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

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 thông qua các nội dung: - Khái niệm, vị trí trong bảng tuần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

  

Môn học: VẬT LIỆU HỌC

Đề tài : QUAN HỆ GIỮA MẠNG TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT

CỦA KIM LOẠI

GVHD: Trần Thế San

Sinh viên thực hiện:

Tháng 9/2016

MỤC LỤC

Phần 1 MỞ ĐẦU 2

1.1 Kim loại 2

1.1.1 Khái niệm về kim loại 2

1.1.3 Tính thù hình của kim loại 2

PHẦN 2 QUAN HỆ GIỮA MẠNG TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI .3 2.2 Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại 3

2.2.1 Cấu tạo nguyên tử kim loại 3

2.2.2 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại 3

2.2.3 Liên kết trong tinh thể kim loại 9

2.3 Tính chất của kim loại 9

2.3.1 Tính chất vật lý 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

LỜI NÓI 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 công 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 thông qua các nội dung:

- Khái niệm, vị trí trong bảng tuần hoàn và tính thù hình của kim loại

- Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại

- 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 hoàn

- 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 (≤ 9110C, 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

PHẦN 2 QUAN HỆ GIỮA MẠNG TINH THỂ V

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 ngoài cùng

- Bán kính nguyên tử của các nguyên tố kim loại (ở phía dưới, bên trái bảng tuần hoàn) nhìn chung lớn hơn bán kính nguyên tử các nguyên tố phi kim (ở phía trên, bên phải bảng tuần hoàn)

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 mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên

tử (phân tử) trong không 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)

+ Ô 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 ô cơ sở của nó là đủ Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng

Ví dụ như trên ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô Đơn vị đo của thông 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

- Lập phương tâm khối: Các nguyên tử, ion kim loại nằm trên đỉnh và tâm của hình lập phương

Các kim loại nguyên 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…

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

Các kim loại nguyên 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

* 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 không 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:

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

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 dòng 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 g/

- 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 không 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

- 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 loãng (trừ Pt, Au), khi đó N+5 trong HNO3 bị khử thành N+2 (NO) ; N+1 (N2O) ; No (N2) hoặc N-3 (NH4+)

 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

 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 môi 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↓

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 không màu thoát ra và hóa nâu trong không khí do phản ứng: 3Cu + Cu(NO3)2 + 8HCl

→ 4CuCl2 + 2NO + 4H2O

 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

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 trò

là chất khử, H2O là chất oxi hóa và bazơ làm môi 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO

http://matran.vn/hoa-hoc/lien-ket-hoa-hoc-cau-truc-tinh-the-lien-ket-kim-loai-32.html https://sites.google.com/site/vlckcnkl/chuong-1/1-2-cau-tao-cua-kim-loai-va-hop-kim http://nguyentrai12a5.canadianforum.net/t50-topic

quan-trong-cua-kim-loai-va-hop-kim