Bài 33. Nhôm

I- VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO

1. Vị trí của nhôm trong bảng tuần hoàn

Nhôm là nguyên tố hóa học có số hiệu nguyên tử 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3. Trong nhóm, nhôm đứng dưới nguyên tố phi kim bo (B). Trong chu kì, nhôm đứng sau nguyên tố kim loại magie (Mg) và trước nguyên tố phi kim silic (Si).

2. Cấu tạo của nhôm

Cấu hình electron nguyên tử: Nhôm có bán kính nguyên tử (0,125nm) nhỏ hơn nguyên tử Mg(0,16nm). Nguyên tử nhôm có 13e được phân bố như sau: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹, trong đó có 3e hóa trị (3s²3p¹⁾. Ion Al³⁺ có cấu hình elcetron của nguyên tử khí hiếm Ne:

                                                           Al→Al³⁺+3e

                                                   [Ne]3s²3p¹   [Ne]

Al là nguyên tố p.

Năng lượng ion hóa: so sánh năng lượng ion hóa I₃ với I₂ của nguyên tử nhôm ta thấy I₃:I₂=2744:1816=1,5:1

Như vậy, năng lượng ion hóa I₃ chỉ lớn hơn năng lượng ion hóa I₂ có 1,5 lần.

Do vậy khi cung cấp năng lượng cho nguyên tử Al sẽ có 3e tách ra khỏi nguyên tử.

Độ âm điện: Nguyên tử Al có giá trị âm điện là 1,61

Số oxi hóa: Trong hợp chất, nguyên tố Al có số oxi hóa bền là +3

Mạng tinh thể: Nhôm có cấu tạo kiểu mạng lập phương tâm diện.

II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Nhôm là kim loại màu trắng bạc, mềm, dễ kéo sợi và dát mỏng. Có thẻ dát được lá nhôm mỏng 0,01mm dùng để gói thực phẩm.

Nhôm là kim loại nhẹ (2,7g/cm³), nóng chảy ở nhiệt độ 660^oC

Nhôm dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn nhiệt bằng 2/3 đồng nhưng lại nhẹ hơn đồng 3 lần. Độ dẫn điện của nhôm hơn sắt 3 lần.

III- TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Nhôm có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn so với nhiều kim loại khác E⁰_Al3+/Al=−1,66V

Nguyên tử nhôm có năng lượng ion hóa thấp. Do vậy nhôm là kim loại có tính khử mạnh. Tuy nhiên tính khử của nhôm yếu hơn các kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ. Tính khử mạnh của nhôm được thể hiện qua những phản ứng hóa học sau:

1. Tác dụng với phi kim

Nhôm tác dụng trực tiếp và mạnh với nhiều phi kim như O₂,Cl₂,S,...

Thí dụ: Khi đốt nóng, bột nhôm cháy sáng trong không khí. Phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

4Al+3O₂→t_o 2Al₂O₃

Nhôm bền trong không khí ở nhiệt độ thường do có màng oxit Al₂O₃ rất mỏng, mịn và bền chắc bảo vệ.

Bột nhôm tự bốc cháy khi tiếp xúc với khí clo:

2Al+3Cl₂→2AlCl₃

2. Tác dụng với axit

Thế điện cực chuẩn của nhôm (E⁰_Al3+/Al=−1,66V) nhỏ nên kim loại nhôm khử dễ dàng ion H⁺ của dung dịch axit, như HCl và H₂SO₄ loãng, giải phóng H₂:

2Al+6HCl→2AlCl₃+3H₂↑

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 oxi hóa thấp hơn:

Al+4HNO₃ loãng→t^o Al(NO₃)₃+NO+2H₂O

2Al+6H₂SO₄ đặc→t^o 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 bị thụ động sẽ không tác dụng với các dung dịch HCl,H₂SO₄ loãng.

3. Tác dụng với oxit kim loại

Ở nhiệt độ cao, Al khử được nhiều oxit kim loại như Fe₂O₃,Cr₂O₃,... thành kim loại tự do.

Thí dụ:

2Al+Fe₂O₃→to Al₂O₃+2Fe

Phản ứng của Al với oxit  kim loại gọi là phản ứng nhiệt nhôm. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra làm nóng chảy các kim loại.

4. Tác dụng với nước

Thế điện cực của hiđro ở pH=7(E⁰_H2O/H2=−0,41V) cao hơn so với thế điện cực chuẩn của nhôm (E⁰_Al3+/Al) nên nhôm có thể khử được nước, giải phóng khí hiđro:

2Al+6H₂O→2Al(OH)₃↓+3H₂↑

Phản ứng trên nhanh chóng dừng lại vì lớp Al(OH)₃ không tan trong nước đã ngăn cản không cho nhôm tiếp xúc với nước.

Vì sao những vật bằng nhôm hằng ngày tiếp xúc với nước dù ở nhiệt độ nào cũng không xảy ra phản ứng ?

Đó là do trên bề mặt của vật được phủ kín bằng màng Al₂O₃ rất mỏng (không dày hơn 10−5mm) rất mịn và bền chắc đã không cho nước và khí thấm qua.

5. Tác dụng với dung dịch kiềm

Những đồ vật bằng 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+3H₂O→2Na[Al(OH)₄](1)   

                                        Natri aluminat

Tiếp đến, kim loại nhôm khử H₂O:

2Al+6H₂O→2Al(OH)₃+3H₂↑(2)

Màng Al(OH)3 bị phá hủy trong dung dịch bazơ:

Al(OH)₃+NaOH→Na[Al(OH)₄](3)

Các phản ứng (2) và (3) xảy ra luân phiên nhau cho đến khi nhôm bị tan hết. Hai phương trình hóa học của hai phản ứng trên có thể viết gộp vào một phương trình hóa học như sau:

2Al+2NaOH+6H₂O→2Na[Al(OH)₄](dd)+3H₂↑

IV- ỨNG DỤNG VÀ SẢN XUẤT

1. Ứng dụng

Nhôm và hợp kim nhôm có đặc tính nhẹ, bền đối với không khí và nước, được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ôtô, tên lửa, tàu vũ trụ.

Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc, đẹp, được dùng làm khung cửa và vật trang trí nội thất.

Nhôm có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, được dùng làm dây cáp dẫn điện thay thế cho đồng là kim loại đắt tiền. Nhôm được dùng chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt, các dụng cụ đun nấu trong gia đình.

Bột nhôm dùng để chế tạo hỗn hợp tecmit (hỗn hợp bột Al và Fe₂O₃), được dùng để hàn gắn đường ray,...

2. Sản xuất

Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất từ quặng boxit bằng phương pháp điện phân. Hai công đoạn chính của quá trình sản xuất là:

Công đoạn tinh chế quặng boxit: Ngoài thành phần chính là Al₂O₃.2H₂O trong quặng boxit còn có tạp chất là SiO₂ và Fe₂O₃. Bằng phương pháp hóa học người ta loại bỏ các tạp chất để có Al₂O₃ nguyên chất.

Công đoạn điện phân Al₂O₃ nóng chảy: Al₂O₃ nóng chảy ở 2050^oC. Người ta trộn nó với criolit (Na₃AlF₆). Hỗn hợp này nóng chảy ở khoảng 900^oC. Việc làm này một mặt tiết kiệm năng lượng đồng thời tạo được chất lỏng có tính dẫn điện tốt hơn Al₂O₃ nóng chảy, mặt khác hỗn hợp chất điện li này có khối lượng riêng nhỏ hơn nhôm, nổi lên trên và ngăn cản Al nóng chảy không bị oxi hóa trong không khí.

Thùng điện phân có cực âm (catot) là tấm than chì ở đáy thùng. Cực dương (anot) là những khối than chì có thể chuyển động theo phương thẳng đứng.

Ở cực âm xảy ra sự khử ion Al3+ thành kim loại Al:

Al³⁺+3e→Al

Ở cực dương xảy ra sự oxi hóa O²⁻ thành khí O₂:

2O²⁻→O₂+4e

Phương trình điện phân Al₂O₃ nóng chảy:

2Al₂O₃→đpnc 4Al+3O₂↑

Khí oxi sinh ra ở cực dương đốt cháy dần dần than chì sinh ra CO₂. Do vậy trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần các cực dương vào thùng điện phân. Để có được 1kg nhôm cần khoảng: 2kgAl₂O₃;0,5kgC tiêu hao ở cực dương, 8−10kWh điện năng.