Magie và liti: hai kim loại nhẹ nhất trong công nghiệp hiện đại

Liti là kim loại nhẹ nhất (khoảng 0,53 g/cm³, nổi được trên dầu hoả và nước), còn magie là kim loại kết cấu nhẹ nhất (khoảng 1,74 g/cm³, nhẹ hơn nhôm khoảng một phần ba). Magie được đúc thành khung máy ảnh, vỏ máy tính xách tay, lõi vô lăng, mâm xe đua; liti là "linh hồn" của pin liti-ion. Hai kim loại này đều rất hoạt động hoá học: magie khi đã bắt lửa cháy sáng chói và nóng tới khoảng 3.000 °C, liti phản ứng với nước sinh ra khí hydro. Magie nóng chảy ở khoảng 650 °C, liti ở khoảng 180 °C.

Liti và magie nhẹ đến mức nào?

Liti nhẹ đến mức một khối liti thả vào dầu sẽ nổi lên. Trong phòng thí nghiệm, natri và kali được ngâm dưới dầu hoả để tránh không khí, nhưng liti lại nổi lên trên dầu, nên người ta thường bọc liti bằng sáp hoặc cất trong khí argon.

Magie được dùng vào đâu trong đời sống?

Magie nguyên chất mềm và kém bền, nhưng pha thêm nhôm, kẽm, mangan hay đất hiếm thì thành hợp kim đủ bền cho kết cấu nhẹ. Hợp kim magie đúc áp lực rất tốt: chảy loãng, điền khuôn mỏng, đông nhanh. Vì vậy magie hay có mặt ở:

• Vỏ và khung máy: thân máy ảnh, khung máy tính xách tay, vỏ máy khoan cầm tay, nơi mỗi chục gam nhẹ hơn đều đáng giá.
• Ô tô: lõi vô lăng, khung ghế, khung bảng điều khiển, vỏ hộp số ở một số dòng xe.
• Mâm xe "mâm magie" trên xe đua và xe thể thao, nhẹ hơn mâm nhôm nhưng cần sơn phủ kỹ.
• Phụ gia cho kim loại khác: một phần rất lớn magie thế giới không làm thành hợp kim magie mà được pha vào hợp kim nhôm (giúp nhôm bền và chịu nước biển), dùng để khử lưu huỳnh trong thép, và để biến graphit trong gang thành dạng cầu, tạo ra gang dẻo.
• Anốt hy sinh trong bình nóng lạnh và đường ống chôn, cùng nguyên lý với kẽm hy sinh.

Điểm yếu lớn nhất của magie là ăn mòn. Magie đứng rất cao trong dãy hoạt động hoá học, nên khi tiếp xúc với thép, đồng, hay chỉ cần nước muối, nó bị ăn mòn nhanh. Mọi chi tiết magie dùng ngoài trời đều cần lớp phủ chuyển hoá và sơn, và phải cách điện với vít, bu lông thép.

Vì sao magie cháy sáng chói như vậy?

Khối magie lớn khó bắt lửa vì nhiệt bị dẫn đi nhanh. Nhưng dải magie mỏng, phoi tiện, bột magie thì bắt lửa được, và khi đã cháy thì toả ra ánh sáng trắng chói. Có hai lý do:

1. Phản ứng magie với ôxy toả nhiệt rất lớn, đưa ngọn lửa lên khoảng 3.000 °C.
2. Sản phẩm cháy là magie ôxít, một chất rắn chịu nhiệt rất cao. Những hạt ôxít rắn nóng trắng phát sáng như dây tóc bóng đèn, cho phổ ánh sáng rộng, nhiều cả tia cực tím.

Thời kỳ đầu nhiếp ảnh, bột magie từng được đốt làm đèn chớp. Không nên nhìn thẳng vào magie đang cháy vì ánh sáng và tia cực tím có thể hại mắt.

Lửa magie không thể dập bằng nước: ở nhiệt độ đó magie "giật" ôxy từ chính phân tử nước, giải phóng hydro và làm đám cháy bùng lên. Magie còn cháy được trong khí cacbon điôxít, nên bình CO₂ cũng không có tác dụng. Xưởng gia công magie phải dùng cát khô hoặc bình chữa cháy chuyên dụng cho đám cháy kim loại, và gọi 114 khi cháy lớn. Chi tiết có ở danh mục An toàn nhiệt.

Liti làm gì trong pin liti-ion?

Liti vừa nhẹ nhất, vừa là kim loại "nhường electron" mạnh bậc nhất, nên một tế bào pin có liti cho điện áp cao (khoảng 3,6–3,7 V so với 1,2–1,5 V của pin khác) trên mỗi gam vật liệu. Trong pin liti-ion, liti không nằm ở dạng kim loại mà ở dạng ion, di chuyển qua lại giữa hai cực:

• Khi sạc, ion liti rời cực dương (ôxít kim loại chứa liti) đi qua chất điện phân, cài vào giữa các lớp graphit của cực âm.
• Khi dùng, ion liti quay về cực dương, còn electron đi vòng qua mạch ngoài làm sáng màn hình, chạy động cơ.

Ý tưởng và các bước hoàn thiện pin liti-ion được trao giải Nobel Hoá học năm 2019 cho ba nhà khoa học John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino. Pin liti-ion thương mại đầu tiên được bán ra năm 1991 ở Nhật Bản. Ngày nay, theo Cục Địa chất Hoa Kỳ, phần lớn liti khai thác trên thế giới (khoảng 80% trở lên) đi vào pin.

Lượng liti trong một viên pin thật ra không lớn so với tổng khối lượng: phần nặng nằm ở graphit, ôxít kim loại, lá đồng, lá nhôm và vỏ. Pin dùng sai cách (đâm thủng, quá nóng, sạc bằng bộ sạc kém) có thể rơi vào trạng thái tự nóng lên không kiểm soát, nên pin phồng cần ngưng dùng và giao về điểm thu hồi.

Liti và magie lấy từ đâu ra?

Liti có hai nguồn chính. Thứ nhất là nước muối ngầm dưới các hồ muối khô trên cao nguyên Nam Mỹ (vùng giáp ranh Chilê, Áchentina, Bôlivia): nước muối được bơm lên các ao nông, phơi nắng bay hơi trong nhiều tháng cho đặc lại, rồi kết tủa thành liti cacbonat. Thứ hai là quặng đá cứng, chủ yếu khoáng spođumen, khai thác nhiều ở Ôxtrâylia, được nung và hoà tách. Việc dùng nước ở vùng sa mạc khô hạn cho các ao bốc hơi là vấn đề được bàn nhiều.

Magie có rất nhiều trong tự nhiên: trong khoáng đôlômit, magiezit, và trong nước biển (khoảng 1,3 gam mỗi lít). Phần lớn magie kim loại hiện nay được sản xuất bằng cách khử magie ôxít với silic ở nhiệt độ cao trong chân không, cách làm tốn nhiều năng lượng. Một số nơi dùng phương pháp điện phân magie clorua nóng chảy.

Liti còn có mặt ở đâu ngoài pin?

• Mỡ bôi trơn gốc liti: loại mỡ vàng hay dùng cho vòng bi xe máy, quạt, máy móc, chịu nhiệt và chịu nước khá tốt.
• Thuỷ tinh – gốm: liti giúp giảm giãn nở nhiệt; mặt bếp điện từ, bếp hồng ngoại thường là gốm thuỷ tinh chứa liti, chịu được nóng lạnh đột ngột.
• Hợp kim nhôm – liti trong máy bay: mỗi 1% liti làm nhôm nhẹ đi khoảng 3% và cứng vững hơn.
• Y học: một số hợp chất liti là thuốc điều trị bệnh lý tâm thần, chỉ dùng theo chỉ định và theo dõi chặt của bác sĩ.

Góc nhìn hôm nay: hai kim loại nhẹ và chiếc xe tương lai

Ngành ô tô muốn xe nhẹ hơn để tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài quãng đường xe điện. Magie là ứng viên cho khung, vỏ, còn liti là trái tim của pin. Cả hai đều có điểm cần giải: magie phải chống ăn mòn và giảm năng lượng sản xuất, liti phải khai thác ít tổn hại nước và được tái chế từ pin cũ. Với người học vật liệu, cặp magie – liti là ví dụ rõ nhất cho thấy "nhẹ" luôn đi kèm "hoạt động mạnh": càng dễ nhường electron, kim loại càng hữu ích cho pin và càng khó giữ cho bền.