Kim loại là gì? Kim loại là những nguyên tố có nguyên tử dễ nhường electron lớp ngoài cùng để tạo ion dương, liên kết với nhau bằng liên kết kim loại. Nhờ lớp electron tự do đó, kim loại có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và dẻo, dát mỏng, kéo sợi được. Kim loại chiếm khoảng bốn phần năm số nguyên tố trong bảng tuần hoàn, từ sắt, nhôm, đồng đến vàng, bạc, titan. Bài viết giải thích định nghĩa, cấu tạo, tính chất vật lý và hóa học chung, các cách phân loại kim loại, hợp kim và ứng dụng trong xây dựng, công nghiệp.
Kim loại là gì?
Theo hóa học, kim loại là nguyên tố mà nguyên tử có ít electron ở lớp ngoài cùng (thường 1 đến 3), dễ nhường các electron này để trở thành ion dương. Trong bảng tuần hoàn, kim loại gồm:
- Nhóm IA (trừ hiđro) và IIA: kim loại kiềm, kiềm thổ như natri, kali, canxi, magie.
- Nhóm IIIA (trừ bo) và một phần nhóm IVA, VA, VIA: nhôm, thiếc, chì, bitmut.
- Các nhóm B: kim loại chuyển tiếp như sắt, đồng, kẽm, crom, niken, titan, vàng, bạc.
- Họ lantan và họ actini.
Cách hiểu thông dụng: kim loại là chất có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, dẻo. Trong đời sống, người ta gọi chung cả hợp kim (thép, inox, đồng thau) là kim loại.
Cấu tạo của kim loại
Trong khối kim loại rắn, các ion dương sắp xếp thành mạng tinh thể, còn các electron hóa trị tách ra, chuyển động tự do khắp mạng. Lực hút giữa ion dương và “đám mây” electron tự do này là liên kết kim loại. Ba kiểu mạng tinh thể phổ biến:
| Kiểu mạng | Ví dụ | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Lập phương tâm khối | Sắt ở nhiệt độ thường, crom, vonfram, molypden | Bền, cứng |
| Lập phương tâm diện | Nhôm, đồng, vàng, bạc, niken, sắt ở nhiệt độ cao | Rất dẻo, dễ dát mỏng |
| Lục phương xếp chặt | Magie, kẽm, titan | Kém dẻo hơn ở nhiệt độ thường |
Sắt đổi kiểu mạng khi nung nóng và làm nguội, đây là cơ sở của nhiệt luyện thép; xem bài nhiệt luyện tôi, ram, ủ thép.
Tính chất vật lý chung của kim loại
- Tính dẻo: các lớp nguyên tử trượt lên nhau mà liên kết không đứt, nên kim loại dát mỏng, kéo sợi, uốn được. Vàng dẻo nhất, có thể dát thành lá cực mỏng.
- Dẫn điện: bạc dẫn điện tốt nhất, tiếp theo là đồng, vàng, nhôm; sắt kém hơn nhiều. So sánh chi tiết có trong bài thứ tự dẫn điện của các kim loại.
- Dẫn nhiệt: thường đi kèm dẫn điện; kim loại dẫn điện tốt cũng dẫn nhiệt tốt.
- Ánh kim: electron tự do phản xạ ánh sáng, tạo vẻ sáng bóng.
Các tính chất vật lý riêng khác nhau rất nhiều giữa các kim loại:
| Tính chất | Thấp nhất | Cao nhất |
|---|---|---|
| Khối lượng riêng | Liti khoảng 0,53 g/cm³ | Osimi khoảng 22,6 g/cm³ |
| Nhiệt độ nóng chảy | Thủy ngân −38,8 °C | Vonfram 3.422 °C |
| Độ cứng | Kim loại kiềm như xesi, kali (cắt được bằng dao) | Crom (cứng nhất trong kim loại nguyên chất) |
Bảng tra đầy đủ có trong bài bảng nhiệt độ nóng chảy kim loại và hợp kim và bài khối lượng riêng của các kim loại thông dụng.
Tính chất hóa học chung của kim loại
Tính chất hóa học đặc trưng của kim loại là tính khử: nguyên tử kim loại nhường electron, bị ô xy hóa thành ion dương. Mức độ hoạt động được xếp theo dãy hoạt động hóa học, từ mạnh đến yếu:
K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au
- Tác dụng với phi kim: với ô xy tạo ô xít (ví dụ 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ khi đốt), với clo tạo muối clorua.
- Tác dụng với axit: kim loại đứng trước hiđro đẩy được hiđro khỏi axit loãng, ví dụ Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂.
- Tác dụng với nước: kim loại kiềm, một số kim loại kiềm thổ phản ứng ngay ở nhiệt độ thường.
- Tác dụng với dung dịch muối: kim loại mạnh hơn đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi muối, ví dụ Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.
Tính khử cũng là lý do kim loại bị ăn mòn. Thép gỉ là kết quả ăn mòn điện hóa khi có nước và ô xy; kẽm đứng trước sắt trong dãy hoạt động nên được dùng để bảo vệ thép, xem bài mạ điện và mạ kẽm bảo vệ thép.
Phân loại kim loại
| Cách phân loại | Các nhóm | Ví dụ |
|---|---|---|
| Theo công nghiệp | Kim loại đen (sắt và hợp kim của sắt); kim loại màu (còn lại) | Thép, gang; đồng, nhôm, kẽm, niken |
| Theo khối lượng riêng | Kim loại nhẹ (dưới khoảng 5 g/cm³); kim loại nặng | Nhôm, magie, titan; sắt, đồng, chì, vàng |
| Theo giá trị | Kim loại quý | Vàng, bạc, bạch kim, palađi |
| Theo vị trí bảng tuần hoàn | Kiềm, kiềm thổ, chuyển tiếp, đất hiếm | Natri; canxi; sắt, đồng; neođim |
Lưu ý hai hiểu lầm phổ biến:
- Từ tính không quyết định kim loại đen hay màu: niken, coban là kim loại màu nhưng hút nam châm; inox 304 là hợp kim của sắt nhưng gần như không hút nam châm.
- Kim loại đất hiếm là 17 nguyên tố gồm họ lantan cùng scandi và ytri; urani thuộc họ actini, không phải đất hiếm.
Sự khác nhau giữa hai nhóm lớn được phân tích kỹ trong bài kim loại đen khác kim loại màu ở điểm nào. Một kim loại quý tiêu biểu được giới thiệu trong bài bạch kim và ứng dụng.
Hợp kim
Hợp kim là kim loại được pha thêm một hoặc nhiều nguyên tố khác để cải thiện tính chất. Hầu hết vật liệu kim loại dùng trong thực tế là hợp kim:
- Thép: sắt với cacbon dưới khoảng 2,14%, có thể thêm mangan, crom, niken, molypden; xem bài thép hợp kim và các nguyên tố hợp kim.
- Inox: thép có từ khoảng 10,5% crom trở lên, chống gỉ; xem bài inox là gì và các mác phổ biến.
- Gang: sắt với cacbon trên khoảng 2,14%.
- Đồng thau, đồng thanh: đồng với kẽm hoặc thiếc.
- Hợp kim nhôm, hợp kim titan: nhẹ, bền, dùng trong cơ khí, hàng không, xây dựng.
Ứng dụng của kim loại
| Lĩnh vực | Kim loại, hợp kim chính |
|---|---|
| Xây dựng | Thép xây dựng, thép hình, thép tấm, tôn mạ, nhôm, inox |
| Điện, điện tử | Đồng, nhôm (dây dẫn), vàng, bạc (tiếp điểm) |
| Cơ khí, chế tạo máy | Thép cacbon, thép hợp kim, gang, đồng thanh |
| Giao thông, hàng không | Thép, hợp kim nhôm, hợp kim titan |
| Bảo vệ chống ăn mòn | Kẽm, crom, niken làm lớp mạ |
| Trang sức, dự trữ | Vàng, bạc, bạch kim |
Trong xây dựng, thép là kim loại được dùng nhiều nhất; mặt bằng giá các loại thép có tại trang bảng giá thép xây dựng các nhà máy.
Câu hỏi thường gặp
Kim loại là gì?
Là nguyên tố có nguyên tử dễ nhường electron tạo ion dương, liên kết bằng liên kết kim loại, có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt và dẻo.
Kim loại nào ở thể lỏng ở nhiệt độ phòng?
Thủy ngân.
Kim loại nào dẫn điện tốt nhất?
Bạc, sau đó là đồng.
Thép có phải kim loại không?
Thép là hợp kim của sắt với cacbon; trong đời sống và thương mại vẫn được xếp vào kim loại, cụ thể là kim loại đen.
Kim loại nào nhẹ nhất?
Liti, khối lượng riêng khoảng 0,53 g/cm³, nhẹ hơn nước.
Kết luận
Kim loại là nhóm nguyên tố có liên kết kim loại với electron tự do, cho ánh kim, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo và tính khử đặc trưng. Phân loại theo kim loại đen, màu, nhẹ, nặng, quý giúp chọn vật liệu đúng mục đích, còn hợp kim như thép, inox mở rộng phạm vi ứng dụng. Cần tư vấn và báo giá các loại thép, hãy liên hệ Giá Thép Hôm Nay.