Khánh Phạm
Moderator
“Kim loại nặng” thường được nhắc đến khi nói về khai thác mỏ, một số ngành công nghiệp và thành phần của một số tiểu hành tinh. Nhưng kim loại nặng nhất là gì và kỷ lục đó có thể bị phá vỡ trong tương lai không?
Tuy nhiên, điều này gần như chắc chắn không phải là điều mà hầu hết mọi người muốn nói. Điều làm cho một nguyên tố nặng trong cuộc thảo luận chung là trọng lượng nguyên tử của nó – số lượng nucleon (proton và neutron) cần thiết để tạo ra nó – hoặc mật độ của nó. Cả hai có liên quan và có xu hướng cùng nhau phát triển, nhưng chúng không tương quan hoàn hảo. Một số nguyên tố có ít nucleon hơn có lớp vỏ electron cho phép chúng xếp chặt hơn, do đó có mật độ lớn hơn các nguyên tố giàu nucleon hơn.
Chúng ta sẽ xem xét cả hai dưới đây.
Đối với các nhà thiên văn học, tất cả các nguyên tố trừ hydro và heli đều là kim loại. Khi 98% khối lượng của hầu hết các ngôi sao chỉ được tạo thành từ hai nguyên tố này, mọi người có thể tha thứ cho việc gộp tất cả những nguyên tố khác lại với nhau.
Các nhà vật lý quan tâm nhiều hơn đến Trái đất có định nghĩa hạn chế hơn. Ngài Nevill Mott, nhà vật lý người Anh (1905-1996) từng đoạt giải Nobel, định nghĩa kim loại là bất kỳ chất nào dẫn điện ở nhiệt độ không tuyệt đối (−273,15°C). Ông đã đoạt giải Nobel về nghiên cứu kim loại, cho nên chúng ta sẽ không có gì để tranh cãi về điều này, đặc biệt vì nhiều nhà vật lý khác đã áp dụng định nghĩa của ông.
Tuy nhiên, một số nguyên tố thường được coi là phi kim loại có khả năng dẫn điện dưới áp suất cao, thậm chí ở nhiệt độ cao hơn độ không tuyệt đối. Ví dụ, các đặc tính của Sao Mộc được giải thích rõ ràng nhất là một biển dẫn hydro xung quanh lõi của nó.
Các nhà hóa học vẽ ra thứ trông giống như một dãy cầu thang xuyên qua bảng tuần hoàn, với kim loại ở bên trái và phi kim loại ở bên phải. Một số trường hợp mơ hồ đã được thừa nhận - asen và Tellurium, trong số những trường hợp khác, là những "kim loại" - một lần nữa chứng minh rằng thiên nhiên hiếm khi có hệ nhị phân như chúng ta vẫn tưởng.
Bảng tuần hoàn hiển thị kim loại màu xanh lá cây.
Vì theo các nhà thiên văn học, cả hai đều chứa rất nhiều kim loại nên oganesson có thể thắng, nhưng bạn có thể gọi đó là hòa nếu muốn.
Tuy nhiên, đối với một nhà hóa học, tennessine là kim loại trong khi ogannesson có lẽ không phải vậy. Chúng ta thực sự không biết, bởi vì cả hai đều có chu kỳ bán rã một phần giây, vì vậy chúng ta không thể đo được tính chất của chúng, nhưng bằng phép ngoại suy, ranh giới giữa kim loại và phi kim loại thường chia đôi chúng, tạo ra Tennessine kim loại nặng nhất. Xét cho cùng, ogannesson là một phần của cột khí hiếm trên bàn, các thành viên của chúng có những đặc tính rất phi kim loại.
Theo định nghĩa của các nhà vật lý, câu hỏi thậm chí còn phức tạp hơn. Không có nguyên tố hạt nhân lớn nhất nào tồn tại đủ lâu để kiểm tra độ dẫn điện của chúng ở nhiệt độ phòng, chứ đừng nói đến gần độ không tuyệt đối, vậy ai thực sự biết được?
Vấn đề ở đây là, đối với nhiều nguyên tố, chúng ta không biết mật độ của chúng bởi vì, một lần nữa, chúng ta chỉ tạo ra một lượng rất nhỏ chúng và chúng không tồn tại lâu.
Sự giống nhau rõ ràng giữa cấu trúc tinh thể của một số nguyên tố tổng hợp và cấu trúc tinh thể của các nguyên tố phía trên chúng trong bảng tuần hoàn đã dẫn đến những ước tính về mật độ của chúng .
Dựa trên điều này, Hassi và meitnerium đều có mật độ 27-29 gram trên mỗi cm khối (nặng gấp 27-29 lần so với cùng một thể tích nước). Các nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn đều được cho là sẽ có mật độ thấp hơn, trong một số trường hợp là như vậy. Một lần nữa, cả hai nguyên tố này đều được các nhà khoa học đồng ý là kim loại, vì vậy câu trả lời thuộc về một trong số chúng.
Trong số các yếu tố chúng ta đã thực sự đo được, có nhiều nguồn khác nhau. Iridium và osmium (không phải ngẫu nhiên mà nằm ngay trên Hassi và meitnerium trong bảng tuần hoàn) rõ ràng là hai vị trí đứng đầu, cả hai đều có khối lượng khoảng 22,6 g/cm3 ở nhiệt độ phòng, nhưng các phép đo đủ khác nhau ở chữ số thập phân thứ hai có mật độ cao hơn. trở nên bất ổn. Tuy nhiên, rõ ràng là theo thước đo này, đây là hai chất đứng đầu và cả hai đều chắc chắn là kim loại.
Có bằng chứng về một “hòn đảo ổn định” nơi các nguyên tố nặng hơn nhiều sẽ có thể tồn tại với chu kỳ bán rã dài hơn. Tất cả những nguyên tố như vậy sẽ là kim loại đối với các nhà thiên văn học, và gần như chắc chắn cũng sẽ đáp ứng được thử thách đối với các nhà hóa học và vật lý học.
Cái gì nặng?
Bạn có thể không nghĩ rằng có nhiều sự mơ hồ trong một câu hỏi gồm năm từ như “Kim loại nặng nhất là gì?” nhưng bạn đã sai. Có một điều, bất kỳ kim loại nào cũng có thể nặng nhất nếu bạn có đủ nó. Nếu bằng cách nào đó bạn tạo ra những ngọn núi riêng biệt từ mọi kim loại trên Trái đất, thì ngọn núi sắt sẽ dễ dàng nặng nhất, đơn giản vì chúng ta có quá nhiều nó - xét cho cùng thì nó chiếm phần lớn lõi Trái đất.
Chúng ta sẽ xem xét cả hai dưới đây.
Kim loại là gì?
Một câu hỏi phức tạp hơn là “Kim loại là gì?” vì câu trả lời phụ thuộc rất nhiều vào lĩnh vực khoa học mà bạn muốn đề cập đến.Đối với các nhà thiên văn học, tất cả các nguyên tố trừ hydro và heli đều là kim loại. Khi 98% khối lượng của hầu hết các ngôi sao chỉ được tạo thành từ hai nguyên tố này, mọi người có thể tha thứ cho việc gộp tất cả những nguyên tố khác lại với nhau.
Các nhà vật lý quan tâm nhiều hơn đến Trái đất có định nghĩa hạn chế hơn. Ngài Nevill Mott, nhà vật lý người Anh (1905-1996) từng đoạt giải Nobel, định nghĩa kim loại là bất kỳ chất nào dẫn điện ở nhiệt độ không tuyệt đối (−273,15°C). Ông đã đoạt giải Nobel về nghiên cứu kim loại, cho nên chúng ta sẽ không có gì để tranh cãi về điều này, đặc biệt vì nhiều nhà vật lý khác đã áp dụng định nghĩa của ông.
Tuy nhiên, một số nguyên tố thường được coi là phi kim loại có khả năng dẫn điện dưới áp suất cao, thậm chí ở nhiệt độ cao hơn độ không tuyệt đối. Ví dụ, các đặc tính của Sao Mộc được giải thích rõ ràng nhất là một biển dẫn hydro xung quanh lõi của nó.
Các nhà hóa học vẽ ra thứ trông giống như một dãy cầu thang xuyên qua bảng tuần hoàn, với kim loại ở bên trái và phi kim loại ở bên phải. Một số trường hợp mơ hồ đã được thừa nhận - asen và Tellurium, trong số những trường hợp khác, là những "kim loại" - một lần nữa chứng minh rằng thiên nhiên hiếm khi có hệ nhị phân như chúng ta vẫn tưởng.
Bảng tuần hoàn hiển thị kim loại màu xanh lá cây.
Hạt nhân nặng nhất
Nguyên tố có hạt nhân nặng nhất mà chúng ta biết gần như là một nguyên tố có giá trị hòa. Oganesson có 118 proton và 294 nucleon trong đồng vị duy nhất mà chúng ta đã tạo ra. Trong khi đó, tennessine tồn tại ở hai đồng vị, một đồng vị cũng có 294 nucleon, nhưng đồng vị kia có 293. Vì vậy, nếu bạn có mẫu trộn tất cả các đồng vị, thì ogannesson sẽ là kim loại nặng nhất vì đồng vị nhẹ hơn sẽ kéo giá trị trung bình của tennessine xuống.Vì theo các nhà thiên văn học, cả hai đều chứa rất nhiều kim loại nên oganesson có thể thắng, nhưng bạn có thể gọi đó là hòa nếu muốn.
Tuy nhiên, đối với một nhà hóa học, tennessine là kim loại trong khi ogannesson có lẽ không phải vậy. Chúng ta thực sự không biết, bởi vì cả hai đều có chu kỳ bán rã một phần giây, vì vậy chúng ta không thể đo được tính chất của chúng, nhưng bằng phép ngoại suy, ranh giới giữa kim loại và phi kim loại thường chia đôi chúng, tạo ra Tennessine kim loại nặng nhất. Xét cho cùng, ogannesson là một phần của cột khí hiếm trên bàn, các thành viên của chúng có những đặc tính rất phi kim loại.
Theo định nghĩa của các nhà vật lý, câu hỏi thậm chí còn phức tạp hơn. Không có nguyên tố hạt nhân lớn nhất nào tồn tại đủ lâu để kiểm tra độ dẫn điện của chúng ở nhiệt độ phòng, chứ đừng nói đến gần độ không tuyệt đối, vậy ai thực sự biết được?
Kim loại dày đặc nhất là gì?
Như đã thảo luận ở trên, một số nguyên tố thu hút các electron của chúng chặt xung quanh chúng, vì vậy bạn có thể gói các nguyên tử của chúng chặt chẽ đến mức một mẫu trong số chúng có thể nặng hơn một mẫu có cùng kích thước của một nguyên tố nằm dọc theo bàn.Vấn đề ở đây là, đối với nhiều nguyên tố, chúng ta không biết mật độ của chúng bởi vì, một lần nữa, chúng ta chỉ tạo ra một lượng rất nhỏ chúng và chúng không tồn tại lâu.
Sự giống nhau rõ ràng giữa cấu trúc tinh thể của một số nguyên tố tổng hợp và cấu trúc tinh thể của các nguyên tố phía trên chúng trong bảng tuần hoàn đã dẫn đến những ước tính về mật độ của chúng .
Dựa trên điều này, Hassi và meitnerium đều có mật độ 27-29 gram trên mỗi cm khối (nặng gấp 27-29 lần so với cùng một thể tích nước). Các nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn đều được cho là sẽ có mật độ thấp hơn, trong một số trường hợp là như vậy. Một lần nữa, cả hai nguyên tố này đều được các nhà khoa học đồng ý là kim loại, vì vậy câu trả lời thuộc về một trong số chúng.
Trong số các yếu tố chúng ta đã thực sự đo được, có nhiều nguồn khác nhau. Iridium và osmium (không phải ngẫu nhiên mà nằm ngay trên Hassi và meitnerium trong bảng tuần hoàn) rõ ràng là hai vị trí đứng đầu, cả hai đều có khối lượng khoảng 22,6 g/cm3 ở nhiệt độ phòng, nhưng các phép đo đủ khác nhau ở chữ số thập phân thứ hai có mật độ cao hơn. trở nên bất ổn. Tuy nhiên, rõ ràng là theo thước đo này, đây là hai chất đứng đầu và cả hai đều chắc chắn là kim loại.
Sẽ còn nhiều nữa
Tất cả điều này đều dựa trên những yếu tố chúng ta biết. Tuy nhiên, bảng tuần hoàn đã được mở rộng kể từ khi nó được tạo ra lần đầu tiên. Chúng ta đã tổng hợp hơn 20 nguyên tố không có trong tự nhiên kể từ những năm 1940 và không có lý do gì để nghĩ rằng bảng tuần hoàn đã hoàn thành.Có bằng chứng về một “hòn đảo ổn định” nơi các nguyên tố nặng hơn nhiều sẽ có thể tồn tại với chu kỳ bán rã dài hơn. Tất cả những nguyên tố như vậy sẽ là kim loại đối với các nhà thiên văn học, và gần như chắc chắn cũng sẽ đáp ứng được thử thách đối với các nhà hóa học và vật lý học.
