Al – Nhôm là gì? Vị trí, cấu tạo, tính chất vật lý hóa học (lý thuyết)
1) Vị trí và cấu tạo của nhôm trong bảng tuần hoàn:
♦ Nhôm có số hiệu nguyên tử 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3.
♦ Cấu tạo của nhôm: Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p1, hay [Ne] 3s23p1. Al là nguyên tố p, Năng lượng ion hóa: I3 : I2 = 2744 : 1816 = 1,5 : 1. Độ âm điện 1,61. Mạng tinh thể: nhôm có cấu tạo kiểu mạng lập phương tâm diện.
2) Nhôm là gì – tính chất vật lý
♦ Nhôm là kim loại màu trắng bạc, mềm, dễ kéo sợi và dát mỏng. Có thể dát mỏng được,lá nhôm mỏng 0,01mm.
♦ Nhôm là kim loại nhẹ (2,7g/cm3), nóng chảy ở 660oC.
♦ Nhôm dẫn điện và nhiệt tốt. Độ dẫn nhiệt bằng 2/3 đồng nhưng lại nhẹ hơn đồng(8,92g/cm3) 3 lần. Độ dẫn điện của nhôm hơn sắt 3 lần.
3) Tính chất hóa học của nhôm Al
♦ Nhôm có tính khử mạnh. Al → Al3+ + 3e. Nhìn chung tính khử của nhôm yếu hơn các kim loại kiềm và kiềm thổ.
a. Nhôm Tác dụng với phi kim
♦ Nhôm tác dụng mãnh liệt với các phi kim, điển hình là với các halogen, oxi, lưu huỳnh…
♦ Nhôm tự bốc cháy khi tiếp xúc với các halogen
Ví dụ: 2Al + 3Cl2 $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2AlCl3
♦ Phản ứng với oxi: Bột nhôm cháy trong không khí cho ngọn lửa sáng chói và phát ra một nhiệt lượng lớn tạo ra nhôm oxit và một lượng nhỏ nitrua:
4Al + 3O2 $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2Al2O3 ∆Ho = -(2 x 1675,7kJ)
2Al + N2 $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2AlN
♦ Nhôm phản ứng với oxi tạo ra một màng oxit mỏng (không quá 10-6 cm) ngăn cản không cho oxi tác dụng sâu hơn, màng oxit này lại rất đặc khít không thấm nước, vì vậy nó bảo vệ cho nhôm chống được sự ăn mòn.
b. Nhôm Tác dụng với oxit kim loại:
♦ Ở nhiệt độ cao, Al khử được nhiều oxit kim loại như ( Fe2O3, Cr2O3,CuO…) thành kim loại tự do.
Ví dụ: 2Al + Fe2O3 $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2Fe + Al2O3
2Al + Cr2O3 $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2Cr + Al2O3
♦ Nhiệt độ của phản ứng lên tới gần 3000oC làm nhôm oxit nóng chảy. Do đó phản ứng của Al với oxit kim loại gọi là phản ứng nhiệt nhôm.
c. Nhôm Tác dụng với nước.
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3↓ + 3H2
♦ Phản ứng nhanh chóng ngừng lại vì lớp Al(OH)3 không tan trong nước đã ngăn cản không cho nhôm tiếp xúc với nước → vật liệu bằng nhôm không phản ứng với nước.
d. Nhôm Tác dụng với axit.
– HCl, H2SO4 (loãng): Nhôm khử H+ thành H2
2Al + 6H+ → 2Al3+ + 3H2
– Nhôm khử N+5 trong HNO3 ở dung dịch loãng hoặc đặc, nóng và S+6 trong H2SO4 ở dung dịch đặc, nóng xuống số oxh thấp hơn:
Ví dụ: Al + 4HNO3loãng $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$Al(NO3)3 + NO + 2H2O
2Al + 6H2SO4đặc $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
♦ Nhôm không tác dụng với H2SO4 và HNO3 đặc, nguội. Những axit này đã oxi hóa bề mặt kim loại tạo thành một màng oxit có tính trơ, làm cho nhôm thụ động. Nhôm thụ động sẽ không tác dụng với các dung dịch HCl, H2SO4 loãng.
e. Nhôm Tác dụng với dung dịch kiềm
♦ Nhôm bị hòa tan trong dung dịch kiềm như NaOH, Ca(OH)2,… Hiện tượng này được giải thích như sau:
• Trước hết, màng bảo vệ là Al2O3 bị phá hủy trong dung dịch kiềm:
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
Hay Al2O3 + 2NaOH + 3H2O $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2Na[Al(OH)4] (1)
• Tiếp đến, kim loại nhôm khử H2O:
2Al + 6H2O $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2Al(OH)3 + 3H2 (2)
• Màng Al(OH)3 bị phá hủy trong dung dịch bazơ:
Al(OH)3 + NaOH → NaAlO2 + 2 H2O
Hay Al(OH)3 + NaOH $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ Na[Al(OH)4] (3)
• Các phản ứng (2) và (3) xảy ra luân phiên nhau cho đến khi nhôm bị hòa tan hết.
• Có thể viết gọn thành:
2Al + 2NaOH + H2O→ 2NaAlO2 + 3H2
Hay 2Al + 2NaOH + 6H2O $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ 2Na[Al(OH)4] (dd) + 3H2
4) Các ứng dụng của nhôm
♦ Nhôm có nhiều ưu điểm nhưng vì nó khá mềm lại kém dai nên người ta thường chế tạo hợp kim nhôm với magie, đồng, silic… để tăng độ bền. Sau đây là vài hợp kim và ứng dụng của nó:
• Đura (95% Al, 4%Cu, 1%Mg, Mn, Si). Hợp kim đura nhẹ bằng ⅓ thép, cứng gần như thép.
• Silumin (~90% Al, 10%Si): nhẹ, bền.
• Almelec (98,5% Al. còn lại là Mg, Si, Fe) dùng làm dây cáp.
• Hợp kim electron (10,5% Al, 83,3% Mg, còn lại là Zn, Mn…), hợp kim này chỉ nặng bằng 65% Al lại bền hơn thép, chịu được sự thay đổi đột ngột nhiệt độ trong một giới hạn lớn nên được dùng làm vỏ tên lửa.
♦ Nhôm được dùng chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt và dụng cụ nấu ăn gia đình, nhôm còn được dùng là khung cửa và trang trí nội thất.
– Bột nhôm dùng để chế tạo hỗn hợp tecmit (hỗn hợp bột Al và Fe2O3), được dùng để hàn đường ray,…
5). Trạng thái tự nhiên và sản xuất nhôm
a) Trạng thái tự nhiên.
♦ Trong tự nhiên nhôm chiêm khoảng 5,5% tổng số nguyên tử trong quả đất.
♦ Phần lớn tập trung vào các alumosilicat, ví dụ như orthoclazo (K2O.Al2O3.6SiO2), mica (K2O.2H2O.3Al2O3.6SiO2). nefelin [(Na,K)2O.Al2O3.2SiO2].
♦ Hai khoáng vật quan trọng đối với công nghiệp của nhôm là boxit (Al2O3.xH2O) và criolit (Na3[AlF6]).
♦ Boxit có hàm lượng lớn ở nhiều tỉnh như Lạng Sơn, Hà Tuyên, Sơn La, Lai Châu, Hải Hưng, Nghệ Tĩnh, Lâm Đồng.
b) 3 Giai đoạn sản xuất nhôm:
♦ Giai đoạn 1: làm sạch quặng boxit lẫn Fe2O3 .SiO2
• Cho quặng vào dung dịch NaOH dư, SiO2 Al2O3 và tan ra, lọc bỏ Fe2O3
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
• Sục CO2 vào dung dịch sẽ thu được kết tủa Al(OH)3
NaAlO2 + CO2 + 2H2O → Al(OH)3 + NaHCO3
• Lọc kết tủa đem đun nung thu được oxit:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
♦ Giai đoạn 2: Chuẩn bị chất điện ly nóng chảy: criolit 3NaF. AlF3 nhằm:
• Giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 (20500C à 9000C) à Tiết kiệm năng lượng
• Hỗn hợp chất lỏng dẫn điện tốt hơn.
• Criolit Nhẹ, nổi lên ngăn cản nhôm nóng chảy sinh ra tác dụng với không khí.
♦ Giai đoạn 3: đpnc Al2O3 :
2Al2O3 → 4Al + 3O2
Catot anot
F Sản phẩm thu được khá tinh khiết và có hàm lượng vào khoảng 99,4 – 99,8%. Điện phân lần hai có thể đến hàm lượng 99,9998%.
