Nhiệt độ nóng chảy là gì: vì sao mỗi chất tan ở một mốc riêng

Nhiệt độ nóng chảy là mốc nhiệt mà tại đó một chất rắn kết tinh chuyển sang thể lỏng, ở áp suất xác định (thường là áp suất khí quyển). Mỗi chất có một mốc riêng vì độ bền của liên kết giữ các hạt trong mạng tinh thể khác nhau: liên kết càng mạnh, càng cần nhiều nhiệt để phá trật tự đó. Với chất tinh khiết, nhiệt độ nóng chảy cũng chính là nhiệt độ đông đặc; khi có tạp chất, chất thường chảy sớm hơn và chảy kéo dài qua một khoảng.

Nóng chảy thực chất là chuyện gì xảy ra bên trong chất rắn?

Trong một chất rắn kết tinh như muối ăn, nhôm hay nước đá, các nguyên tử, ion hoặc phân tử xếp thành mạng lặp lại đều đặn, giống những viên gạch trong một bức tường xây thẳng hàng. Chúng không đứng yên mà luôn dao động quanh vị trí của mình. Đun nóng làm biên độ dao động lớn dần.

Đến một lúc, dao động đủ mạnh để các hạt bứt khỏi chỗ cố định, trượt qua nhau nhưng vẫn còn hút nhau. Trật tự xa (hàng lối kéo dài khắp tinh thể) mất đi, chỉ còn trật tự gần giữa những hạt kề nhau. Đó là thể lỏng. Một quy tắc kinh nghiệm cũ trong vật lý chất rắn, gọi là tiêu chuẩn Lindemann, cho rằng tinh thể bắt đầu chảy khi biên độ dao động của nguyên tử đạt cỡ một phần mười khoảng cách giữa chúng. Quy tắc này không chính xác cho mọi chất, nhưng giúp hình dung: nóng chảy là lúc mạng tinh thể "rung" quá mức chịu đựng.

Điểm quan trọng: trong lúc chảy, nhiệt cung cấp vào không làm nhiệt độ tăng thêm mà dùng để phá liên kết. Một cốc nước đá đang tan trong phòng vẫn ở khoảng 0 °C cho tới khi tan hết. Phần nhiệt "ẩn" này gọi là nhiệt nóng chảy, một đề tài đủ dài để tách thành bài riêng.

Vì sao mỗi chất lại tan ở một mốc khác nhau?

Câu trả lời nằm ở loại liên kết và cách các hạt xếp chặt đến đâu. Có thể chia thô thành bốn nhóm chất rắn:

• Chất rắn phân tử như nước đá, sáp nến, naphtalen (băng phiến). Các phân tử bên trong rất bền, nhưng lực hút giữa phân tử này với phân tử kia yếu. Chỉ cần phá lực hút yếu đó nên chúng chảy ở nhiệt độ thấp.
• Chất rắn ion như muối ăn (natri clorua). Ion dương và ion âm hút nhau bằng lực tĩnh điện mạnh theo mọi hướng, nên muối ăn chảy ở khoảng 801 °C.
• Chất rắn cộng hoá trị mạng như thạch anh, kim cương. Cả khối là một mạng liên kết cộng hoá trị nối liền, muốn chảy phải bẻ gãy hàng loạt liên kết rất mạnh. Thạch anh chảy khoảng 1.700 °C; than chì ở áp suất thường không chảy mà thăng hoa ở khoảng 3.600 °C trở lên.
• Kim loại. Các ion kim loại nằm trong "biển" electron tự do dùng chung. Độ bền liên kết kim loại trải rất rộng: thuỷ ngân lỏng ngay ở nhiệt độ phòng, còn vonfram phải tới khoảng 3.422 °C mới chảy.

Ngay trong cùng một nhóm, kích thước hạt, điện tích và kiểu xếp mạng cũng làm mốc chảy chênh nhau. Với kim loại, số electron tham gia liên kết đóng vai trò lớn: kim loại kiềm như natri, kali chỉ góp một electron mỗi nguyên tử nên mềm và chảy dưới 100 °C, còn các kim loại chuyển tiếp ở giữa bảng tuần hoàn góp nhiều electron hơn nên bền và khó chảy.

Bảng so sánh: loại liên kết quyết định mốc chảy ra sao?

Bảng cho thấy một điều thú vị: nhôm kim loại chảy ở 660 °C, nhưng nhôm ôxít, lớp vỏ mỏng phủ trên mọi đồ nhôm, phải tới khoảng 2.070 °C. Trong lò nấu nhôm, lớp ôxít đó không tan cùng mà nổi lên thành xỉ, và người thợ phải hớt đi.

Điểm nóng chảy và điểm đông đặc có phải là một?

Với chất kết tinh tinh khiết ở cùng áp suất, câu trả lời là có. Nước đá tan ở 0 °C và nước đông ở 0 °C; thiếc tinh khiết chảy ở khoảng 232 °C và đông lại cũng ở khoảng 232 °C. Đó là mốc cân bằng, nơi thể rắn và thể lỏng cùng tồn tại được.

Nhưng thực tế có một ngoại lệ dễ gây nhầm: hiện tượng chậm đông (quá lạnh). Chất lỏng rất sạch, đựng trong bình nhẵn, có thể bị làm lạnh xuống dưới điểm đông mà chưa kết tinh, vì tinh thể cần một "mầm" để bắt đầu mọc. Nước tinh khiết trong điều kiện phòng thí nghiệm có thể còn lỏng ở vài chục độ dưới 0 °C. Khi mầm xuất hiện, tinh thể lan rất nhanh và nhiệt độ bật ngược về đúng điểm đông. Ngược lại, chất rắn kết tinh gần như không thể bị nung "quá nóng" mà vẫn rắn, vì bề mặt tinh thể luôn sẵn chỗ để bắt đầu chảy.

Ngành đúc biết rõ chuyện này. Kim loại lỏng trong khuôn thường hơi chậm đông trước khi các hạt tinh thể đầu tiên mọc trên thành khuôn. Các xưởng có thể thêm chất tạo mầm để hạt tinh thể nhỏ và đều hơn, nhờ vậy vật đúc bền hơn.

Vì sao chất lẫn tạp lại chảy sớm và chảy kéo dài?

Một tinh thể tinh khiết giống đội hình xếp hàng hoàn hảo. Khi có nguyên tử lạ chen vào, trật tự bị xáo trộn, mạng yếu đi ở những chỗ đó, và chất bắt đầu chảy ở nhiệt độ thấp hơn. Hơn nữa, khi một phần đã chảy, tạp chất dồn vào phần lỏng, làm phần rắn còn lại có thành phần thay đổi dần. Kết quả là thay vì một mốc gọn, ta có một khoảng nóng chảy: bắt đầu mềm ở mốc này, lỏng hoàn toàn ở mốc khác.

Đây là lý do:

• Thép không có "một" nhiệt độ nóng chảy mà có khoảng, thường nằm quanh 1.400–1.500 °C tuỳ thành phần; gang nhiều cacbon hơn nên chảy thấp hơn hẳn, khoảng 1.150–1.300 °C.
• Các phòng thí nghiệm hoá học dùng điểm chảy để kiểm độ tinh khiết: chất sạch chảy gọn trong khoảng một, hai độ; chất bẩn chảy sớm hơn và rải rác hơn.
• Một số hỗn hợp đặc biệt, gọi là hợp kim cùng tinh, lại chảy gọn ở một mốc thấp hơn cả các thành phần riêng lẻ. Thiếc – chì tỷ lệ 63/37 chảy ở khoảng 183 °C, thấp hơn thiếc (232 °C) và chì (327 °C).

Quy luật "lẫn tạp thì chảy thấp hơn" cũng giải thích vì sao người ta rắc muối lên mặt đường đóng băng ở xứ lạnh, hay vì sao nước biển khó đông hơn nước ngọt.

Có chất nào không có nhiệt độ nóng chảy không?

Có, và ít nhất là ba trường hợp:

1. Chất thăng hoa ở áp suất thường. Đá khô (cacbon đioxit rắn) chuyển thẳng thành khí ở khoảng −78,5 °C; i-ốt rắn đun nhẹ bốc hơi tím. Muốn thấy chúng ở thể lỏng phải tăng áp suất.
2. Chất bị phân huỷ trước khi chảy. Gỗ, giấy, nhiều loại nhựa nhiệt rắn (nhựa bakelit của ổ cắm điện cũ) không chảy mà cháy sém, vì liên kết hoá học trong phân tử gãy trước khi các phân tử kịp trượt qua nhau. Đường kính khi đun cũng vừa chảy vừa bắt đầu phân huỷ thành caramen, nên các nguồn ghi mốc chảy của đường không thống nhất.
3. Chất vô định hình. Thuỷ tinh, nhựa đường, nhiều loại nhựa không có mạng tinh thể nên không có điểm chảy gọn; chúng mềm dần qua một khoảng nhiệt.

Lại có một chất "cứng đầu" theo chiều ngược lại: heli. Ở áp suất khí quyển, heli vẫn lỏng ngay cả gần độ không tuyệt đối; phải nén lên khoảng 25 lần áp suất khí quyển nó mới chịu đông thành rắn.

Áp suất và kích thước hạt có làm mốc chảy thay đổi không?

Có, nên mọi bảng số đều ghi "ở áp suất thường". Với phần lớn chất, nén mạnh làm khó chảy hơn vì thể rắn đặc hơn thể lỏng. Nước là ngoại lệ nổi tiếng: nước đá nhẹ hơn nước lỏng nên nén lại làm nó chảy ở nhiệt độ thấp hơn một chút. Tuy vậy ở áp suất đời thường, sự thay đổi rất nhỏ, chỉ đáng kể ở độ sâu trong lòng hành tinh.

Kích thước cũng có ảnh hưởng ở cỡ cực nhỏ. Hạt nano vàng đường kính vài nanomet chảy ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với vàng khối 1.064 °C, vì tỷ lệ nguyên tử nằm trên bề mặt (liên kết kém hơn) rất lớn. Ngành vi điện tử khai thác điều này để làm mực in mạch dẫn điện thiêu kết ở nhiệt độ thấp.

Biết nhiệt độ nóng chảy để làm gì trong đời sống?

Con số này ở khắp nơi, chỉ là ít khi được gọi tên:

• Chọn vật liệu. Nồi nấu kim loại trong xưởng phải làm từ thứ chảy cao hơn nhiều so với kim loại bên trong, thường là gốm chịu lửa hoặc than chì. Dây tóc bóng đèn sợi đốt xưa làm bằng vonfram vì chỉ kim loại khó chảy nhất mới chịu được nhiệt độ phát sáng trắng.
• Thiết kế an toàn. Cầu chì nhiệt và chốt đầu phun chữa cháy dùng hợp kim chảy ở mốc định trước, tan đúng lúc để ngắt điện hoặc mở nước.
• Kiểm chất lượng. Điểm chảy của một mẫu thuốc, một mẻ hoá chất cho biết nhanh nó có sạch không.
• Hiểu tai nạn. Một vật kim loại vừa đông vẫn có thể nóng hàng trăm độ dù không còn đỏ. Đồ nhôm đông ở 660 °C, nghĩa là ngay khi trông "đã rắn", nó vẫn đủ gây bỏng sâu.

Cách tìm hiểu tiếp hợp lý nhất là quay về sách giáo khoa Vật lý lớp 10 (phần chất rắn, sự chuyển thể) và Hoá học (liên kết hoá học), rồi đối chiếu với các bảng số trong sổ tay hoá lý chuẩn như CRC Handbook of Chemistry and Physics. Nếu có dịp tham quan phòng thí nghiệm của các trường đại học kỹ thuật, hãy hỏi xem máy đo điểm chảy: một dụng cụ nhỏ nhưng là cửa ngõ để hiểu mọi chuyện trong bài này.