A. Nhôm
I. Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử
Nhôm [Al] ở ô số 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3 của bảng tuần hoàn.
Cấu hình electron nguyên tử: 1s22s22p63s23p1; viết gọn là [Ne]3s23p1.
Nhôm dễ nhường cả 3 electron hóa trị nên có số oxi hóa +3 trong các hợp chất.
II. Tính chất vật lí
Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nóng chảy ở 660oC, khá mềm, dễ kéo sợi, dễ dát mỏng. Có thể dát được những lá nhôm mỏng 0,01 mm dùng làm giấy gói kẹo, gói thuốc lá,...
Nhôm là kim loại nhẹ [D = 2,7 g/cm3], dẫn điện tốt [gấp 3 lần sắt, bằng 2/3 lần đồng] và dẫn nhiệt tốt [gấp 3 lần sắt].
III. Tính chất hóa học
Nhôm là kim loại có tính khử mạnh, chỉ sau kim loại kiềm và kiềm thổ, nên dễ bị oxi hóa thành ion dương.
$Al \to A{l^{3 + }} + 3e$
1. Tác dụng với phi kim
Nhôm khử dễ dàng các nguyên tử phi kim thành ion âm.
- Tác dụng với halogen:
Bột nhôm tự bốc cháy khi tiếp xúc với khí clo.
- Tác dụng với oxi
Khi đốt, bột nhôm cháy trong không khí với ngọn lửa sáng chói, tỏa nhiều nhiệt.
Nhôm bền trong không khí ở nhiệt độ thường do có màng oxit Al2O3 rất mỏng và bền bảo vệ.
2. Tác dụng với axit
- Nhôm khử dễ dàng ion H+ trong dung dịch HCl và H2SO4 loãng thành khí H2.
- Nhôm tác dụng mạnh với dung dịch HNO3 loãng, HNO3 đặc, nóng và H2SO4 đặc, nóng. Trong các phản ứng này, Al khử $\mathop N\limits^{ + 5} $ hoặc $\mathop S\limits^{ + 6} $ xuống số oxi hóa thấp hơn.
- Nhôm bị thụ động bởi dung dịch axit HNO3 đặc, nguội hoặc H2SO4 đặc, nguội nên có thể dùng thùng nhôm để chuyên chở những axit đặc, nguội này.
3. Tác dụng với oxit kim loại
Ở nhiệt độ cao, Al khử được nhiều ion kim loại trong oxit.
Thí dụ phản ứng giữa bột nhôm và sắt oxit gọi là phản ứng nhiệt nhôm. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra lớn làm sắt nóng chảy nên phản ứng này được dùng để điều chế một lượng nhỏ sắt nóng chảy khi hàn đường ray.
4. Tác dụng với nuớc
Nếu phá bỏ lớp oxit trên bề mặt nhôm [hoặc tạo thành hỗn hống Al - Hg], thì nhôm sẽ tác dụng với nước ở nhiệt độ thường.
Nhôm không tác dụng với nước, dù ở nhiệt độ cao là vì trên bề mặt của nhôm được phủ kín một lớp Al2O3 rất mỏng, bền và mịn, không cho nước và khí thấm qua.
5. Tác dụng với dung dịch kiềm
Al2O3 là oxit lưỡng tính nên lớp màng mỏng Al2O3 trên bề mặt nhôm tác dụng với dung dịch kiềm tạo ra muối tan. Khi không còn màng oxit bảo vệ, nhôm sẽ tác dụng với nước tạo ra Al[OH]3 và giải phóng khí H2; Al[OH]3 là hiđroxit lưỡng tính nên tác dụng tiếp với dung dịch kiềm.
Như vậy, nhôm có thể tan trong dung dịch kiềm và giải phóng khí hiđro.
IV. Ứng dụng và trạng thái tự nhiên
1. Ứng dụng
- Nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là nhẹ, bền đối với không khí và nước nên được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô, tên lửa, tàu vũ trụ.
- Nhôm và hợp kim của nhôm có màu trắng bạc, đẹp nên được dùng trong xây dựng nhà cửa và trang trí nội thất.
- Nhôm nhẹ, dẫn điện tốt nên được dùng làm dây dẫn điện thay cho đồng. Do dẫn nhiệt tốt, ít bị gỉ và không độc nên nhôm được dùng làm dụng cụ nhà bếp.
- Bột nhôm trộn với bột sắt oxit [gọi là hỗn hợp tecmit] để thực hiện phản ứng nhiệt nhôm dùng hàn đường ray.
2. Trạng thái tự nhiên
Nhôm là kim loại hoạt động mạnh nên trong tự nhiên chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Nhôm là nguyên tố đứng hàng thứ ba sau oxi và silic về độ phổ biến trong vỏ Trái Đất. Hợp chất của nhôm có mặt khắp nơi, như có trong đất sét [Al2O3.2SiO2.2H2O], mica [K2O.Al2O3.6SiO2], boxit [Al2O3.2H2O], criolit [3NaRAlF3],...
V. Sản xuất nhôm
Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nhôm oxit nóng chảy.
1. Nguyên liệu
Nguyên liệu là quặng boxit Al2O3.2H2O. Boxit thường lẫn tạp chất là Fe2O3 và SiO2. Sau khi loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hóa học thu được Al2O3 gần nguyên chất.
2. Điện phân nhôm oxit nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 rất cao [2050oC], vì vậy phải hòa tan Al2O3 trong criolit nóng chảy để hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống 900oC.
- Quá trình điện phân:
Cực âm [catot] của thùng điện phân là một tấm than chì nguyên chất được bố trí ở đáy thùng. Ở catot xảy ra quá trình khử ion Al3+ thành Al.
Nhôm nóng chảy được định kì tháo ra từ đáy thùng.
Cực dương [anot] cũng là những khối than chì lớn. Ở anot xảy ra quá trình oxi hoá ion O2- thành khí O2.
Khí O2 ở nhiệt độ cao đốt cháy C thành khí CO và CO2. Vì vậy, sau một thời gian phải thay thế điện cực dương.
B. Một số hợp chất quan trọng của nhôm
I. Nhôm oxit
1. Tính chất
Nhôm oxit [Al2O3] là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước và không tác dụng với nước, nóng chảy ở trên 2050oC.
Nhôm oxit là oxit lưỡng tính, vừa tác dụng với axit, vừa tác dụng với bazơ.
2. Ứng dụng
Trong tự nhiên, nhôm oxit tồn tại dưới dạng ngậm nước và dạng khan.
- Dạng oxit ngậm nước là thành phần chủ yếu của quặng boxit [Al2O3.2H2O] dùng để sản xuất nhôm.
- Dạng oxit khan, có cấu tạo tinh thể là đá quý ít phổ biến, thường gặp là:
- Corinđon ở dạng tinh thể trong suốt, không màu, rất rắn, được dùng để chế tạo đá mài, giấy nhám,...
- Trong tinh thể Al2O3, nếu một số ion Al3+ được thay bằng ion Cr3+ ta có hồng ngọc dùng làm đồ trang sức, chân kính đồng hồ và dùng trong kĩ thuật laze.
- Tinh thể Al2O3 có lẫn tạp chất Fe2+, Fe3+ và Ti4+ ta có saphia dùng làm đồ trang sức.
- Bột nhôm oxit dùng trong công nghiệp sản xuất chất xúc tác cho tổng hợp hữu cơ.
II. Nhôm hiđroxit
Nhôm hiđroxit [Al[OH]3] là chất rắn, màu trắng, kết tủa ở dạng keo.
Al[OH]3 là hiđroxit lưỡng tính.
Nhôm hiđroxit thể hiện tính bazơ trội hơn tính axit. Do có tính axit nên nhôm hiđroxit còn có tên là axit aluminic. Axit aluminic là axit rất yếu, yếu hơn axit cacbonic.
III. Nhôm sunfat
Muối nhôm sunfat khan tan trong nước tỏa nhiệt làm dung dịch nóng lên do bị hiđrat hóa.
Muối nhôm sunfat có nhiều ứng dụng nhất là muối sunfat kép của nhôm và kali ngậm nước gọi là phèn chua, công thức: K2SO4.Al2[SO4]3. 24H2O, hay viết gọn là: KAl[SO4]2.2H2O. Phèn chua được dùng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong ngành nhuộm vải, chất làm trong nước,...
Trong công thức hóa học trên, nếu thay ion K+ bằng Li+, Na+ hay NH4+ ta được các muối kép khác có tên chung là phèn nhôm [nhưng không gọi là phèn chua].
IV. Cách nhận biết ion Al3+ trong dung dịch
Cho từ từ dung dịch NaOH đến dư vào dung dịch thí nghiệm, nếu thấy có kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong NaOH dư thì chứng tỏ có ion Al3+.
Page 2
SureLRN
Ngày nay Nhôm được ứng dụng phổ biến trong đời sống. Từ những ứng dụng thiết thực trong đời sống cũng như trong công nghiệp, nhôm nghiễm nhiên chiếm phần quan trọng trong đời sống kinh tế. Tại sao nhôm lại được ưu ái lựa chọn? Có lẽ vì những thuộc tính chuyên biệt tự thân kết hợp bàn tay và khối óc của con người mà nên.
Nhôm [tiếng Latinh: alumen, alum] là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13. Nguyên tử khối bằng 27 đvC.
Khối lượng riêng là 2,7 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy là 660oC. Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 [sau ôxy và silic], và là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất.
Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất. Kim loại nhôm hiếm phản ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các môi trường khử cực mạnh. Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau. Quặng chính chứa nhôm là bô xít.
Nhôm Và Tính Chất Hóa Lý Của Nhôm
Nhôm có điểm đáng chú ý của một kim loại có tỷ trọng thấp và có khả năng chống ăn mòn hiện tượng thụ động. Các thành phần cấu trúc được làm từ nhôm và hợp kim của nó là rất quan trọng cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và rất quan trọng trong các lĩnh vực khác của giao thông vận tải và vật liệu cấu trúc. Các hợp chất hữu ích nhất của nhôm là các ôxít và sunfat.
Mặc dù nó có mặt phổ biến trong môi trường nhưng các muối nhôm không được bất kỳ dạng sống nào sử dụng. Với sự phổ biến của nó, nhôm được dung nạp tốt bởi thực vật và động vật.
Từ “nhôm” trong tiếng Việt có nguồn gốc từ aluminium trong tiếng Pháp.
Ứng dụng
Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt[13], và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới. Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng, kẽm, magiê, mangan và silic[14]. Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể.
Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng.
Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt. Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị. Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy tinh. Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương.
Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp.
Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện vận tải [ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v.] Đóng gói [can, giấy gói, v.v]
Xử lý nước
Xây dựng [cửa sổ, cửa, ván, v.v; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng.[15]]
Các hàng tiêu dùng có độ bền cao [trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v] Các đường dây tải điện [mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn[16]
Chế tạo máy móc.
Mặc dù tự bản thân nó là không nhiễm từ, nhôm được sử dụng trong thép MKM và các nam châm Alnico.
Nhôm siêu tinh khiết [SPA] chứa 99,980%-99,999% nhôm được sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD.
Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn. Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ — khi khô đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt.
Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa, và nó được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng.
Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao.
Ôxít nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery, ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa.
Sự ôxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhôm và các thành phần của pháo hoa.
Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao [như crôm Cr Vonfarm W…]
Trong xây dựng đó là hệ thống các sản phẩm nhôm thanh định hình.