Al – Nhôm là gì? Vị trí cấu tạo tính chất vật lý hóa học (lý thuyết)

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 660^oC.

♦ 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    ∆H^o = -(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 + Cr₂O_{3 $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$} 2Cr + Al₂O₃

♦  Nhiệt độ của phản ứng lên tới gần 3000^oC 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  + 4HNO_3loãng  $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$Al(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

2Al  + 6H₂SO_4đặc  $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$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%.