VLHENMA HK I 16-17
NGUYỄN NHỰT LINH-15145281-VLHENMA-HK I 16-17-Tiểu luận 1-2

Mục lục

1
NGUYỄN NHỰT LINH-15145281


VLHENMA HK I 16-17
NGUYỄN NHỰT LINH-15145281-VLHENMA-HK I 16-17-Tiểu luận 1-2

LỜI NÓI ĐẦU
Từ lâu, con người đã biết dùng đồng, sắt để phục vụ sản xuất và đời sống. Trên con
đường phát triển của xã hội, không chỉ đồng, sắt mà các vật liệu kim loại khác cũng đóng vai trò
rất lớn. Để có thể khai thác tối đa tiềm năng của loại vật liệu này, các ngành khoa luôn tích cực
nghiên cứu cấu tạo, tính chất, từ đó, có thể đưa ra được những phương án ứng dụng phù hợp cho
từng ngành riêng biệt. Mối quan tâm về cấu trúc tinh thể và những liên quan của nó đến tính
chất kim loại cũng không nằm ngoài xu thế phát triển đó. Vì vậy, tiểu luận này đã lựa chọn đề
tài Mối liên hệ giữa cấu trúc mạng tinh và tính chất kim loại nguyên chất ở nhiệt độ T nhỏ hơn
hoặc bằng 0,4 lần nhiệt độ nóng chảy.
Tiểu luận này bao gồm các chương:
•
•
•

Chương 1: Khía niệm cấu trúc tinh thể
Chương 2: Cấu trúc tinh thể kim loại
Chương 3: Tính chất kim loại
Tiểu luận được dùng trong trường học, do sinh viên thực hiện để báo cáo quá

trình học tập. Ngoài tham khảo giáo trình, sinh viên cũng sử dụng các nguồn tài khác để
phục vụ việc xây dựng tiểu luận. Mong nhận được các ý kiến đóng góp và nhận xét. Xin
chân thành cảm ơn.

2
NGUYỄN NHỰT LINH-15145281


VLHENMA HK I 16-17
NGUYỄN NHỰT LINH-15145281-VLHENMA-HK I 16-17-Tiểu luận 1-2

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CẤU TRÚC TINH THỂ
Nếu giả thiết các phần tử cấu tạo nên vật chất là các nguyên tử, ion hoặc phân tử, thì
tinh thể là trạng thái mà ở đó, các phần tử sắp xếp trong không gian tạo nên một quy luật nào
đó. Về mặt hình học, các phần tử cấu tạo được xem như những chất điểm, quy luật của những
chất điểm này là tính đối xứng và hoàn toàn trong không gian tinh thể. Do vậy, tinh thể thường
nhận một hình thái nhất định dưới dạng một đa diện nào đó.
Khi làm nguội từ từ một dung dịch bão hòa hay một chất lỏng, chuyển động nhiệt của
các hạt giảm, những phân tử, nguyên tử hay ion tập hợp lại và phân bố, sắp xếp thành mạng
lưới không gian với một cấu trúc xác định. Khi đó ta có một tinh thể, hay quá trình này gọi là
quá trình kết tinh.
Trong thực tế, các chất rắn tinh thể được tạo thành từ nhiều tinh thể rất nhỏ (khoảng 10
– 20 µm) định hướng khác nhau. Các chất rắn như vậy gọi là đa tinh thể. Với những tinh thể
tạo nên chất rắn như một tinh thể duy nhất được gọi là đơn tinh thể.
Cấu trúc tinh thể liên quan đến mọi tính chất của vật liệu. Do đó để tổng hợp được loại
vật liệu có các tính chất mong muốn phải hiểu rõ cấu trúc bên trong của nó và từ đó lựa chọn
phương pháp chế tạo hợp lí. Có nhiều cách mô tả cấu trúc tinh thể: Dựa vào kiểu tế bào mạng,
vào cách sắp xếp khít khối cầu, dựa vào cách nối các đa diện trong không gian.
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC TINH THỂ KIM LOẠI
2.1. Liên kết hóa học trong tinh thể kim loại

2.1.1. Mô hình “khí electron” của Đruđơ và Loren (Drude, Lorentz)
Theo mô hình này, các electron có khả năng tách khỏi nguyên tử và di động tương đối
tự do trong nguyên tử tạo thành một đám “khí electron”. Sự tương tác giữa “khí electron” này
với ion dương kim loại ở các nút mạng là nguyên nhân của lực liên kết kim loại.
Dựa trên mô hình này, ta có thể giải thích một số tính chất vật lý của kim loại như: tính
dẫn nhiệt, dẫn điện, tính cứng, khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng,...
Tuy nhiên với mô hình trên, khó khăn trong việc giải thích nhiệt dung của kim
loại.
-4
o
J/(kg K) = 2.389x10 kcal/(kg C)
o
1 kJ/(kg K) = 0.2389 kcal/(kg C)
o
1 kcal/(kg C) = 4,186.8 J/ (kg K)
Theo thuyết động học của chất khí, trong tinh thể kim loại, các electron tự do
phải có phần đóng góp vào nhiệt dung chung của tinh thể kim loại là 3/2R (R - hằng số khí
= 8,3144J/mol.K = 1,98 cal/mol.K). Điều này mâu thuẫn với kết quả thực nghiệm là phần
đóng góp của “các khí electron” là không đáng kể.

3
NGUYỄN NHỰT LINH-15145281


Bảng 1. Nhiệt dung cụ thể của một số kim loại thông thường
Kim loại

Nhiệt dung riêng
của kim loại - cp


Kim loại
o

Nhiệt dung riêng
của kim loại - cp
(kJ/kg K)

o
(kcal/kg C)

Pt

0.13

0.032

0.436

Cd

0.23

0.055

0.91

0.22

Cr


0.46

0.11

Se

0.32

0.077

Co

0.42

0.1

Mg

1.05

0.243

Bi

0.13

0.03

Sb


0.21

0.05

Cd

0.23

0.055

Cu

0.39

0.092

Au

0.13

0.031

Mn

0.48

0.114

Fe


0.46

0.108

Hg

0.14

0.033

Pb

0.13

0.031

Mo

0.25

0.06

Ni

0.54

0.106

(kJ/kg K)


(kcal/kg C)

K

0.75

0.180

Be

1.83

Al

2.1.2. Mô hình dải năng lượng
Mô hình này dựa trên cơ sở về electron không định cư (tức là electron chuyển động
trên các MO chung của toàn phân tử). Trên cơ sở này, thuyết MO thích hợp trong việc mô tả
liên kết kim loại.
Các trạng thái electron ở đây cũng được hình dung như các trạng thái electron π
không định cư trong phân tử benzen hay trong các hệ electron π không định cư trong
phân tử có hệ liên kết liên hợp.

Hình 1. Sự hình thành dải năng lượng của MO không định cư
Giải thích theo mô hình trên:
- Đối với phân tử có sự tổ hợp của N obitan nguyên tử sẽ cho N/2 MO liên kết và
N/2 MO phản liên kết với các mức năng lượng rời rạc, gián đoạn.


- Trong tinh thể kim loại, số nguyên tử vô cùng lớn, nên số AO cũng vô cùng lớn. Vì
vậy, sự tổ hợp các AO này cũng cho một số vô cùng lớn các MO, và như thế hiệu các mức

năng lượng sẽ vô cùng nhỏ. Khi đó sự phân bố mức năng lượng gần như liên tục và tập hợp
các mức năng lượng nằm sát nhau được gọi là dải năng lượng.
- Khi hiệu năng lượng giữa các mức phản liên kết thấp nhất và các mức liên kết cao
nhất càng nhỏ trên nguyên tử trong tinh thể kim loại thì sẽ xảy ra sự xen phủ các dải năng
lượng.
Ví dụ:

Hình 2. Dải năng lượng đối với tinh thể Li
2.2. Cấu trúc trong tinh thể kim loại
Trong tinh thể kim loại thường mỗi nguyên tử hay ion kim loại được bao bọc bởi 12
hay 8 nguyên tử cùng loại (số phối trí bằng 8 hoặc 12). Các ion hoặc nguyên tử kim loại trong
mạng lưới liên kết với nhau nhờ các mây electron tự do không định chỗ và không cố định vào
một nguyên tử nào.
Trong tinh thể kim loại các nguyên tử kim loại nằm cạnh nhau nhờ “mây electron hoá
trị” xen phủ lẫn nhau, nên mỗi electron hoá trị sẽ chịu tác dụng đồng thời điện trường của
nhiều nguyên tử. Vì vậy electron hoá trị có thể chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử
khác mà không cần tiêu thụ năng lượng. Đó là những electron tự do trong tinh thể.
Các nguyên tử kim loại được sắp xếp một cách khít nhất ứng với một số phối trí cực
đại. Vì các nguyên tử kim loại được coi là hình cầu, nên cách sắp xếp này được coi là cách
sắp xếp một quả cầu khít nhất.
Ba kiểu mạng tinh thể của hầu hết kim loại là: lục phương, lập phương tâm diện và lập
phương tâm khối.

Lục phương,

Lập phương tâm diện

Lập phương tâm khối.

Hình 3. Các kiểu mạng tinh thể kim loại



Hình 4. Một số dạng cấu trúc tinh thể ở trạng thái cơ bản
Bảng 2. Kiến trúc tinh thể của các kim loại:
Li

Be

3

2

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co


Ni

Cu

Zn

3

1,2

1,2

2,3

3

3

-

1,3

1,2

1,2

1

2


Rb

Sr

Y

Zr

Te

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

3

1

2

2,3

3


2,3

2

1,2

1

1

1

2

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os


Ir

Pt

Au

Hg

3

3

1,2

2,3

3

3

2

1,2

1

1

1


-

Nb Mo

Trong đó: Số 1- Chỉ mạng lưới lập phương tâm diện; Số
2- Chỉ mạng lưới lục phương;
Số 3- Chỉ mạng lưới lập phương tâm khối;
2.3. Một số kiểu mạng tinh thể kim loại.
2.3.1. Mạng lập phương đơn giản:
- Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại.
- Số phối trí = 6.
- Số đơn vị cấu trúc: 1

2.3.2. Mạng lập phương tâm khối:
- Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay ion dương kim loại.
- Số phối trí = 8.
- Số đơn vị cấu trúc: 2

2.3.4. Mạng lập phương tâm diện
- Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là các nguyên tử hoặc
ion dương kim loại.
- Số phối trí = 12.
- Số đơn vị cấu trúc:4


2.3.5. Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương):
- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở. Mỗi ô mạng cơ sở là một
khối hộp hình thoi. Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử
hay ion kim loại.
- Số phối trí = 12.

- Số đơn vị cấu trúc: 2

CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT KIM LOẠI
Tinh thể kim loại có những tính chất đặc biệt như: khả năng biến dạng không đàn
hồi, dễ dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim,…
Hình 28. Sự biến dạng không đàn hồi của kim loại
Giải thích:
- Khả năng biến dạng của kim loại được giải thích bởi tính không định hướng của lực liên kết
và tính đồng nhất của các cấu tử. Khi xẩy ra biến dạng có sự trượt của các mặt lưới so với
nhau.
- Mặc dù trên các MO đã bão hòa, thì sự chuyển động của electron không tuân theo một
phương xác định. Nhưng theo mô hình dải năng lượng thì trong mạng tinh thể kim loại luôn
tồn tại những MO tự do (không có electron), có mức măng lượng gần với các MO bão hòa
electron. Do đó, khi có sự tương tác của điện trường ngoài, các electron


dễ chuyển lên các MO tự do và từ đó có sự di chuyển electron theo phương của điện trường
ngoài. Đó là nguyên nhân của tính dẫn điện của kim loại.
- Kim loại có điện trở nhỏ, điện trở kim loại là hệ quả sự khuếch tán của electron khi gặp ion
dao động.
- Khả năng biến dạng của kim loại cho phép những nguyên tử chiếm vị trí mới mà không làm
đứt liên kết. Cũng do nguyên nhân này mà kim loại điển hình có nhiệt độ nóng chảy thấp.
3.1. Tính dẻo
Khác với phi kim, kim loại có tính dẻo : dễ rèn, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Vàng là kim
loại có tính dẻo cao, có thể dát thành lá mỏng đến mức ánh sáng có thể xuyên qua. Kim loại có
tính dẻo là vì các ion dương trong mạng tinh thể kim loại có thể trượt lên nhau dễ dàng mà không
tách ra khỏi nhau nhờ những electron tự do chuyển động dính kết chúng với nhau.
3.2. Tính dẫn điện
Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu dây kim loại, những electron tự do trong 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,... Nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn
điện của kim loại càng giảm do ở nhiệt độ cao, các ion dương dao động mạnh cản trở dòng
electron chuyển động.
3.3. Tính dẫn nhiệt
Tính dẫn nhiệt của các kim loại cũng được giải thích bằng sự có mặt các electron tự do
trong mạng tinh thể. Các electron trong vùng nhiệt độ cao có động năng lớn, chuyển động hỗn
loạn và nhanh chóng sang vùng có nhiệt độ thấp hơn, truyền năng lượng cho các ion dương ở
vùng này nên nhiệt lan truyền được từ vùng này đến vùng khác trong khối kim loại. Thường các
kim loại dẫn điện tốt cũng dẫn nhiệt tốt.
3.4. Ánh kim
Các electron tự do trong tinh thể kim loại phản xạ hầu hết những tia sáng nhìn thấy được,
do đó kim loại có vẻ sáng lấp lánh gọi là ánh kim.
Ngoài ra, kim loại còn thể hiện một vài tính chất khác như:
• Tỉ khối
Những kim loại khác nhau có tỉ khối khác nhau rõ rệt. Ví dụ kim loại có tỉ khối nhỏ nhất là Li
0,5, kim loại có tỉ khối cao nhất là Os 22,6
Quy ước những kim loại có tỉ khối nhỏ hơn 5 là kim loại nhẹ, như Na, K, Mg, Al…..Những kim
loại có tỉ khối lớn hơn 5 là kim loại nặng, như Fe, Zn, Cu, Ag, Au…
•

Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ của kim loại loại cũng khác nhau. Có kim loại nóng chảy ở nhiệt độ -390C như Hg, có
kim loại nóng chảy ở 34220C như W


•

Tính cứng


Những kim loại khác nhau có tính cứng khác nhau. Có kim loại mềm như sáp, dùng dao cắt được
dễ dàng như Na,K….Ngược lại có kim loại rất cứng không thể dũa được như W, Cr
Những tính chất: tỉ khối, nhiệt độ nóng chảy, tính cứng của kim loại phụ thuộc chủ yếu vào bán
kính và điện tích ion, khối lượng nguyên tử, mật độ electron tự do trong kim loại.


KẾT LUẬN
Mạng tinh thể và các tính chất của kim loại liên quan mật thiết với nhau. Chỉ sai khác
một ít trong mạng tinh thể cấu thành vật liệu kim loại cũng dẫn đến hoặc hình thành những tính
chất mới hoặc gia tăng, hoặc làm giảm tính chất đã có. Bênh cạnh đó, liên kết kim loại bên trong
mạng tinh thể đã giúp kim loại đạt được những tính chất lí tưởng vừa đa dạng, vừa đặc trưng.
Ngoài ưu thê việc tạo nên ưu thế về cơ tính, lý tính, hoá tính và tính công nghệ cho kim loại,
mạng tinh thể cũng sinh ra những đặc điểm gây phiền phức, trở ngại cho các ngành muốn ứng
dụng chúng. Tuy nhiên, điều này lại thúc đẩy con người tiếp tục khám phá kim loại, góp phần
đưa vật liệu kim loại trở nên phổ biến như hiện nay.
Khoa học nghiên cứu kim loại đang được đầu tư tích cực để tiếp tục tìm hiểu loại vật liệu
truyền thống này. Kiến thức sâu và đầy đủ về kim loại mang lại cho nền kinh tế khả năng vật
dụng chúng một cách hiệu quả và tối ưu nhất. Trong thời đại ngày nay, ngoài việc đẩy mạnh
công cuộc tìm kiếm các nguồn vật liệu mới, người ta cũng chú ý vào việc khai thác tối đa tiềm
năng của các nguồn vật liệu cũ. Do vai trò quan trọng của mình, trong tương lai sắp tới, kim loại
sẽ vẩn là loại vật liệu chiếm hàm lượng cao trong các sản phẩm công nghệ và đời sống.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Tiếng Việt, Cấu trúc tinh thể, Vật liệu kim loại.
2. Trường Cao đẳng Kĩ thuật Cao Thắng, Vật liệu cơ khí và công nghệ kim loại.