Vì sao dầu và nước không thể hòa tan?

Nhỏ mấy giọt dầu vào nước trong, bạn sẽ thấy chúng lập tức loang ra thành một màng mỏng nổi trên mặt nước. Cho dù bạn có khuấy nước mạnh đến đâu, chúng cũng không thể hoà tan làm một. Vì sao vậy?

Chúng ta đã biết nước suối có thể nhô cao hơn miệng cốc mà không tràn ra ngoài là vì sức căng bề mặt kéo chặt các phần tử trên mặt chất lỏng lại.

Sức căng bề mặt của các loại chất lỏng không giống nhau: của dầu nhỏ hơn của nước. Khi dầu rơi vào mặt nước, nước co lại hết mức nên đã kéo dầu dãn ra thành một màng mỏng nổi bên trên. Hơn nữa, tỷ trọng dầu lại nhỏ hơn nước rất nhiều, nên dù có dùng sức khuấy thế nào, thì màng dầu vẫn nổi trên mặt nước và không hoà tan được.
Crôm - linh hồn của kim loại không rỉ

Công nghiệp không thể thiếu được gang - thép. Ngày nay, sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đồ sộ đang có một nhu cầu lớn các loại vật liệu lớn bằng thép - thép không rỉ, thép cấu kết, thép công cụ, thép vòng bi... Ðại bộ phận các loại thép này đều có Brôm trong thành phần hợp kim.

Việc phát hiện ra thép không rỉ hoàn toàn ngẫu nhiên. Năm 1913, Bôriô - một nhà khoa học người Anh trong khi nghiên cứu chế tạo hợp kim, ông đã chế tạo được sản phẩm hợp kim có chứa Crôm. Nhưng, do tính năng không phù hợp với tiêu chuẩn, ông bèn...quẳng nó vào đống sắt cũ. Sau một thời gian dài trong đống sản phẩm cũ có nhiều thứ đã bị han rỉ nhưng mảnh hợp kim Crôm vẫn không hề hấn gì. Bôriô rất đỗi kinh ngạc nên ông tiếp tục nghiên cứu về loại thép này. Cuối cùng ông đã thành người đầu tiên chế tạo thép hợp kim không rỉ. Tại sao thép không rỉ lại chịu đựng được sự ăn mòn? Nguyên do của điều này là vì Crôm rất bền vững trong môi trường ẩm ướt. Khi nó tiếp xúc với axit Nitơric (có tính ăn mòn mạnh) ngay trên bề mặt kim loại xuất hiện một lớp mỏng ôxit Crôm (Cr2O3) rất vững chắc bao phủ, chặn đứng hoàn toàn quá trình ăn mòn các lớp kim loại bên trong. Ngay trong hợp kim chứa Crôm cũng sẽ tạo thành lớp mỏng bao phủ ổn định, chống lại quá trình ăn mòn.

Trong thép không rỉ, hàm lượng Crôm thường trên 12% (Crôm 17 - 19%, Niken từ 8 - 13%). Hàm lượng cacbon trong loại thép này rất thấp, chỉ không đến 0, l%. Bởi vì cacbon sẽ tạo thành hiện tượng cacbon hoá và crôm nằm bên lề ranh giới các tinh thể thép sẽ bị tách ra, hàm lượng crôm bên trong tinh thể thép sẽ hạ thấp làm cho tác dụng chống oxy hoá và chống ăn mòn của thép giảm hẳn.

Thép không rỉ có độ bền và khả năng chống ăn mòn rất cao. Người ta đã làm thí nghiệm như sau: Bỏ 20 gam thép không rỉ và thép cacbon thông thường và axit Nitoeric loãng, đun sôi trong vòng 1 ngày rồi cân lại trọng lượng. Kết quả, thép cacbon thông thường còn lại 13,6 gam, thép không rỉ vẫn còn 19,8 gam. Khi tiếp xúc với không khí, hơi nước, nước biển, axit, kiềm... ở nhiệt độ thường, thép không rỉ chống ăn mòn rất tốt. Do vậy, công nghiệp chế tạo xe hơi thường dùng thép không rỉ để chế tạo chi tiết máy. Công nghiệp hoá học thường dùng thép không rỉ làm các thiết bị chống ăn mòn trong các tháp, các lò phản ứng. Công nghiệp đóng tàu dùng thép không rỉ để chế tạo vỏ tàu thuỷ, vỏ ca nô, vỏ tàu ngầm... Trong sinh hoạt hàng ngày, mọi người cũng đã quen với thép không rỉ. Ðồng hồ đeo tay có vỏ và nắp đậy phía sau bằng thép không rỉ. Ngoài ra còn các vật dụng như: ấm chén trà, nồi cơm nồi chưng cất... cũng thường được làm bằng thép không rỉ. Thép không rỉ cũng được sử dụng để chế tạo các y cụ: dao mổ, kéo, xi lanh...

Theo nguyên văn tiếng La tinh, crôm là chrômium. Trung Quốc đã nghiên cứu chế tạo được loại hợp kim crôm - nhôm có khả năng chống ăn mòn gấp đôi thép cacbon thường. Các nước khác cũng chế tạo loại thép hợp kim crôm silic, bề mặt kim loại hình thành lớp phủ mỏng muối sunphát có khả năng chống ăn mòn rất cao.

Trong vương quốc kim loại thì crôm thuộc loại "ngôi sao" trong việc chống ăn mòn trong không khí. Các nhà khoa học đã gặp phải khó khăn rất lớn khi thực hiện ý đồ phủ (mạ) crôm lên bề mặt các kim loại khác. Sau suốt 75 năm ròng rã nghiên cứu, thực nghiệm thì công nghệ mạ crôm mới thành công. Vào năm 1920, các nhà khoa học đã phát hiện chỉ có crômic (CrO3 - hoá trị 6) mới cho lớp mạ crôm đạt yêu cầu kỹ thuật và đã sử dụng nó làm dung dịch điện phân. Tuy nhiên loại crômic này rất độc, người ta phải dùng loại crômic hoá trị 3 - Cr2O3 để thay thế nó.

Ðộ dày của lớp mạ crôm khác nhau tuỳ thuộc vào những yêu cầu khác nhau khi chế tạo các vật dụng. Các phụ tùng ở bên ngoài xe đạp, ô tô và mô tô, độ dày của lớp mạ chỉ dưới 0,1ml. Thậm chí có những vật dụng mà mạ crôm chỉ mang tính chất trang trí cho đẹp như: gọng kính, mặt đồng hồ, dây đồng hồ, quả đấm cửa, pha đèn, giá máy ảnh... Ðộ dày lớp mạ crôm chỉ khoảng 0,0002 - 0,005mm (tức là 2 phần vạn đến 5 phần nghìn mm).

Ngay đến nòng pháo, nòng súng lớp mạ crôm bên trong dù rất mỏng nhưng sau khi bắn hàng triệu phát đạn, lớp mạ crôm vẫn "ngang nhiên" tồn tại.
Những chú chim thường xuyên phải nhào ngụp xuống nước để bắt cá cũng dựa vào đặc tính của dầu để bảo vệ mình. Bộ lông vũ trên cơ thể chúng thường xuyên được "tráng" một lớp dầu mỡ đặc biệt tiết ra từ các lỗ chân lông. Nếu không có lớp dầu đó bảo vệ, lông vũ sẽ bị ướt và khi đó chim sẽ chết chìm ngay. Có thể thấy vào lúc trời mưa, những con vịt hăng hái chạy đi chạy lại mà lông không hề bị ướt, còn các chú gà do trên lông không có lớp dầu che phủ, nên bị nước mưa thấm ướt và trở thành gà "rù".

Kim loại nào khó nóng chảy nhất?

Đó chính là Wolfram (W). Tên nguyên tố này theo tiến Thụy Điển có nghĩa là "nặng". Điều này không có thể lý giải được vì một mét khối Wolfram nặng 19,1 tấn, so với các kim loại khác không nặng hơn là mấy, chỉ gấp hai lần sắt. Theo tiến latinh Wolfram lại có nghĩa:"bộ mõm sói". Tại sao Wolfram lại có liên quan tới việc ăn của một loài động vậ?

Đã từ lâu, trong các mỏ quặng thiếc, người ta đã phát hiện có những cục đá "rất nặng", màu hạt dẻ hoặc vàng sẫm, chúng làm cho sản lượng thiếc sụt hẳn. Những người thợ luyện thiếc cảm thấy loại "đá" này "nuốt thiếc" như sói nuốt thịt dê nên họ gọi chúng là "bộ mõm sói". Có nước lại gọi Wolfram là "đá nặng".

Trong tự nhiên, trữ lượng Wolfram chiếm khoảng 1/100 nghìn trong vỏ trái đất. Nó xuất hiện trong thành phần quặng Wolframite (còn gọi là quặng Wolfram đen) hoặc Wolfram ore (còn gọi là quặng Wolfram trắng).

Ở Trung Quốc có tỉnh Nam Lĩnh là vành đai có mỏ quặng Wolfram trữ lượng vào loại lớn nhất trên thế giới. Đặc biệt là vùng phía Nam Giang Tây, được gọi là "quê hương của Wolfram". Nơi có mỏ Wolfram có trữ lượng lớn nhất trên thế giới là vùng Đại Dư - Giang Tây và Thị Trúc Viên - Hồ Nam. Trung Quốc cũng là nước có trữ lượng Wolfram lớn nhất thế giới.

Vào thời Chiến Quốc, nước Việt đã luyện ra những thanh bảo kiếm chém sắt như bùn. Trong đó có đôi kiếm âm - dương "Tê Lợi" do nữ phu nhân Mạc Gia luyện vẫn còn lưu lại tới bây giờ. Thời đó, người ta không thể hiểu được tại sao đôi kiếm ấy lại có khả năng kỳ diệu như vậy. Ngày nay, theo phân tích của các nhà luyện kim, với sự hỗ trợ của các thiết bị hiện đại cho biết: Trong thành phần kim loại luyện ra kiếm báu có một lượng nhỏ Wolfram.

Vào năm 1864, một người Manchettơ, lần đầu tiên luyện được thép hợp kim có độ cứng rất cao nhờ thêm 5% Wolfram vào thành phần thép. Ông dùng loại thép này chế tạo dụng cụ cắt gọt (lưỡi dao) và đưa tốc độ cắt gọt kim loại từ 5m/1 phút trước đây lên 7,5m/1 phút. Ông không ngừng nghiên cứu để nâng tốc độ cắt gọt bằng cách thay đổi hàm lượng Wolfram trong thép tạo ra thép có độ cứng cao. Qua hơn 40 năm, ông đã nâng được tốc độ cắt gọt kim loại lên 35 mét 1 phút so với trước đây tăng 6 lần.

Năm 1907 một loại thép mới mang tên "Steel" ra đời. Đây là một hợp kim cơ bản gồm Wolfram, Crôm, Côban. Nó có độ cứng rất cao khiến tốc độ cắt gọt kim loại tăng lên rất nhanh.

Hiện nay, kim loại siêu cứng là do Wolfram cacbon hóa (cácbonnizing Wolfram) cùng một số kim loại cácbon hóa khác, được chế tạo theo phương pháp nung kết. Chúng đều là dạng hạt cứng cácbon hóa kim loại khó nóng chảy như: Wolfram, Tantan, tinan, Môlipoten...hỗn hợp với một vài loại bột kim loại đen như: Bột sắt, Côban, Niken được ép định hình dưới áp lực cao. Sau đó, chúng được xử lý qua nhiệt như: tôi, ủ...

Loại thép dùng kim loại đã cácbon hóa này siêu cứng - độ cứng của nó ngang bằng với kim cương.

Ngay cả ở nhiệt độ 1000oc loại dao cắt gọt loại hợp kim này vẫn không hề suy giảm độ cứng. Bởi vậy, tốc độ cắt gọt hiện nay đã được nâng cao tới 2000m/1 phút gấp 100 lần so với tốc độ cắt bằng dao cắt gọt thép cacbon thường. Còn so với loại dao cắt gọt bằng thép hợp kim Wolfram (thép gió) cũng tăng 15 lần. Nếu ta dùng nó để chế tạo dao phay định hình hoặc cối đột dập có thể chịu áp lực để cắt đột hơn 3 triệu lần. So với những dụng cụ cắt đột hơn 3 triệu lần. So với những dụng cụ cắt đột bằng thép hợp kim thông thường độ bền tăng gấp 60 lần.

Những kim loại kỳ lạ

Trong thế giới, của mình, các kim loại thể hiện đặc tính rất khác nhau. Có kim loại nhẹ nổi bồng bềnh trên mặt nước. Có loại hợp kim tan trong nước, lại có loại hợp kim tan có mùi hay lên tiếng kêu hoặc "siêu dẻo". . .

Tại Sở nghiên cứu luyện kim Viện Baicơnua (Liên Xô trước đây), các nhà khoa học đã sáng chế ra loại hợp kim mangan, liti siêu nhẹ. Tỷ trọng hợp kim này chỉ bằng l/2 nhôm, so với gỗ còn nhẹ hơn và nổi được trên mặt nước. Người ta gọi chúng là hợp kim siêu nhẹ. Loại thép này có cường độ cơ tính rất lớn, độ dẻo cao, đặc biệt là không hề "sợ" nóng, lạnh hoặc các hạt siêu tốc bắn phá. Loại hợp kim này có phạm vi ứng dụng rất rộng. Bên cạnh những dụng cụ gia đình, máy móc nhẹ, người ta còn dùng nó trên các con tàu du hành vũ trụ để giảm trọng lượng và bớt tiêu hao năng lượng.

Một công ty của Mỹ, gần đây đã nghiên cứu tìm ra một loại hợp kim nhôm đặc biệt kỳ lạ nó có đầy đủ đặc tính của hợp kim nhôm nhưng đặc biệt hơn cả là có thể hòa tan trong nước. Nó sẽ tan thành bột màu đen và giải phóng khí hydro trong môi trường nước. Một tấm kim loại nhôm loại này dày 1,5 mm trong vòng 2 - 3 phút sẽ tan hết trong nước. Cứ mỗi gam kim loại hoà tan trong nước sẽ giải phóng 100 ml khí hydro, đồng thời giải phóng năng lượng bằng 200 calo.

Hợp kim đặc trưng này ra đời sử dụng rất rộng rãi. Ở những nơi cần khống chế mực nước, người ta lắp một linh kiện loại hợp kim tan này ở vị trí nước cần khống chế. Nếu nước bị dâng cao linh kiện bị ngập nước sẽ nhanh chóng hoà tan, phát ra những tín hiệu báo động. Hợp kim này còn được dùng chế tạo khuôn mẫu. Lúc đầu người ta làm mô hình bằng loại hợp kim tan, sau đó phun (phủ) các vật liệu tạo hình ra bên ngoài. Cuối cùng dùng nước hoà tan vật mẫu ta sẽ có khuôn đúc như ý muốn.

Hiện nay, người ta cũng đã sản xuất ra kim loại có mùi thơm bay xa. Nguyên liệu để chế tạo kim loại có mùi này là: Bột kim loại và hương liệu trộn thành hỗn hợp đem đi ép định hình trong buồng chân không. Kim loại có mùi thơm được ứng dụng làm: Ðĩa nhạc, giá sách, bút chì, cặp da, áo mưa, dây đeo đồng hồ, cúc áo vét... được mọi người ưa thích vì có hương thơm lâu dài. Thậm chí người ta còn dùng kim loại có mùi thơm chế tạo hoa giả, quạt điện. . . rất được ưa thích.

Sau nhiều năm cố gắng người ta đã nghiên cứu chế tạo thành công một loại kim loại có độ bền cao, lại giảm được tiếng ồn, kể cả hạ âm (âm thanh có tần số thấp). Ðộ bền của vật liệu này tương đương với độ bền của thép, truyền âm chỉ như gỗ và được gọi là hợp kim vô thanh (hay hợp kim câm). Các nhà khoa học bắt tay vào nghiên cứu, tìm tòi loại hợp kim này xuất phát từ thực tế, đại bộ phận các cấu kiện máy móc làm bằng kim loại, khi máy móc chuyểnđộng nhanh, các cấu kiện bằng kim loại bị chấn động tạo ra tiếng ồn. Tiếng ồn cũng là một dạng ô nhiễm môi trường. Nó tác động vào hệ thống thần kinh trung ương, hệ tuần hoàn của con người.

Khi bắt đầu nghĩ đến kim loại "câm", lúc đầu người ta tìm đến chì - nguyên tố được coi là "đứa con câm" của vương quốc kim loại. Họ kết hợp chì với sắt tạo ra một hợp kim cứng như thép lại câm bặt như chì. Tuy nhiên, sau này người ta lại phát hiện hợp kim mangan - đồng tốt hơn hẳn hợp kim chì - sắt. Nó có độ bền cao, tính giảm chấn lớn, lại rất thuận tiện trong việc gia công nóng nguội.Hơn nữa nguồn nguyên liệu mangan lại rất phong phú nên nó là mục tiêu trước mắt để nghiên cứu, chế tạo loại vật liệu chống ồn này. Hải quân Anh đã sáng chế được loại hợp kim "Cyanua Steel". Có cường độ cơ tính tương đương loại thép không rỉ nhưng khả năng chống ồn gấp đôi loại gang đúc than chì. Nó được dùng để chế tạo bộ phận dung động trong máy hút bụi, xe hơi, động cơ đốt trong, bánh răng hộp số trong máy, chân vịt tàu ngầm, ngư lôi.

Ngoài ra, thực tế cũng có những hợp kim vô thanh (câm) khác như: Magiê - sắt - crôm, côban - niken, đồng - kẽm - nhôm, đồng - nhôm - niken. . .

Hợp kim magiê - zicôni thường dùng bởi tỷ trọng nhẹ tính giảm chấn đặc biệt tốt. Loại hợp kim này chủ yếu được dùng trong các bộ phận cần giảm chấn trong tên lửa, đạn đạo, hoả tiễn, máy bay trực thăng . . . như vách ngăn bộ phận dẫn đường hoặc la bàn con quay. Các loại hợp kim sắt - crôm, côban - niken được dùng chế tạo cánh tuabin, đồ điện gia dụng, các linh kiện máy dùng trong thương mại và hệ thống điều khiển tự động.

Con của thần đất

Các nhà kiến trúc đã bắt đầu xây dựng các đài, bia tưởng niệm, bề mặt có trang trí bằng kim loại Titan từ những năm 60 của thế kỷ 20. Titan là kim loại có độ bền kim loại cao, khả năng chống ăn mòn rấl lớn, phủ ngoài mặt các bia, đài tưởng niệm là rất xứng đáng vì nó luôn hoàn toàn có khả năng trường tồn với thời gian.

Tại Kepleptơn vila ở Matscơva vào năm 1964, người ta đã dựng lên đài tưởng niệm tên lửa. Bề mặt của đài tưởng niệm này ốp toàn bằng những tấm Titan sáng loáng. Ðài này được xây dựng để ghi nhớ công ơn những người công tác trong ngành hàng không, vũ trụ có công chinh phục khoảng không ngoài trái đất.

Một thời gian sau UNESCO (tổ chức văn hoá - giáo dục - khoa học liên hợp quốc) cũng cho xây dựng đài tưởng niệm ở Giơnevơ (Thụy Sĩ) nhân kỷ niệm 100 ngày thành lập liên hiệp thông tin quốc tế. Ðài kỷ niệm này cao 10,5m, tạo bởi hai khối bê tông cốt thép, mặt ngoài ốp các tấm titan sáng loáng.

Caclôt - nhà khoa học và khoáng vật học người Anh, vào năm 1791 đã tìm thấy trong quặng titanite (CaTiSiO5) một nguyên tố mới và đặt lên là Valađi (chính là tên địa phương đã tìm ra nguyên tố). Graphônte - nhà hoá học người Ðức, vào năm 1795 cũng tìm thấy một nguyên tố mới tại Bôinic (Hunggary) và đặt cho nó một cái tên thật mỹ miều "Titanium" mà theo tiếng Hy Lạp là "thái tử con thần đất". Graphôn nói, nguyên tố Valađi mà Caclôt tìm thấy cũng chính là Titan.

Thực ra, cả hai thứ mà ông tìm thấy chỉ là một. Nó không phải là Valađi, cũng chẳng phải là Titan. Ðó chính là ôxit Titan (Titanium đi oxyde) - một loại bột kết tinh màu trắng. Về sau, rất nhiều nhà khoa học tìm cách tinh luyện Titan nguyên chất từ các hợp chất chứa Titan nhưng đều thất bại. Cho đến năm 1887, Nensân và Pitơsân (người Thụy Ðiển) đã dùng Natri hoàn nguyên Titan từ loại quặng Ôxyt titan 4 (Titanium tetraoxyt) và thu được Titan hàm lượng 95%, trong bình thép kín. Năm 1895, nhà khoa học người Pháp Morisơn đã tinh luyện được Titan hàm lượng 98%. Ðến cuối năm 1910, Hantơ - một nhà khoa học người Mỹ đã cải tiến phương pháp của Nensân, cuối cùng thu được Titan thuần khiết hàm lượng 99% trở lên. Tuy nhiên, thật đáng tiếc là tổng trọng lượng Titan thu được chỉ có một gam. Dẫu vậy tin này truyền đi đã làm chấn động địa cầu vì việc tinh luyện Titan là vô cùng khó. Như vậy, từ khi phát hiện đến khi chế tạo được Titan nguyên chất là cả một quá trình lê thê, suốt 120 năm.

Vì Titan tìm được vẫn chưa phải là nguyên chất hoàn toàn tinh khiết nên Titan giòn và yếu, không chịu nổi gia công cơ giới nên phạm vi sử dụng Titan còn hẹp.

Trái lại, các hợp chất của Titan như: Titanium di ôxide và Titanium tetaxi được ứng dụng nhiều. Titanium di ôxide là bột màu trắng là một thứ nguyên liệư quan trọng trong công nghiệp nhuộm. Titanium di ôxide không độc so với Sulfade zinc và tốt hơn ôxit thiếc rất nhiều. Ôxyt titan được dùng nhiều trong công nghiệp chế tạo sơn, giấy, chất dẻo, nhuộm các sản phẩm dệt, công nghiệp thuỷ tinh, gốm sứ...Titanium tetra ôxide (ôxit titan 4) có khả năng tạo ra khói mù trắng dầy đặc. Vào mùa sương giá nông dân thường dùng nó để chưng cất tạo ra mù dầy để chống sương giá bảo vệ màu màng. Người ta cũng dùng nó để chế tạo "hoả mù" dùng trong chiến tranh.

Vào năm 1925 hai nhà khoa học người Hà Lan tên là: Fanake và Ðơbôiê dùng dây Wolfram gia nhiệt để hoàn nguyên Titan từ Titanium tetra ôxyde và đã lấy được Titan thuần khiết. Do đó, cách suy nghĩ của Hantơ: Titan giòn không chịu nổi gia công cơ khí đã bị bác bỏ. Ngược lại Titan nguyên chất có tính dẻo cao, hoàn toàn có thể gia công như thép để chế tạo tấm thỏi kéo sợi, dát mỏng.

Titan nguyên chất có ánh kim trắng như bạc, tỷ trọng nhỏ, nhưng cường độ cơ tính cao, chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt. Cường độ tương đương với thép nhưng trọng lượng chỉ bằng một nửa. Trọng lượng của Titan tuy gấp 1,5 lần trọng lượng nhôm nhưng cường độ cơ tính lại cao gấp 5 lần nhôm. Chính vì vậy, trong một số lĩnh vực nhôm cũng phải nhường chỗ cho Titan.

Cho đến nay, Titan vẫn đang được coi là kim loại hiếm. Thực ra qua điều tra khảo sát, người ta đã thấy tnr lượng Titan thật dồi dào. Tổng trữ lượngTitan trong lớp vỏ trái đất, gấp mười mấy lần trữ lượng của các kim loại như: nhôm; sắt, canxi, natri, mangan, cùng các kim loại màu như: đồng, chì, thiếc, kẽm. . .

Trung Quốc là nước được thiên nhiên ban tặng nguồn khoáng vật Titan dồi dào. Vùng Phán Mỹ Hoa (thuộc Tứ Xuyên) đã tìm thấy quặng sắt - Titan Valađi cực lớn. Trữ lượng Titan ở khu mỏ này gần bằng trữ lượng đã được thăm dò trên toàn thế giới.

Năm 1947, Trung Quốc thực hiện công nghiệp hoá ngành sản xuất Titan, sản lượng Titan lúc đó chỉ có hai tấn. Ðến năm 1972 sản lượng Titan lên tới 200. 000 tấn.