Đang tải bài học…

AP Chemistry

hợp kim

alloy

Hợp kim là hỗn hợp rắn của hai hay nhiều nguyên tố, trong đó có ít nhất một kim loại, mang đầy đủ tính chất đặc trưng của kim loại.

Hợp kim là một loại hỗn hợp rắn được tạo thành từ hai hay nhiều nguyên tố, trong đó thành phần chủ yếu là kim loại. Khác với hợp chất tinh khiết, các nguyên tử trong hợp kim không liên kết với nhau theo một tỉ lệ cố định mà có thể thay đổi linh hoạt. Nhờ sự linh hoạt này, con người có thể điều chỉnh thành phần để tạo ra những vật liệu mới mang tính chất đặc trưng của kim loại nhưng có độ bền cơ học vượt trội hơn hẳn so với kim loại nguyên chất ban đầu.

Về mặt cấu trúc, các nguyên tử của nguyên tố thứ hai sẽ xen vào mạng tinh thể của kim loại nền, tạo thành một dung dịch rắn (solid solution). Nếu nguyên tử xen vào có kích thước nhỏ, chúng sẽ chiếm chỗ tại các khe hở giữa các nút mạng, hình thành dung dịch rắn xen kẽ (interstitial solid solution). Ngược lại, nếu kích thước của chúng tương đương với kim loại nền, chúng sẽ thay thế trực tiếp các nguyên tử kim loại tại nút mạng, tạo ra dung dịch rắn thay thế (substitutional solid solution). Sự xáo trộn cấu trúc này khiến cho các lớp nguyên tử trở nên khó trượt lên nhau hơn, do đó hợp kim thường cứng và bền hơn kim loại nguyên chất.

Một ví dụ điển hình trong đời sống là đồng thau, một hợp kim của đồng và kẽm. Sự có mặt của các nguyên tử kẽm trong mạng tinh thể đồng đã làm thay đổi đáng kể độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Vì vậy, việc nghiên cứu cấu trúc và thành phần của hợp kim đóng vai trò then chốt trong khoa học vật liệu, giúp tạo ra các sản phẩm phục vụ cho công nghiệp và xây dựng.

Trực giác: Hãy tưởng tượng một đội hình xếp hàng đều tăm tắp của các nguyên tử kim loại; khi bạn nhét vào đó những người có kích thước khác nhau, hàng ngũ sẽ trở nên lộn xộn và khó bị trượt đổ hơn khi có ngoại lực tác động.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

đầu thế kỷ 14 (nghĩa hiện đại ghi nhận năm 1593)

"Alloy" là một từ đi ra từ xưởng đúc tiền châu Âu thời Trung cổ: tiếng Anh mượn từ Anglo-French alai và Old French aloi ngay từ đầu thế kỷ 14, còn dạng chính tả và nghĩa hiện đại được ghi nhận khoảng năm 1593.

Trước khi trở thành một thuật ngữ khoa học vật liệu, từ này gắn với chuyện tiền bạc. Vào đầu thế kỷ 14, alai chỉ mức độ tinh khiết của một kim loại quý (noble metal), tức là vàng hay bạc trong đồng tiền còn lẫn bao nhiêu tạp chất (impurities). Người thu thuế và thợ đúc tiền cần một chữ để nói về chuyện đó, vì giá trị đồng tiền phụ thuộc hoàn toàn vào tỉ lệ ấy. Đến khoảng năm 1400, nghĩa lật ngược: từ này chỉ chính phần kim loại rẻ được pha vào kim loại quý. Mãi đến năm 1827, nó mới mang nghĩa trung lập là mọi hỗn hợp kim loại, không còn hàm ý tốt xấu.

Hay hiểu sai

Hợp kim là hỗn hợp, không phải hợp chất có công thức xác định.

Loại hợp kim được quyết định bởi bán kính nguyên tử, không phải bởi khối lượng hay hoạt tính.

Pha thêm kim loại khác không làm mất tính dẫn điện của hợp kim.

Hợp kim cứng hơn không phải vì liên kết mạnh hơn mà vì mạng bị biến dạng.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Đồng thau (brass) dùng làm kèn trumpet là hợp kim của đồng và kẽm, nhìn dưới kính hiển vi quang học thì hoàn toàn đồng nhất. Nguyên tử Cu và nguyên tử Zn có bán kính nguyên tử gần bằng nhau, khoảng 135 pm. Một mẫu đồng thau có tỉ lệ mol Cu : Zn = 2 : 1. Cho

M_{\text{Cu}} = 63{,}55

g/mol và

M_{\text{Zn}} = 65{,}38

g/mol.

aMô tả sơ đồ hạt vi mô biểu diễn đúng nhất cấu trúc của đồng thau, và giải thích vì sao bán kính bằng nhau lại dẫn tới kiểu cấu trúc đó.
bTính phần trăm khối lượng của đồng trong mẫu đồng thau nói trên.

1Bước 1: Vì hai loại nguyên tử có bán kính xấp xỉ nhau (

135

pm), nguyên tử Zn có thể chiếm chỗ của nguyên tử Cu ngay tại các nút mạng mà không làm mạng tinh thể sụp đổ. Đây là hợp kim thay thế (substitutional alloy).

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Cấu trúc kim loại và hợp kim” — khoá AP Chemistry

Cần trướcliên kết kim loại (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

hợp kim thay thế (substitutional alloy)substitutional alloy

Khác nhau ở đâuHợp kim thay thế có nguyên tử của nguyên tố này chiếm chỗ nguyên tử của nguyên tố kia trong mạng tinh thể. Hợp kim xen kẽ có nguyên tử nhỏ hơn chui vào khoảng trống giữa các nguyên tử lớn trong mạng tinh thể.

Hay nhầm khiĐề cho hai kích thước nguyên tử khác nhau và hỏi loại hợp kim nào được tạo thành.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 17, 24, 85.

Vì sao mang đúng cái tên này? Gốc sâu nhất nằm ở động từ Latin alligāre, nghĩa là "buộc lại, ràng vào nhau", ghép từ al- ("về phía") và ligāre ("buộc") — cùng họ với ligament trong sinh học. Qua tiếng Pháp cổ, aleier mang nghĩa "kết hợp lại", rồi danh từ aloi đi vào tiếng Anh. Vì vậy cái tên mô tả rất đúng bản chất vật lý: hợp kim không phải phản ứng hóa học tạo chất mới mà là các kim loại bị "buộc" vào cùng một mạng tinh thể. Chi tiết thú vị là hàm ý giá trị đã đổi chiều theo thời gian. Ban đầu từ này nói về sự tinh khiết, sau đó chỉ phần tạp chất pha vào, và cuối cùng mất hẳn sắc thái đánh giá. Chính vì lịch sử ấy mà động từ "to alloy" trong tiếng Anh đời thường vẫn còn nghĩa bóng là "làm giảm giá trị, pha loãng", dù trong phòng thí nghiệm việc pha kim loại lại thường nhằm làm vật liệu tốt lên.

Mẹo phòng thi

Gặp dữ kiện bán kính nguyên tử trong bài hợp kim, hãy so sánh nó trước mọi việc khác.

Với câu tự luận về độ cứng, phải viết đủ ba mắt xích nhân quả mới trọn điểm.

Bài phân tích khối lượng (gravimetric analysis) hợp kim đòi bạn tách ion cần đo bằng một kết tủa cụ thể.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 2: Sơ đồ đúng phải cho thấy các hình tròn CÙNG KÍCH THƯỚC, xếp đều đặn theo một mạng duy nhất, trong đó hai loại nguyên tử phân bố ngẫu nhiên chứ không tách thành hai vùng riêng. Sơ đồ vẽ nguyên tử nhỏ nằm xen vào khe hở là hợp kim xen kẽ (interstitial alloy) — sai với dữ kiện; sơ đồ vẽ Cu một bên, Zn một bên là hỗn hợp không đồng nhất — cũng sai.

3Bước 3: Xét 1 mol công thức gồm 2 mol Cu và 1 mol Zn:

m_{\text{Cu}} = 2(63{,}55) = 127{,}10

g và

m_{\text{Zn}} = 65{,}38

g, nên tổng khối lượng là

127{,}10 + 65{,}38 = 192{,}48

4Bước 4:

\%m_{\text{Cu}} = \frac{127{,}10}{192{,}48}\times 100\% = 66{,}0\%

Tỉ số này cho biết trong 100 g đồng thau có 66,0 g đồng, phần còn lại 34,0 g là kẽm.

Đồng thau là hợp kim thay thế: do Cu và Zn có bán kính gần như nhau, nguyên tử Zn thế chỗ nguyên tử Cu tại các nút của cùng một mạng tinh thể, tạo ra sơ đồ gồm những hạt cùng cỡ trộn ngẫu nhiên với nhau. Vì các nguyên tử trộn lẫn ở mức nguyên tử, đồng thau là một hỗn hợp đồng nhất, tức một dung dịch rắn, với thành phần đồng chiếm 66,0% khối lượng.

2Ví dụ 2/2

Vàng nguyên chất quá mềm nên thường được tạo hợp kim với kim loại khác. Bảng bán kính nguyên tử cho biết

r_{\text{Au}} = 144

pm,

r_{\text{Ag}} = 144

pm và

r_{\text{Cu}} = 128

pm. Xét hai hợp kim có cùng phần mol vàng: một hợp kim Au–Cu và một hợp kim Au–Ag. Thực nghiệm cho thấy hợp kim Au–Cu cứng hơn hợp kim Au–Ag.

aGiải thích sự khác biệt về độ cứng dựa trên dữ liệu bán kính nguyên tử.
bNếu hòa tan một mẫu Au–Cu vào $\text{HNO}_3(aq)$ để phân tích khối lượng, hãy nêu bước hợp lý tiếp theo nhằm xác định lượng bạc hoặc đồng tách ra khỏi dung dịch.

1Bước 1: So sánh độ chênh bán kính: với Ag,

|144 - 144| = 0

pm; với Cu,

|144 - 128| = 16

pm, tức lệch khoảng

11\%

so với bán kính vàng.

2Bước 2: Độ cứng của kim loại phụ thuộc vào mức độ khó khăn khi các lớp nguyên tử trượt lên nhau. Nguyên tử Cu nhỏ hơn nên khi thay chỗ nguyên tử Au, nó làm mạng tinh thể bị méo cục bộ, cản trở chuyển động trượt. Ngược lại, nguyên tử Ag cùng cỡ với Au nên mạng gần như không đổi, các lớp vẫn trượt dễ dàng.

3Bước 3: Với phần (b): trong dung dịch có ion kim loại. Muốn phân tích khối lượng thì phải kết tủa chọn lọc một ion, chẳng hạn thêm

\text{NaCl}(aq)

dư để tạo

\text{AgCl}(s)

theo

\text{Ag}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s)

, rồi lọc, rửa, sấy khô và cân kết tủa.

4Bước 4: Từ khối lượng kết tủa suy ra số mol kim loại:

n = m/M

, với

m

là khối lượng chất rắn thu được và

M

là khối lượng mol của kết tủa. Số mol này bằng số mol ion kim loại ban đầu, nhờ đó tính được phần trăm khối lượng kim loại trong mẫu.

Hợp kim Au–Cu cứng hơn vì bán kính của Cu (128 pm) khác đáng kể so với Au (144 pm), gây méo mạng và cản trở các lớp nguyên tử trượt lên nhau; còn Ag có bán kính bằng đúng Au nên mạng gần như không bị biến dạng. Trong phân tích khối lượng, bước tiếp theo là kết tủa chọn lọc ion cần đo, lọc, sấy và cân kết tủa để suy ra thành phần hợp kim.

chất rắn kim loại (sắp có)

Liên quankim loạibiển electron (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.