vì trong tinh thể kim loại có những electron tự do, di chuyển được trong mạng nên tinh
thể kim loại có những tính chất cơ bản sau: Có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có
tính dẻo.
2.2.3. Liên kết trong tinh thể kim loại
Hầu hết các kim loại ở điều kiện thường đều tồn tại dưới dạng tinh thể (trừ Hg). Trong
tinh thể kim loại, ion dương và nguyên tử kim loại ở những nút của mạng tinh thể. Các
electron hóa trị liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử và chuyển động tự
Nguyễn Văn Thân

Trang 11


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

do trong mạng tinh thể. Lực hút giữa các electron này và các ion dương tạo nên liên kết
kim loại.
Như vậy: Liên kết kim loại là liên kết được hình thành giữa các nguyên tử và ion kim
loại trong mạng tinh thể do sự tham gia của các electron tự do.
2.3. Tính chất của kim loại
2.3.1. Tính chất vật lý
2.3.1.1. Tính chất chung
Kim loại có những tính chất vật lí chung là: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và
ánh kim.
- Tính dẻo: các lớp mạng tinh thể kim loại khi trượt lên nhau vẫn liên kết được với
nhau nhờ lực hút tĩnh điện của các electron tự do với các cation kim loại. Những kim
loại có tính dẻo cao là Au, Ag, Al, Cu, Zn…
- Tính dẫn điện: nhờ các electron tự do có thể chuyển dời thành dịng có hướng dưới
tác dụng của điện trường. Nói chung nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện
của kim loại càng giảm. Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, tiếp sau là Cu, Au, Al, Fe…

- Tính dẫn nhiệt: nhờ sự chuyển động của các electron tự do mang năng lượng (động
năng) từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp của kim loại. Nói chung kim
loại nào dẫn điện tốt thì dẫn nhiệt tốt
- Ánh kim: nhờ các electron tự do có khả năng phản xạ tốt ánh sáng khả kiến (ánh sáng
nhìn thấy)
Tóm lại: những tính chất vật lí chung của kim loại như trên chủ yếu do các electron tự
do trong kim loại gây ra.
2.3.1.2. Tính chất riêng
- Khối lượng riêng: phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử, bán kính nguyên tử và kiểu
cấu trúc mạng tinh thể. Li là kim loại có khối lượng riêng nhỏ nhất (d = 0,5 g/cm3) và
osimi (Os) có khối lượng riêng lớn nhất (d = 22,6 g/cm3). Các kim loại có khối lượng
riêng nhỏ hơn 5 g/cm3 được gọi là kim loại nhẹ (như Na, K, Mg, Al…) và lớn hơn 5

Nguyễn Văn Thân

Trang 12


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

g/cm3 được gọi là kim loại nặng (như Fe, Zn, Pb, Cu, Ag, Au…)
- Nhiệt độ nóng chảy: phụ thuộc chủ yếu vào độ bền liên kết kim loại. Kim loại có
nhiệt độ nóng chảy thấp nhất là Hg (–39oC, điều kiện thường tồn tại ở trạng thái lỏng)
và kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất là W (vonfam, 3410oC)
- Tính cứng: phụ thuộc chủ yếu vào độ bền liên kết kim loại. Kim loại mềm nhất là
nhóm kim loại kiềm (như Na, K…do bán kính lớn, cấu trúc rỗng nên liên kết kim loại
kém bền) và có những kim loại rất cứng khơng thể dũa được (như W, Cr…).
2.3.2. Tính chất hóa học
Tính chất đặc trưng của kim loại là tính khử (nguyên tử kim loại dễ bị oxi hóa thành

ion dương): M → Mn+ + ne
Tác dụng với phi kim
Hầu hết các kim loại khử được phi kim điển hình thành ion âm.
Ví dụ: 4Al + 3O2 2Al2O3
2Fe + 3Cl2 2FeCl3
Hg + S → HgS
∗
-

Tác dụng với axit
Đối với dung dịch HCl, H2SO4 loãng:
M + nH+ → Mn+ + n/2H2
(M đứng trước hiđro trong dãy thế điện cực chuẩn)

−

Đối với H2SO4 đặc, HNO3 (axit có tính oxi hóa mạnh):
- Kim loại thể hiện nhiều số oxi hóa khác nhau khi phản ứng với H2SO4 đặc,

HNO3 sẽ đạt số oxi hóa cao nhất.
− Hầu hết các kim loại phản ứng được với H2SO4 đặc nóng (trừ Pt, Au) và
H2SO4 đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó S+6 trong H2SO4 bị khử
thành S+4 (SO2) ; So hoặc S-2 (H2S).
− Hầu hết các kim loại phản ứng được với HNO3 đặc nóng (trừ Pt, Au) và HNO3
đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó N+5 trong HNO3 bị khử thành N+4
(NO2).
− Hầu hết các kim loại phản ứng được với HNO3 lỗng (trừ Pt, Au), khi đó N+5
trong HNO3 bị khử thành N+2 (NO) ; N+1 (N2O) ; No (N2) hoặc N-3 (NH4+)
Nguyễn Văn Thân

Trang 13


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

−

Các kim loại có tính khử càng mạnh thường cho sản phẩm khử có số oxi hóa
càng thấp. Các kim loại như Na, K…sẽ gây nổ khi tiếp xúc với các dung dịch
axit.
Ví dụ: 2Fe + 6H2SO4 (đặc) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
4Mg + 5H2SO4 (đặc) 4MgSO4 + H2S + 4H2O
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
∗ Tác dụng với dung dịch muối:
− Điều kiện để kim loại M đẩy được kim loại X ra khỏi dung dịch muối của nó:
+ M đứng trước X trong dãy thế điện cực chuẩn
+ Cả M và X đều không tác dụng được với nước ở điều kiện thường
+ Muối tham gia phản ứng và muối tạo thành phải là muối tan: xM (r) + nXx+
(dd) → xMn+ (dd) + nX (r)
− Khối lượng chất rắn tăng: ∆m↑ = mX tạo ra – mM tan.
− Khối lượng chất rắn giảm: ∆m↓ = mM tan – mX tạo ra.
− Hỗn hợp các kim loại phản ứng với hỗn hợp dung dịch muối theo thứ tự ưu tiên:
kim loại khử mạnh nhất tác dụng với cation oxi hóa mạnh nhất để tạo ra kim
loại khử yếu nhất và cation oxi hóa yếu nhất.
− Với nhiều anion có tính oxi hóa mạnh như NO3-, MnO4-,…thì kim loại M sẽ
khử các anion trong mơi trường axit (hoặc bazơ)
Ví dụ: - Khi cho Zn vào dung dịch CuSO4 ta thấy lớp bề mặt thanh kẽm dần

chuyển qua màu đỏ và màu xanh của dung dịch bị nhạt dần do phản ứng: Zn +
CuSO4 → ZnSO4 + Cu↓
− Khi cho kim loại kiềm Na vào dung dịch CuSO4 ta thấy có sủi bọt khí khơng
màu và xuất hiện kết tủa keo xanh do các phản ứng: Na + H2O → NaOH +
1/2H2 và CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + Na2SO4
− Khi cho bột Cu vào dung dịch Cu(NO3)2 có vài giọt HCl ta thấy có khí khơng
màu thốt ra và hóa nâu trong khơng khí do phản ứng: 3Cu + Cu(NO3)2 + 8HCl
→ 4CuCl2 + 2NO + 4H2O
∗ Tác dụng với nước
Nguyễn Văn Thân

Trang 14


VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

−

Các kim loại mạnh như Li, Na, K, Ca, Sr, Ba…khử nước dễ dàng ở nhiệt độ
thường theo phản ứng: M + nH2O → M(OH)n + n/2H2. Kim loại Mg tan rất

−

chậm và Al chỉ tan khi ở dạng hỗn hống (hợp kim của Al và Hg)
Các kim loại trung bình như Mg, Al, Zn, Fe…phản ứng được với hơi nước ở
nhiệt độ cao tạo oxit kim loại và hiđro
Ví dụ: Mg + H2O(h) MgO + H2
3Fe + 4H2O(h) Fe3O4 + 4H2

−

Fe + H2O(h) FeO + H2
Các kim loại có tính khử yếu như Cu, Ag, Hg…không khử được nước dù ở

nhiệt độ cao
∗ Tác dụng với dung dịch kiềm
Các kim loại mà hiđroxit của chúng có tính lưỡng tính như Al, Zn, Be, Sn, Pb…tác
dụng được với dung dịch kiềm (đặc). Trong các phản ứng này, kim loại đóng vai
trị là chất khử, H2O là chất oxi hóa và bazơ làm mơi trường cho phản ứng
Ví dụ: phản ứng của Al với dung dịch NaOH được hiểu là phản ứng của Al với
nước trong môi trường kiềm và gồm hai quá trình: 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 +
3H2
Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]
Cộng hai phương trình trên ta được một phương trình:
2Al + 6H2O + 2NaOH → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
∗

Tác dụng với oxit kim loại
Các kim loại mạnh khử được các oxit kim loại yếu hơn ở nhiệt độ cao thành kim
loại
Ví dụ: 2Al + Fe2O3 2Fe + Al2O3
PHẦN 3. KẾT LUẬN

Giữa mạng tinh thể và tính chất kim loại có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, mạng tinh
thể sẽ quyết định đến tính chất của kim loại.

Nguyễn Văn Thân

Trang 15

VLHENMA HK I 16-17
Quan hệ giữa mạng tinh thể và tính chất của kim loại

TÀI LIỆU THAM KHẢO
/> /> /> />
Nguyễn Văn Thân

Trang 16