Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất là thuỷ ngân, khoảng −39 °C, nên nó lỏng ở mọi nhiệt độ sinh hoạt bình thường. Tiếp theo là xêzi (khoảng 28 °C) và gali (khoảng 30 °C), có thể chảy trong một ngày hè nóng. Ngoài kim loại nguyên chất, người ta còn pha được những hợp kim chảy thấp như hợp kim Field (khoảng 62 °C) hay galinstan (lỏng tới khoảng −19 °C).
Những kim loại nào lỏng hoặc gần lỏng ở nhiệt độ phòng?
| Kim loại | Ký hiệu | Nóng chảy (khoảng, °C) | Đặc điểm cần biết |
|---|---|---|---|
| Thuỷ ngân | Hg | −39 | Lỏng ở nhiệt độ phòng, hơi độc |
| Xêzi | Cs | 28 | Phản ứng dữ dội với nước, tự bốc cháy trong không khí |
| Gali | Ga | 30 | Ít độc, dùng trong bán dẫn |
| Rubiđi | Rb | 39 | Phản ứng rất mạnh, cất kín như xêzi |
| Kali | K | 64 | Mềm như sáp, cất trong dầu |
| Natri | Na | 98 | Mềm, cất trong dầu, phản ứng mạnh với nước |
| Inđi | In | 157 | Mềm, dùng trong màn hình cảm ứng (dạng ôxít) |
| Thiếc | Sn | 232 | Kim loại "dễ chảy" quen thuộc nhất |
Franxi, một nguyên tố phóng xạ cực hiếm, được dự đoán cũng chảy quanh nhiệt độ phòng, nhưng chưa ai có đủ lượng để đo trực tiếp. Gali nổi tiếng vì tan trong lòng bàn tay; chuyện đó là một đề tài riêng, ở đây chỉ cần nhớ con số khoảng 30 °C.
Vì sao thuỷ ngân lại lỏng ở nhiệt độ thường?
Thuỷ ngân nằm ngay cạnh vàng trong bảng tuần hoàn, vậy mà vàng chảy ở 1.064 °C còn thuỷ ngân lỏng từ −39 °C. Lời giải thích được chấp nhận rộng rãi hiện nay đến từ hiệu ứng tương đối tính.
Thuỷ ngân có hạt nhân rất nặng (80 proton). Các electron lớp trong cùng chuyển động nhanh tới mức một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng, và theo thuyết tương đối, chúng "nặng" thêm và co lại gần hạt nhân. Hiệu ứng lan sang lớp ngoài: hai electron 6s của thuỷ ngân bị kéo sát vào trong, bám chặt vào nguyên tử của chính nó và rất ngại tham gia liên kết với nguyên tử bên cạnh. Liên kết kim loại giữa các nguyên tử thuỷ ngân vì thế yếu bất thường, gần giống lực hút giữa các phân tử khí. Năm 2013, một nhóm nghiên cứu đã dùng tính toán lượng tử để cho thấy nếu bỏ hiệu ứng tương đối tính đi, thuỷ ngân "lẽ ra" phải rắn ở nhiệt độ phòng.
Cũng chính hiệu ứng này làm vàng có màu vàng thay vì trắng bạc như phần lớn kim loại khác.
Vì sao xêzi phải cất trong ống thuỷ tinh hàn kín?
Xêzi là kim loại kiềm, nằm cuối nhóm cùng liti, natri, kali, rubiđi. Mỗi nguyên tử chỉ có một electron ngoài cùng, nằm rất xa hạt nhân và rất dễ cho đi. Hệ quả kép:
- Liên kết kim loại rất yếu, nên xêzi mềm như bơ và chảy ở khoảng 28 °C. Một phòng thí nghiệm không điều hoà ở miền Nam vào mùa nóng là đủ để xêzi lỏng.
- Phản ứng hoá học cực mạnh. Xêzi tự bốc cháy khi gặp không khí và phản ứng gần như nổ với nước, kể cả hơi ẩm, sinh ra khí hiđrô bắt lửa.
Vì vậy xêzi được bảo quản trong ống thuỷ tinh hàn kín, rút hết không khí hoặc nạp khí trơ argon. Natri và kali "hiền" hơn một chút nên có thể ngâm trong dầu hoả hoặc dầu khoáng. Đây là các hoá chất chỉ dùng trong phòng thí nghiệm có người chuyên môn, không bao giờ là thứ để thử nghiệm ngoài đó.
Công dụng nổi tiếng nhất của xêzi là đồng hồ nguyên tử: từ năm 1967, giây trong hệ đo lường quốc tế được định nghĩa dựa trên dao động của nguyên tử xêzi-133, đúng 9.192.631.770 chu kỳ.
Hợp kim Field, hợp kim Wood và galinstan là gì?
Khi trộn vài kim loại chảy thấp theo đúng tỷ lệ, ta được hợp kim chảy thấp hơn cả từng thành phần, gọi là hợp kim cùng tinh (eutectic). Một số hợp kim nổi tiếng:
| Hợp kim | Thành phần chính (khoảng) | Nóng chảy (khoảng, °C) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Galinstan | gali, inđi, thiếc | −19 | Lỏng ở nhiệt độ phòng, dùng trong nhiệt kế thay thuỷ ngân |
| Hợp kim natri – kali (NaK) | natri, kali | khoảng −12 | Lỏng, từng dùng làm chất tải nhiệt trong lò phản ứng thí nghiệm; rất nguy hiểm khi gặp nước |
| Hợp kim Field | bitmut, inđi, thiếc | 62 | Không chứa chì, cadmi |
| Hợp kim Wood | bitmut, chì, thiếc, cadmi | khoảng 70 | Có chì và cadmi, độc, nay ít dùng |
| Hợp kim Rose | bitmut, chì, thiếc | khoảng 98 | Có chì |
Hợp kim Field được nhà khoa học người Mỹ Simon Quellen Field đặt tên, và ra đời một phần vì muốn thay hợp kim Wood bằng một loại không chứa chì và cadmi. Ở nước nóng chưa sôi, nó đã chảy.
Kim loại chảy thấp được dùng vào việc gì?
- Nhiệt kế và thiết bị đo. Thuỷ ngân từng là chất lỏng chuẩn trong nhiệt kế vì giãn nở đều và không dính thành ống. Nay nhiều nước hạn chế nhiệt kế thuỷ ngân, thay bằng nhiệt kế điện tử hoặc chất lỏng galinstan.
- Thiết bị an toàn tự kích hoạt. Chốt hợp kim chảy thấp trong cầu chì nhiệt, van an toàn hay một số đầu phun chữa cháy tan ở nhiệt độ định trước để ngắt điện, mở nước.
- Uốn ống thành mỏng trong công nghiệp. Đổ đầy ống bằng hợp kim chảy thấp, để đông, uốn ống như một thanh đặc rồi đun nhẹ cho hợp kim chảy ra. Thành ống không bị móp.
- Giữ chi tiết khi gia công. Chi tiết hình dạng phức tạp được đúc ngập vào hợp kim chảy thấp để kẹp chặt, gia công xong thì nung nhẹ lấy ra.
- Tản nhiệt hiệu năng cao. Một số "kem tản nhiệt kim loại lỏng" gốc gali dùng trong máy tính; chúng ăn mòn nhôm nên chỉ dùng trên bề mặt đồng hoặc niken.
Kim loại chảy thấp có nguy hiểm không?
"Chảy thấp" không có nghĩa là "an toàn". Mỗi loại có rủi ro riêng:
- Thuỷ ngân bay hơi ở nhiệt độ phòng; hơi thuỷ ngân hít vào lâu ngày gây hại hệ thần kinh và thận theo cảnh báo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Vì thế không nghịch, không giữ thuỷ ngân trong nhà. Nhiệt kế vỡ cần thu dọn đúng cách và gom bỏ theo hướng dẫn thu hồi chất thải nguy hại.
- Xêzi, rubiđi, kali, natri, hợp kim NaK phản ứng mạnh với nước, gây cháy nổ. Chỉ người có chuyên môn mới được xử lý.
- Hợp kim có chì, cadmi (Wood, Rose) độc khi nuốt phải hay hít khói. Khi nghe ai giới thiệu "kim loại tan trong nước nóng" làm đồ trang trí, cần hỏi rõ thành phần.
Không nên tự nấu, tự đúc bất kỳ kim loại hay hợp kim nào ở nhà, kể cả loại chảy dưới 100 °C. Nhiều hợp kim chảy thấp có chì hoặc cadmi, và kim loại lỏng nóng vẫn gây bỏng.
Góc nhìn hôm nay: thuỷ ngân đang rời khỏi đời sống
Công ước Minamata về thuỷ ngân, ký năm 2013 và mang tên vụ nhiễm độc thuỷ ngân nổi tiếng ở vịnh Minamata (Nhật Bản) giữa thế kỷ 20, đặt mục tiêu loại dần nhiều sản phẩm chứa thuỷ ngân như nhiệt kế, huyết áp kế, một số loại pin và đèn. Bệnh viện ngày càng chuyển sang nhiệt kế điện tử, đèn LED thay đèn huỳnh quang. Với người học, câu chuyện của thuỷ ngân là ví dụ hiếm hoi mà thuyết tương đối của Einstein hiện ra ngay trong một vật dụng quen thuộc. Muốn đọc thêm, có thể bắt đầu từ chương kim loại kiềm và kim loại chuyển tiếp trong sách Hoá học lớp 12, rồi tìm các tài liệu về thuỷ ngân của WHO.
Câu hỏi thường gặp
Kim loại nào ở thể lỏng ở nhiệt độ phòng?
Thuỷ ngân là kim loại duy nhất lỏng chắc chắn ở nhiệt độ phòng, vì nó chảy ở khoảng −39 °C. Xêzi (28 °C) và gali (30 °C) có thể lỏng khi phòng nóng hoặc khi được cầm trong tay.
Thuỷ ngân đông đặc ở bao nhiêu độ?
Thuỷ ngân đông đặc ở khoảng −39 °C. Đó là lý do ở các vùng cực lạnh, nhiệt kế thuỷ ngân không đo được nhiệt độ quá thấp và người ta dùng nhiệt kế rượu.
Vì sao thuỷ ngân không rắn như các kim loại khác?
Do hiệu ứng tương đối tính: các electron ngoài cùng của thuỷ ngân bị kéo sát hạt nhân và ít tham gia liên kết, nên lực giữ các nguyên tử thuỷ ngân với nhau rất yếu. Tính toán lượng tử cho thấy không có hiệu ứng này, thuỷ ngân sẽ rắn ở nhiệt độ phòng.
Hợp kim Field là gì?
Là hợp kim của bitmut, inđi và thiếc, chảy ở khoảng 62 °C. Nó không chứa chì và cadmi nên được dùng thay hợp kim Wood trong một số ứng dụng công nghiệp và phòng thí nghiệm.
Vì sao xêzi phải bảo quản trong ống kín?
Xêzi tự bốc cháy trong không khí và phản ứng gần như nổ với nước, kể cả hơi ẩm. Vì vậy nó được cất trong ống thuỷ tinh hàn kín, chân không hoặc nạp khí argon.
