CẤU TẠO, TÍNH CHẤT HÓA HỌC, ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG CỦA NHÔM

I. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÍ

1. Trạng thái tự nhiên

 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. Trong tự nhiên nhôm tồn tại ở dạng hợp chất  chủ yếu là

 - Đất sét: Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O.

 - Mica: K₂O.Al₂O₃.6SiO₂.2H₂O.

 - Boxit: Al₂O₃.nH₂O.

 - Criolit: 3NaF.AlF₃ hay (Na₃AlF₆).

 

2. Tính chất vật lí 

 -  Nhôm là kim loại nhẹ (khối lượng riêng 2,7g/cm³), màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ không cao lắm (660^oC). 

 -  Nhôm rất dẻo, có thể dát được lá nhôm mỏng 0,01 mm dùng để gói thực phẩm. 

 -  Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm diện, mật độ electron tự do tương đối lớn. Do vậy nhôm có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt. Độ dẫn điện bằng 2/3 đồng, nhưng nhôm nhẹ hơn đồng 3 lần. Độ dẫn nhiệt của nhôm hơn sắt 3 lần. 

 

IV. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

     Có tính khử mạnh:                 

Al → Al³⁺ + 3e

 

1. Tác dụng với phi kim

 

a. Với oxi

 - Bột Al cháy trong không khí khi được đun nóng cho ngọn lửa màu sáng chói.

    2Al + 3O₂ → Al₂O₃

* Lưu ý:

 - Al chỉ phản ứng với oxi trên bề mặt (vì tạo ra lớp màng oxit bao phủ bề mặt, bảo vệ và ngăn cản Al tham gia phản ứng tiếp):     

 - Muốn phản ứng xảy ra hoàn toàn thì phải loại bỏ lớp oxit bao phủ trên bề mặt Al (bằng cách tạo hỗn hống Al - Hg hoặc dùng Al bột đun nóng).

 

b. Với các phi kim khác

 - Nhôm phản ứng được với các phi kim khác → muối.

 - Al tự bốc cháy khi tiếp xúc với các halogen:

  Ví dụ: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃

 - Khi đun nóng, Al tác dụng với bột S:                                              

2Al + 3S → Al₂S₃

_​

 

2. Tác dụng với dung dịch axit

 

a. Với H⁺ (HCl, H₂SO₄ loãng...)

 - Al phản ứng dễ dàng → muối + H₂

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 3H₂SO₄ loãng → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

 

b. Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh: HNO₃ loãng hoặc đặc, H₂SO₄ đậm đặc

 - Nhôm tác dụng với HNO₃

M + HNO₃ → M(NO₃)_n + {NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃} + H₂O 

 Ví dụ: 

Al + 6HNO₃ đặc, nóng → Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

Al + 4HNO₃ loãng → Al(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

 

 - Nhôm tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng

2Al + 6H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

 

* Lưu ý:

 - Al thụ động với H₂SO₄ đặc nguội và HNO₃ đặc nguội → có thể dùng thùng Al để chuyên chở axit HNO₃ đặc nguội và H₂SO₄ đặc nguội.

 

3. Phản ứng nhiệt nhôm

 - Al khử được oxit của các kim loại đứng sau nhôm ở nhiệt độ cao

 Ví dụ:                  

2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe

2Al + 3CuO → Al₂O₃ + 3Cu

 

* Lưu ý: khi giải bài tập về phản ứng nhiệt nhôm:

 - Nếu hỗn hợp sau phản ứng cho tác dụng với dung dịch kiềm → H₂ thì Al còn dư sau phản ứng nhiệt nhôm hoặc hiệu suất H của phản ứng < 100%

  - Nếu hỗn hợp sau phản ứng cho tác dụng với dung dịch kiềm không có khí thoát ra chứng tỏ không dư Al.

  - Khối lượng hỗn hợp trước và sau phản ứng không đổi (bảo toàn khối lượng).

 

 

4. Tác dụng với nước

  - Al không phản ứng với nước vì được lớp oxit mỏng, bền và đặc khít bảo vệ. Nếu phá bỏ lớp oxit bao phủ bề mặt, Al phản ứng trực tiếp với nước.              

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂

 

* Lưu ý:

  - Al(OH)₃ là chất kết tủa dạng keo màu trắng khi sinh ra sẽ bao kín bề mặt của Al kim loại ngăn cách không cho Al tiếp xúc với nước để phản ứng tiếp nữa. Phản ứng này chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết.

 

5. Tác dụng với dung dịch bazơ

 - Al tham gia phản ứng dễ dàng với các dung dịch kiềm:

2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂

2Al + Ba(OH)₂ + 2H₂O → Ba(AlO₂)₂ + 3H₂

 - Cơ chế:

  + Trước tiên, Al tham gia phản ứng với nước:

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂

  + Al(OH)₃ sinh ra là hiđroxit lưỡng tính tan được trong dung dịch kiềm:

Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H­₂O

Quá trình này lặp đi lặp lại đến hết.

 

* Lưu ý:

  - Nếu cho hỗn hợp Na, K, Ba, Ca và Al (hoặc Zn) vào nước dư, xảy ra các phản ứng:

2M  + 2H₂O → 2MOH + H₂

MOH + H₂O + Al → MAlO₂ + 3/2H₂

  - Trong quá trình giải toán có 2 trường hợp xảy ra:

 * Trường hợp 1. Cả kim loại kiềm và Al đều phản ứng hết nếu số mol kim loại kiềm ≥ số mol Al.

 * Trường hợp 2. Kim loại kiềm phản ứng hết, Al dư nếu số mol kim loại kiềm < số mol Al.

 

 

6. Tác dụng với dung dịch muối

 - Al đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của chúng:

2Al + 3CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3Cu

 - Phản ứng với muối nitrat trong môi trường kiềm:

8Al + 3NaNO₃ + 5NaOH + 2H₂O → 8NaAlO₂ + 3NH₃

 - Phản ứng với muối nitrat trong môi trường axit (giống phản ứng với HNO₃):

Al + 4H⁺ + NO₃^- → Al³⁺ + NO + 2H₂O

 

III. ĐIỀU CHẾ

 

1. Nguyên liệu

  - Quặng boxit Al₂O₃ có lẫn SiO₂ và Fe₂O₃. 

 

2. Các giai đoạn điều chế 

- Làm sạch nguyên liệu:

2NaOH + Al₂O₃ → 2NaAlO₂ + H­₂O

2NaOH + SiO₂ → Na₂SiO₃ + H₂O

NaAlO₂ + CO₂ + 2H₂O → NaHCO₃ + Al(OH)₃

NaOH + CO₂ → NaHCO₃

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

- Điện phân nóng chảy Al₂O₃ có mặt criolit Na₃AlF₆ (hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃từ 2050⁰C xuống 900⁰C; tăng độ dẫn điện do tạo thành nhiều ion hơn; tạo lớp bảo vệ không cho O₂ phản ứng với Al nóng chảy):                       

2Al₂O₃ → 4Al + 3O_­2

IV. Ứng dụng 

-  Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt, 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. 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.

  + 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.)

  + 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.

  + 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 ...)

 

 

Trung tâm luyện thi, gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng