Bài 18. Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại

a) Số nguyên tử trong ô mạng FCC:

Cấu trúc FCC:

• 8 đỉnh: 8 × 1/8 = 1 nguyên tử
• 6 mặt: 6 × 1/2 = 3 nguyên tử
• Tổng: 1 + 3 = 4 nguyên tử

b) Tính khối lượng riêng:

Thể tích ô mạng:

V = a³ = (3.61 × 10⁻⁸)³ = 4.7 × 10⁻²³ cm³

Khối lượng 4 nguyên tử Cu:

m = (4 × 64) / (6.02 × 10²³) = 4.25 × 10⁻²² g

Khối lượng riêng:

ρ = m / V = (4.25 × 10⁻²²) / (4.7 × 10⁻²³) = 9.04 g/cm³

Đáp án: a) 4 nguyên tử; b) 9.04 g/cm³

a) Kim loại dẫn điện tốt:

Nguyên nhân:

• Có electron tự do trong mạng tinh thể
• Khi có điện trường, electron di chuyển có hướng
• Tạo dòng điện

b) Nhiệt độ tăng, dẫn điện giảm:

Nguyên nhân:

• Nhiệt độ tăng → Ion dao động mạnh hơn
• Cản trở chuyển động của electron
• Dẫn điện giảm

c) So sánh tính dẫn điện:

Thứ tự: Ag > Cu > Al

Giải thích:

• Ag: Electron tự do nhiều nhất, di chuyển dễ nhất
• Cu: Electron tự do nhiều, dẫn điện tốt
• Al: Electron tự do ít hơn, dẫn điện kém hơn

Ứng dụng:

• Ag: Thiết bị điện tử cao cấp
• Cu: Dây điện phổ biến (rẻ hơn Ag)
• Al: Dây điện cao thế (nhẹ)

Đáp án: Đã giải thích chi tiết

a) So sánh siêu dẫn vs Cu thường:

b) Tính tiết kiệm điện năng:

Dây Cu thường:

Công suất tổn hao: P = I²R = 100² × 0.1 = 1000W = 1 kW

Điện năng tổn hao/năm: E = 1 × 24 × 365 = 8760 kWh

Chi phí (2000đ/kWh): 8760 × 2000 = 17,520,000 đ/năm

Dây siêu dẫn:

Công suất tổn hao: P = 0W (R = 0)

Tiết kiệm: 17,520,000 đ/năm

Nhưng:

• Chi phí làm lạnh: ~5,000,000 đ/năm
• Tiết kiệm thực: 12,520,000 đ/năm

c) Đánh giá triển vọng:

1. Ưu điểm:

• ✓ Không tổn hao điện năng
• ✓ Dòng điện lớn (gấp 100 lần Cu)
• ✓ Từ trường mạnh (nam châm siêu dẫn)
• ✓ Tiết kiệm năng lượng

2. Nhược điểm:

• ⚠️ Cần làm lạnh sâu (-180°C)
• ⚠️ Chi phí cao
• ⚠️ Công nghệ phức tạp
• ⚠️ Vật liệu giòn, khó gia công

3. Ứng dụng hiện tại:

• MRI (chụp cộng hưởng từ): Nam châm siêu dẫn
• Tàu đệm từ (Maglev): Tốc độ 600 km/h
• Máy gia tốc hạt (LHC): Từ trường 8 Tesla
• Lưu trữ năng lượng: Pin siêu dẫn

4. Nghiên cứu phát triển:

a) Siêu dẫn nhiệt độ cao:

• Mục tiêu: Hoạt động ở nhiệt độ phòng
• Hiện tại: -70°C (HgBa₂Ca₂Cu₃O₈)
• Đột phá 2020: -23°C (LaH₁₀ ở áp suất cao)
• Dự kiến 2030: 0°C

b) Giảm chi phí:

• Vật liệu rẻ hơn (thay Y, Ba bằng Fe, S)
• Làm lạnh bằng N₂ lỏng (-196°C, rẻ)
• Sản xuất quy mô lớn

5. Triển vọng ứng dụng:

a) Truyền tải điện (2030):

• Cáp siêu dẫn thay Cu
• Tiết kiệm 30% điện năng
• Giảm 50% kích thước cáp
• Chi phí: Giảm 50% so với hiện tại

b) Giao thông (2035):

• Tàu Maglev phổ biến (1000 km/h)
• Máy bay điện (động cơ siêu dẫn)
• Ô tô điện (động cơ nhỏ, mạnh)

c) Y tế (2025):

• MRI rẻ hơn 70%
• Thiết bị y tế di động
• Chẩn đoán chính xác hơn

d) Năng lượng (2040):

• Pin siêu dẫn (lưu trữ vô hạn)
• Lưới điện thông minh
• Nhà máy điện hạt nhân nhỏ gọn

6. Tác động kinh tế - xã hội:

• Tiết kiệm 1000 tỷ USD/năm (toàn cầu)
• Giảm 20% phát thải CO₂ (điện)
• Tạo 10 triệu việc làm mới
• Cách mạng công nghệ lần 4

Kết luận:

Vật liệu siêu dẫn có tiềm năng cách mạng hóa truyền tải điện, giao thông, y tế. Với nghiên cứu siêu dẫn nhiệt độ cao, chi phí sẽ giảm và ứng dụng rộng rãi vào 2030-2040. Đây là công nghệ then chốt cho tương lai bền vững.

Đáp án: a) Đã so sánh; b) Tiết kiệm 12.5 triệu đồng/năm; c) Triển vọng rất lớn