Các kim loại

Trong hóa học, kim loại (chữ Hán: 金類, tiếng Hy Lạp: μέταλλον（metallon）, tiếng Anh: metal) là nhóm nguyên tố có khả năng tạo ra các ion dương (cation) và có các liên kết kim loại. Chúng thường được mô tả như là nguyên tố có điện tử tự do, tạo thành liên kết kim loại. Kim loại là một trong ba loại nguyên tố chính, cùng với á kim và phi kim, được phân biệt dựa trên độ ion hóa và đặc tính liên kết. Trong bảng tuần hoàn, đường phân cách từ bo (B) đến poloni (Po) phân chia các kim loại với phi kim. Các nguyên tố trên đường này là á kim, hay còn gọi là bán kim loại; các nguyên tố bên trái đường phân chia là kim loại, và các nguyên tố ở góc trên bên phải đường phân chia là phi kim.

Mặc dù phi kim phổ biến hơn kim loại trong tự nhiên, kim loại vẫn chiếm khoảng 80% trong bảng tuần hoàn. Một số kim loại nổi bật bao gồm nhôm, đồng, vàng, sắt, chì, bạc, titan, urani, kẽm và thiếc.

Kim loại thường có ánh kim, tính dẻo (dễ kéo dài, dễ dát mỏng) và là chất dẫn điện và nhiệt tốt. Ngược lại, phi kim thường dễ vỡ (đối với trạng thái rắn), không có ánh kim (trừ một số dạng đặc biệt như kim cương), và dẫn nhiệt cũng như điện kém hơn.

Trên bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trong các kim loại, thủy ngân là kim loại duy nhất ở dạng lỏng.

Đặc tính vật lý

Kim loại có những đặc điểm nổi bật như ánh kim, khối lượng riêng cao, dễ kéo dài và dát mỏng, thường có điểm nóng chảy cao, cứng và dẫn nhiệt cũng như điện tốt. Những thuộc tính này chủ yếu do mỗi nguyên tử chỉ liên kết lỏng lẻo với các điện tử ở lớp ngoài cùng của nó (các điện tử hóa trị), tạo thành một lớp mây xung quanh các ion kim loại. Hầu hết các kim loại là ổn định về mặt hóa học, ngoại trừ kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ, nằm ở cuối bên trái bảng tuần hoàn và rất hoạt động hóa học. Tổng quát, kim loại là các nguyên tố mà nguyên tử của chúng dễ dàng nhường electron hóa trị để trở thành ion dương, không thể nhận thêm electron và do đó không bao giờ trở thành ion âm.

Hầu hết các kim loại ở trạng thái rắn ở nhiệt độ tiêu chuẩn (0 độ C), trừ thủy ngân (Hg) và Copernixi (Cn) đều ở dạng lỏng tại nhiệt độ phòng. Trong tự nhiên, chỉ có một số ít kim loại như vàng, platin tồn tại ở dạng tự do, còn phần lớn các kim loại tồn tại dưới dạng hợp chất.

Hợp kim

Tham khảo bài viết chi tiết về Hợp kim

Hợp kim là sự pha trộn của hai hoặc nhiều nguyên tố, trong đó có một kim loại chiếm ưu thế. Các kim loại nguyên chất thường quá mềm, giòn hoặc phản ứng hóa học quá mạnh để sử dụng thực tế. Khi kết hợp với nhau theo các tỷ lệ khác nhau, các kim loại tạo thành hợp kim có thể cải thiện đặc tính của kim loại nguyên chất, chẳng hạn như giảm độ giòn, tăng cứng độ, giảm sự ăn mòn hoặc tạo ra màu sắc và ánh kim mong muốn. Ví dụ về hợp kim bao gồm thép (sắt và carbon), gang, đồng thau (đồng và kẽm), đồng thiếc (đồng và thiếc) và hợp kim Đura (nhôm và đồng). Một số hợp kim được chế tạo đặc biệt cho các ứng dụng yêu cầu khắt khe, như trong ngành hàng không, có thể chứa hơn 10 nguyên tố.

Đặc tính hóa học

1. Phản ứng với phi kim

Hầu hết các kim loại có khả năng phản ứng hóa học mạnh mẽ, thường phản ứng với oxy trong không khí để tạo ra oxit sau một khoảng thời gian khác nhau (ví dụ, sắt có thể bị rỉ trong nhiều năm, trong khi kali có thể bùng cháy chỉ trong vài giây). Kim loại kiềm có phản ứng mạnh nhất, tiếp theo là kim loại kiềm thổ. Ví dụ:

$3\text{Fe}+2{\text{O}}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}$

$4\text{K}+{\text{O}}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->2{\text{K}}_2^{}\text{O}$

Các kim loại chuyển tiếp như sắt, đồng, chì và niken thường mất nhiều thời gian hơn để bị oxy hóa. Ngược lại, một số kim loại như paladi, bạch kim và vàng không bị phản ứng. Một số kim loại hình thành lớp oxit bảo vệ trên bề mặt của chúng, ngăn cản oxy tiếp xúc và giữ cho chúng vẫn giữ được ánh kim và khả năng dẫn điện qua nhiều năm (như nhôm, một số loại thép và titan). Các oxit kim loại thường có tính base, trái ngược với các oxit phi kim, vốn có tính axit.

Sơn hoặc phủ lớp oxit lên bề mặt kim loại là phương pháp hiệu quả để ngăn ngừa sự ăn mòn. Tuy nhiên, cần chọn kim loại có hoạt tính cao hơn trong dãy điện hóa để làm lớp phủ, đặc biệt nếu lớp phủ có thể bị hư hại. Nước kết hợp với hai kim loại có thể tạo thành pin điện hóa, và nếu lớp phủ ít hoạt động hơn vật liệu nền, nó có thể thúc đẩy sự ăn mòn thay vì ngăn chặn.

2. Phản ứng với phi kim

Các kim loại có nhiều trạng thái oxy hóa như Fe, Cr, Cu... khi phản ứng với halogen sẽ bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn. Các kim loại (ngoại trừ Pt và Au) khi phản ứng với lưu huỳnh sẽ tạo ra muối sulfide.

Ví dụ:

$2\text{Al}+3{\text{Br}}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->2{\text{AlBr}}_3^{}$

$\text{Hg}+\text{S}⟶<!--\; ⟶\; -->\text{HgS}$

3. Phản ứng với axit sinh khí H₂

Điều kiện: Kim loại cần phải nằm trước hydro trong dãy hoạt động hóa học.

Ví dụ:

$\text{Zn}+2\text{HCl}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{ZnCl}}_2^{}+{\text{H}}_2^{}\uparrow <!--\; \uparrow \; -->$

Phân loại

Kim loại cơ bản

Trong hóa học, 'kim loại cơ bản' chỉ những kim loại dễ bị oxy hóa hoặc ăn mòn và có khả năng phản ứng với axit clohidric loãng để sinh ra khí hydro. Ví dụ tiêu biểu bao gồm sắt, niken, chì và kẽm. Đồng cũng được coi là kim loại cơ bản vì nó dễ bị oxy hóa, mặc dù nó không phản ứng với HCl. Thuật ngữ này thường được đối lập với kim loại hiếm. Ngoài ra, còn có hai nhóm khác: kim loại đen và kim loại màu. Trong giả kim thuật, kim loại cơ bản được coi là kim loại thông dụng và rẻ tiền, trái ngược với kim loại quý như vàng và bạc. Mục tiêu của các nhà giả kim thuật trong nhiều thế kỷ là biến kim loại cơ bản (chủ yếu là kim loại màu) thành kim loại quý.

Kim loại đen

Bao gồm sắt, titan, crôm và nhiều kim loại khác. Kim loại đen, với màu đen đặc trưng, đã có mặt từ cách đây khoảng hai trăm triệu năm. Lê Quý Đôn, một nhà địa lý học và cũng là một học giả nổi tiếng, phát hiện ra nó vào năm 1743 khi ông mới 17 tuổi. Ông đã cùng cha, Lê Trọng Thứ, đi khảo sát cổ vật để tìm hiểu về nó.

Kim loại màu

Bao gồm bạc, vàng, đồng, kẽm và nhiều loại kim loại màu khác. Kim loại màu thường có các sắc thái như vàng, bạc, đồng, v.v... Chúng không có màu đen như kim loại đen.

Kim loại dùng để đúc vật phẩm

Trong nghệ thuật đúc tiền cổ, giá trị của các đồng xu được xác định dựa trên lượng kim loại quý mà chúng chứa. Loại kim loại này thường được gọi chung là kim loại đúc.

Dãy điện hóa chuẩn của kim loại

Dãy điện hóa chuẩn của kim loại là bảng xếp hạng các cặp oxy hóa-khử của kim loại theo thế điện cực chuẩn (EM/M (V)), từ thấp đến cao. Dưới đây là danh sách dãy điện hóa của một số kim loại phổ biến.

Hiện diện trong tự nhiên

Sắt là thành phần chính trong lõi của Trái Đất. Trong lớp vỏ Trái Đất, số lượng kim loại ít hơn so với phi kim, và hầu hết kim loại tồn tại dưới dạng hợp chất trong các khoáng sản và quặng. Một số kim loại quý như vàng, bạc, đồng và platin tồn tại ở dạng nguyên chất.