13/10/2026
Trong thiên văn học, "kim loại" là mọi nguyên tố không phải hydrogen và helium.
KIM LOẠI HAY PHI KIM?
Nếu tôi nói carbon hay oxygen là kim loại, nhiều người sẽ cho rằng đó là một nhầm lẫn. Điều đó không đúng với cả kiến thức về hóa học lẫn trực giác thường ngày của chúng ta. Nhưng trong thiên văn học, cách gọi ấy lại hoàn toàn đúng. Sự khác biệt có vẻ quái gở này bắt đầu từ việc hai lĩnh vực sử dụng cùng một từ cho hai cách phân loại khác nhau. (*)
Cách hiểu quen thuộc của chúng ta gần với cách phân chia của hóa học hơn. Trực giác thường khiến chúng ta nhận diện kim loại qua ánh kim, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tính dẻo,... Những đặc điểm này khá phù hợp với sắt, đồng, nhôm, vàng và nhiều vật liệu thông dụng. Tuy nhiên, chúng là các đặc trưng điển hình, không phải những điều kiện mà mọi kim loại đều phải đáp ứng. Trong hóa học, việc phân loại còn dựa vào cấu trúc electron, kiểu liên kết và hành vi của nguyên tố trong các hợp chất. Kim loại thường có xu hướng nhường electron, tạo ion dương. Đơn chất của chúng thường có liên kết kim loại, trong đó một phần electron không bị giới hạn quanh từng nguyên tử riêng lẻ mà tham gia vào cấu trúc chung. Khả năng chuyển động của những electron này giải thích nhiều tính chất quen thuộc, đặc biệt là sự dẫn điện. Phi kim thường tạo liên kết cộng hóa trị hoặc nhận electron khi kết hợp với kim loại. Điều này khá dễ hiểu và vẫn khá gần với trực giác (ít ra là đối với những người có am hiểu sơ bộ về hóa học), nhưng ngay cả cái này cũng không phải là tính chất bắt buộc và vẫn có ngoại lệ.
Điều cần làm rõ là hóa học không có một phép thử duy nhất để phân chia tất cả nguyên tố thành kim loại và phi kim. Không thể chỉ đo độ dẫn điện, độ âm điện hay tính dẻo rồi áp dụng một ngưỡng chung. Các tính chất cần được xem xét cùng nhau. Với những nguyên tố điển hình, nhiều tiêu chí cùng dẫn đến một kết luận, nhưng một số khác thì đôi khi lại nằm ở ranh giới không rõ ràng giữa kim loại và phi kim. Ví dụ điển hình và quen thuộc là carbon (C). Kim cương và graphite đều là các dạng thù hình của carbon, nhưng kim cương cách điện còn graphite dẫn điện. Trong graphite, một phần electron có thể chuyển động dọc theo các lớp nguyên tử, khiến nó có đặc điểm gợi liên tưởng đến kim loại. Tuy vậy, cấu trúc mạng cộng hóa trị và hành vi hóa học tổng quát khiến carbon được xếp là phi kim. Vì vậy, “dẫn điện thì là kim loại” không phải một định nghĩa đủ chính xác.
Một ví dụ khác là silicon (Si / tiếng Việt thường gọi tắt là silic, không nên nhầm với "silicone" (có chữ "e" ở cuối) là tên một hợp chất polyme). Nó có bề mặt ánh kim, nhưng giòn và là chất bán dẫn. Các nguyên tử của nó tạo thành mạng liên kết cộng hóa trị, còn tính chất hóa học nhìn chung gần với phi kim hơn những kim loại điển hình. Nó thường được xếp vào một nhóm gọi là á kim (metalloid). Nhóm này hữu ích cho việc mô tả, nhưng danh sách thành viên không hoàn toàn thống nhất giữa các tài liệu.
Tất nhiên, cũng phải nói rõ rằng những trường hợp kiểu này không có nghĩa các nhà hóa học phân loại theo cảm tính. Các tính chất của mọi nguyên tố đã biết đều có thể được đo lường cẩn thận. Vấn đề nằm ở chỗ cuối cùng thì khi mà ranh giới không hoàn toàn rõ ràng, người ta phải chọn ra qui ước cho phù hợp với việc phân loại và mô tả, và qui ước được sử dụng ngày nay được quyết định ở việc chọn tiêu chí nào làm trọng tâm khi chúng không cùng chỉ về một phía. Việc nguyên tố nào dó là “kim loại” hay “phi kim” trên bảng tuần hoàn, ở góc độ nào đó, có thể coi là sự khái quát hóa, không nói lên rằng kim loại hay phi kim thì bắt buộc phải có một tính chất nào đó. (Tất nhiên, với những nguyên tố hoàn toàn đặc trưng theo một trong hai hướng thì không có gì nhiều để bàn cả)
Trong thiên văn học thì lại khác, ranh giới đơn giản hơn nhiều: mọi nguyên tố ngoài hydrogen (H) và helium (He) đều được gọi là kim loại. Hay nói cách khác, mọi nguyên tố mà hạt nhân có chứa nhiều hơn 2 proton (bắt đầu từ lithium/Li) thì đều được tính là kim loại (metal). Nói chung, dù đơn giản thì quy ước này khá hữu ích trong nghiên cứu quá trình tiến hóa của các sao và thiên hà. Cách chia ấy có cơ sở từ thành phần và lịch sử của vũ trụ. Hydrogen và helium chiếm phần áp đảo trong toàn bộ vật chất thông thường (còn gọi là vật chất baryon, tức là không tính tới vật chất tối). Hầu hết chúng có nguồn gốc từ thời kỳ tổng hợp hạt nhân sau Big Bang. Các nguyên tố khác được bổ sung phần lớn nhờ nhiệt hạch ở lõi của các ngôi sao và các quá trình dữ dội khác trong vũ trụ sau này. Tuy nhiên, Big Bang cũng tạo ra một lượng rất nhỏ lithium, nên không thể định nghĩa một cách triệt để rằng kim loại thiên văn đơn thuần là “những nguyên tố được tạo ra sau Big Bang”. Vấn đề là, ở các ngôi sao và những sự kiện năng lượng cao khác, hầu hết các nguyên tố nặng hơn được tạo ra từ sự tổng hợp của hydrogen và helium, và dù lithium hiển nhiên cũng có khả năng tham gia phản ứng nhiệt hạch nhưng nó không phải một bậc trung gian bắt buộc để tạo thành các nguyên tố nặng. Như vậy, nói cách khác, thì "kim loại" đối với thiên văn học là mọi nguyên tố khác trừ hai nguyên tố nền tảng để tạo thành toàn bộ các nguyên tố khác trong vũ trụ. Việc phân loại kiểu này có thể hiểu đơn giản rằng nó giúp các nhà thiên văn thuận tiện hơn trong các mô tả và đánh giá về tuổi và quá trình tiến hóa của các sao và thiên hà.
Cũng vì cách phân loại này, cũng nên lưu ý rằng khi bạn đọc đâu đó thấy nói rằng một ngôi sao có “độ kim loại cao”, người ta đang nói đến mức độ phong phú của những nguyên tố ngoài hydrogen và helium, chứ không riêng sắt, đồng hay nhôm. Trong khi đó, hóa học dùng cách phân loại để hiểu liên kết và phản ứng của các chất. Bởi vậy, oxygen có thể đồng thời là phi kim trong hóa học và “kim loại” trong thiên văn học - tính chất của nó chỉ có một, nhưng câu hỏi mà mỗi lĩnh vực muốn trả lời thì khác nhau.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Các nội dung chi tiết hơn cùng nhiều bài khác tôi có đăng ở website của và trên tạp chí
(*) Các nguyên tố không có tên thuần Việt tôi đều viết dưới dạng tên gốc để tránh nhầm lẫn và mâu thuẫn về mặt phiên âm.
