Lý thuyết về Nhôm

Bài học: Nhôm gồm đầy đủ các nội dung liên quan đến Nhôm: Vị trí cấu hình electron nguyên tử nhôm, tính chất của nhôm, ứng dụng điều chế đều được trình bày chi tiết ở bài học dưới đây. 

I. Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

Ô số 13 Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p1. Vị trí bảng tuần hoàn: chu kì 3, nhóm IIIA Dễ nhường 3 electron hóa trị nên có số oxi hóa +3 trong các hợp chất. Mạng tinh thể: lập phương tâm diện

II. Tính chất vật lí

Là kim loại màu trắng bạc, nóng chảy ở 660^oC, khá mềm, dễ kéo sợi, dễ dát mỏng.

Là kim loại nhẹ, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt (tốt hơn sắt nhưng kém hơn đồng).

III. Tính chất hóa học

Nhôm là kim loại có tính khử mạnh, chỉ sau kim loại kiềm và kiềm thổ, dễ bị oxi hóa thành ion dương.

1. Tác dụng với phi kim

Nhôm dễ dàng khử các phi kim thành ion âm.

1.1. Tác dụng với halogen

Bột nhôm tự bốc cháy khi tiếp xúc với clo.

2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃

1.2. Tác dụng với oxi

Bột nhôm cháy trong không khí với ngọn lửa sáng chói, tỏa nhiều nhiệt.

4Al + 3O₂   2Al₂O₃

Do có một lớp màng Al₂O₃ rất mỏng và bền bảo vệ nên nhôm bền trong không khí ở nhiệt độ thường.

Thí nghiệm đốt bột nhôm trong không khí

2. Tác dụng với axit

2.1 Tác dụng với HCl, H₂SO₄ loãng

Nhôm dễ dàng khử các ion H⁺ trong dung dịch HCl, H₂SO₄ loãng thành khí H₂.

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

2.2. Tác dụng với dung dịch HNO₃, H₂SO₄ đặc

Với dung dịch HNO₃ và H₂SO₄, nếu là dung dịch đặc nguội, nhôm bị thụ động và không phản ứng với chúng. Còn lại, nhôm tác dụng mạnh với dung dịch HNO₃ loãng, HNO₃ đặc, nóng và H₂SO₄ đặc, nóng.

Al + 4HNO_{3 loãng}  ​→ Al(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

2Al + 6H₂SO_{4 đặc}  ​→ Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

3. Tác dụng với oxit kim loại

Ở nhiệt độ cao, Al khử được nhiều oxit của các kim loại đứng sau nhôm trong dãy hoạt động hóa học.

2Al + Fe₂O₃​ Al₂O₃ + 2Fe

Phản ứng này được gọi là phản ứng nhiệt nhôm. Lượng nhiệt của phản ứng sinh ra rất lớn làm nóng chảy Fe vừa tạo thành nên phản ứng này được ứng dụng để điều chế một lượng nhỏ sắt nóng chảy khi hàn đường ray.

Phản ứng nhiệt nhôm

4. Tác dụng với nước

Ở điều kiện thường, do trên bề mặt nhôm có một lớp màng Al₂O₃ mỏng, rất bền và mịn bảo vệ, không cho nước và khí thấm qua nên nhôm không tác dụng được với nước.

Nếu phá bỏ lớp oxit trên bề mặt nhôm thì nhôm sẽ tác dụng được với nước ở nhiệt độ thường.

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂ (1)

5. Tác dụng với dung dịch kiềm

Lớp oxit Al₂O₃ trên bề mặt nhôm là oxit lưỡng tính nên sẽ phản ứng với dung dịch kiềm tạo ra muối tan. Sau đó, khi không còn lớp oxit bảo vệ, nhôm sẽ tác dụng với nước tạo ra Al(OH)₃ và giải phóng khí H₂, Al(OH)₃ là axit lưỡng tính nên lại tiếp tục tác dụng với dung dịch kiềm.

Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O (2)

Vậy phản ứng của nhôm với dung dịch kiềm xảy ra theo phương trình (1) và (2). Cộng (1) với (2) ta có phương trình tổng quát sẽ của phản ứng là:

2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂

Vậy, nhôm có thể tác dụng với dung dịch kiềm và giải phóng khí hidro => nhận biết bột nhôm

IV. Ứng dụng và trạng thái tự nhiên

1. Ứng dụng

• Nhôm và hợp kim nhôm nhẹ, bền với không khí và nước nên dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô, tàu vũ trụ.
• Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc, đẹp nền dùng trong xây dựng nhà cửa, trang trí nội thất.
• Dẫn điện tốt nên dùng làm dây điện thay cho đồng. Dẫn nhiệt tốt và ít bị gỉ, không độc nên làm dụng cụ nhà bếp.
• Hỗn hợp tecmit (bột nhôm trộn với bột sắt oxit) dùng để hàn đường ray.

2. Trạng thái tự nhiên

Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 ở lớp vỏ trái đất nhưng chỉ tồn tại ở trong tự nhiên ở dạng hợp chất do chúng là kim loại hoạt động mạnh.

Hợp chất của nhôm có thể kể đến như đất sét, mica, quặng boxit (Al₂O₃.2H₂O), criolit (3NaF.AlF₃),...

Quặng boxit

Mica

V. Sản xuất nhôm

Hòa tan Al₂O₃ sau khi loại bỏ tạp chất (Fe₂O₃, SiO₂) trong criolit (Na₃AlF₆) nóng chảy với mục đích:

Hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ từ 2050^oC xuống 900^oC, tiết kiệm năng lượng.

Vừa tạo ra hỗn hợp nóng chảy dẫn điện tốt hơn Al₂O₃ nóng chảy và hỗn hợp này nhẹ hơn nhôm nóng chảy nổi lên bề mặt bảo vệ nhôm nóng chảy không bị oxi hóa.

2Al₂O₃ 4Al + 3O₂↑