Cấu tạo nguyên tử & liên kết hóa học

Mọi thứ bạn biết về kim loại — độ bền, độ dẫn, khả năng biến dạng — đều bắt nguồn từ cấu tạo nguyên tử của chúng. Vì vậy, khoa học vật liệu bắt đầu ở một tầng sâu hơn bạn tưởng.

Một nguyên tử gồm hạt nhân (proton + neutron) và lớp vỏ electron. Các electron nằm trên các lớp, và lớp ngoài cùng — electron hóa trị — quyết định tính chất hóa học. Kim loại có ít electron hóa trị, liên kết lỏng lẻo. Đó chính là bí mật của chúng.

Trong kim loại, các nguyên tử nhường electron hóa trị vào một "bể" chung: một "khí electron" di chuyển tự do qua mạng tinh thể. Các ion dương của nguyên tử bơi trong biển electron âm này. Đó là liên kết kim loại. Nó giải thích gần như mọi thứ:

• Độ dẫn điện: Electron tự do dẫn điện và nhiệt. Vì vậy đồng dẫn tốt hơn thép, và thép dẫn tốt hơn gốm.

• Khả năng biến dạng: Khi kim loại bị uốn, các ion nguyên tử trượt qua nhau — đám mây electron vẫn giữ chúng lại. Vì vậy kim loại có thể rèn, cán và uốn mà không bị gãy.

• Ánh kim: Electron tự do phản xạ ánh sáng.

Ngoài liên kết kim loại còn có liên kết ion (electron được chuyển hoàn toàn, ví dụ muối ăn) và liên kết cộng hóa trị (electron được chia sẻ, ví dụ trong kim cương). Cả hai đều quan trọng với gốm và nhựa — và giải thích tại sao chúng giòn: chúng không thể biến dạng như kim loại mà không bị gãy.

Đối với , điều thứ ba quyết định: . Khi bạn đưa nguyên tử lạ vào mạng kim loại, có hai khả năng. Hoặc nguyên tử lạ có kích thước tương tự và thay thế nguyên tử gốc — (ví dụ trong sắt). Hoặc nó đủ nhỏ để chui vào lỗ hổng — (ví dụ trong sắt).

Chính những nguyên tử cacbon xen kẽ này là lý do tại sao thép có thể tôi cứng: chúng làm biến dạng mạng tinh thể. Xem thêm trong bài về và sự hình thành .