Bảng nhiệt độ nóng chảy của các kim loại thường gặp và cách đọc đúng

Các kim loại thường gặp có nhiệt độ nóng chảy trải từ khoảng −39 °C (thuỷ ngân) tới khoảng 3.422 °C (vonfram). Mốc hay tra nhất: thiếc 232 °C, chì 327 °C, kẽm 420 °C, nhôm 660 °C, bạc 962 °C, vàng 1.064 °C, đồng 1.085 °C, sắt 1.538 °C. Các số dưới đây là của kim loại tinh khiết ở áp suất khí quyển; hợp kim như thép, đồng thau, gang chảy qua một khoảng chứ không ở một mốc.

Bảng nhiệt độ nóng chảy của 20 kim loại thường gặp

Số làm tròn theo các sổ tay hoá lý chuẩn (CRC Handbook of Chemistry and Physics) và thang nhiệt độ quốc tế ITS-90. Cột cuối nói vì sao kim loại đó quen thuộc, để con số có chỗ bám vào trí nhớ.

Đọc bảng nhiệt độ nóng chảy thế nào cho đúng?

Bảng trông đơn giản nhưng có vài chỗ hay bị hiểu sai.

Đơn vị: độ C, độ K hay độ F?

Tài liệu khoa học quốc tế thường ghi theo kelvin (K). Đổi sang độ C bằng cách trừ 273,15. Ví dụ đồng nóng chảy ở 1.357,77 K, tức khoảng 1.084,6 °C. Tài liệu kỹ thuật của Mỹ dùng độ F: nhôm 660 °C tương ứng khoảng 1.220 °F. Nhìn một con số "1.220" mà không thấy đơn vị thì rất dễ tưởng nhôm chảy cao gần bằng vàng.

"Tinh khiết" nghĩa là tinh khiết thật

Số trong bảng là của kim loại gần như tuyệt đối sạch. Nhôm làm khung cửa là hợp kim nhôm có thêm magie, silic; nó bắt đầu chảy sớm hơn 660 °C vài chục độ tuỳ mác. Đồng thau (đồng pha kẽm) chảy khoảng 900–940 °C, thấp hơn đồng đỏ khá nhiều. Thép không có một con số mà có khoảng, thường quanh 1.400–1.500 °C; gang còn thấp hơn, khoảng 1.150–1.300 °C.

Nhiệt độ chảy không phải nhiệt độ nấu

Xưởng đúc không rót kim loại đúng ở mốc chảy mà nung cao hơn một khoảng (gọi là độ quá nhiệt) để kim loại đủ loãng, chảy kín khuôn trước khi đông. Vì vậy nhiệt độ rót nhôm, đồng hay thép trong xưởng luôn cao hơn số trong bảng. Ngược lại, nhiều việc như hàn thiếc hay mạ kẽm nhúng nóng chỉ cần vượt mốc chảy một ít.

Vì sao các nguồn ghi lệch nhau vài độ?

Tra ba trang khác nhau, có thể thấy đồng ghi 1.083, 1.084 hay 1.085 °C; sắt ghi 1.535 hoặc 1.538 °C. Không nguồn nào "sai" hẳn, chỉ là:

• Thang đo được chỉnh lại. Thang nhiệt độ quốc tế đã được định nghĩa lại nhiều lần, lần gần nhất là ITS-90 (năm 1990). Sách cũ dùng thang cũ nên lệch một chút ở vùng nhiệt cao.
• Độ tinh khiết mẫu đo. Phép đo xưa dùng kim loại kém sạch hơn ngày nay; chỉ một lượng tạp nhỏ đã kéo mốc chảy xuống.
• Làm tròn và đổi đơn vị. Đổi từ K sang °C rồi làm tròn tới hàng đơn vị là đủ tạo chênh lệch một độ.
• Kim loại khó đo. Với kim loại chảy rất cao như vonfram, reni, ở nhiệt độ đó mọi vật chứa đều có thể phản ứng hoặc chảy theo, nên sai số đo lớn hơn hẳn; các nguồn có thể lệch vài chục độ.

Khi cần độ chính xác, hãy dùng một nguồn chuẩn duy nhất cho cả bài tính, và ghi rõ nguồn.

Những kim loại nào được chọn làm "mốc chuẩn" cho nhiệt độ?

Vì kim loại tinh khiết đông đặc ở một mốc rất ổn định, thang ITS-90 dùng chính điểm đông của chúng làm các điểm cố định để hiệu chuẩn nhiệt kế ở dải cao. Một số mốc chuẩn:

Các viện đo lường quốc gia giữ những "ô điểm cố định": một chén than chì chứa kim loại siêu sạch, đặt trong lò điều khiển chính xác. Khi kim loại đông, nhiệt độ đứng yên đủ lâu để so nhiệt kế cần hiệu chuẩn. Nhờ vậy, khi một xưởng thép báo thép lỏng ở 1.600 °C, con số đó truy ngược được về các mốc chuẩn này.

Có quy luật nào giúp nhớ nhanh bảng này không?

Không có công thức, nhưng có vài quy luật đúng phần lớn:

1. Kim loại kiềm chảy thấp. Liti, natri, kali, rubiđi, xêzi đều mềm, cắt được bằng dao và chảy dưới khoảng 200 °C. Chúng chỉ góp một electron mỗi nguyên tử vào liên kết.
2. Nhóm "kim loại mềm dễ hàn" nằm dưới 450 °C. Thiếc, bitmut, chì, kẽm. Đó là lý do chúng được dùng làm hợp kim hàn, lớp mạ, và cũng là lý do khói của chúng xuất hiện ở nhiều xưởng nhỏ, mang theo nguy cơ nhiễm độc (đặc biệt chì).
3. Nhóm "kim loại nhẹ" quanh 650–660 °C. Magie và nhôm gần như sát nhau.
4. Nhóm "kim loại quý và đồng" quanh 960–1.090 °C. Bạc, vàng, đồng đứng gần nhau trong bảng tuần hoàn và cũng gần nhau về mốc chảy.
5. Nhóm sắt quanh 1.450–1.540 °C. Niken, coban, sắt là ba láng giềng.
6. Kim loại chịu lửa trên 1.850 °C. Crom, molypđen, tantali, vonfram, reni; vonfram cao nhất.

Nhớ sáu nhóm này, gặp kim loại mới chỉ cần biết nó thuộc nhóm nào là đoán được bậc độ lớn.

Vì sao kim loại chảy cao chưa chắc là kim loại "bền"?

Đây là ngộ nhận phổ biến. Nhiệt độ nóng chảy cho biết kim loại chịu nóng tới đâu trước khi lỏng, nhưng không nói về độ cứng, độ dẻo hay khả năng chống gỉ ở nhiệt độ phòng.

• Sắt nguyên chất chảy ở 1.538 °C nhưng khá mềm; thêm chưa tới 1% cacbon thành thép mới cứng hẳn.
• Titan chảy cao hơn sắt và rất bền, nhưng ở nhiệt độ cao nó lại hút ôxy, nitơ mạnh và trở nên giòn, nên phải nấu luyện trong chân không hoặc khí trơ.
• Vonfram chảy cao nhất nhưng ở nhiệt độ phòng khá giòn, và bị ôxy hoá nhanh trong không khí khi nóng đỏ.
• Còn khi chịu tải lâu ở nhiệt độ cao (như cánh tuabin), kim loại yếu đi từ rất lâu trước mốc chảy. Kỹ sư thường xem khoảng một nửa đến hai phần ba nhiệt độ nóng chảy (tính theo kelvin) là vùng kim loại bắt đầu "bò" chậm dưới tải.

Góc nhìn hôm nay: dùng bảng này vào việc gì?

Với học sinh, bảng này là chỗ nối giữa Vật lý (sự chuyển thể) và Hoá học (bảng tuần hoàn, liên kết kim loại). Với người mua đồ, nó giúp hiểu vì sao nồi nhôm để quên trên bếp cạn nước có thể biến dạng hoặc thủng, còn nồi gang, nồi thép thì không: vùng đáy nồi có thể vượt nhiệt độ hoá mềm của hợp kim nhôm. Với người học nghề cơ khí, đúc, hàn, đây là bảng phải thuộc, kèm theo thói quen hỏi "đây là kim loại tinh khiết hay hợp kim?" trước khi tin một con số.

Một lưu ý an toàn: biết nhôm chảy ở 660 °C không có nghĩa nên tự nấu thử. Nấu kim loại ngoài xưởng đúc là một trong những việc gây bỏng nặng phổ biến, chủ yếu vì hơi ẩm lẫn trong vật liệu gặp kim loại lỏng làm nó bắn tung. Muốn xem tận mắt, hãy tìm các buổi tham quan có hướng dẫn ở xưởng đúc của trường cao đẳng kỹ thuật hoặc khu công nghiệp.