Nhôm là kim loại có chủ yếu trong hợp kim làm vỏ máy bay, ghê chưa!
1. Nhôm, nhẹ ký và gương mặt trắng bạc
Al [ô số 13, chu kì 3, nhóm IIIA], 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1.
Kim nhẹ, dẻo, dẫn điện và nhiệt tốt [nhớ thêm Ag > Cu > Au > Al > Fe]. Mạng tinh thể lập phương tâm diện.
Al [cũng tựa như Zn] tạo oxit lưỡng tính, hiđroxit lưỡng tính. Bạn nhớ:
- Đừng nói Al, Zn là kim loại, là nguyên tố lưỡng tính ; mà phải nói Al, Zn là kim loại có oxit và hiđroxit lưỡng tính.
- Đừng nói Al[OH]3, Cr[OH]3 là bazơ lưỡng tính ; mà phải nói Al[OH]3, Cr[OH]3 là hiđroxit lưỡng tính.
2. Tính chất hóa học của kim loại nhôm
Đương nhiên là tính khử rồi – Al dễ cho 3e ở lớp ngoài cùng:
Al → Al3+ + 3e
nên Al chỉ có số oxi hóa +3 trong hợp chất
Tính khử của nhôm mạnh; nhưng yếu hơn kim loại nhóm IA, IIA.
2.1. Với phi kim O2, Cl2, S
4Al + 3O2 → 2Al2O3, nhôm oxit
2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, nhôm clorua
2Al + 3S → Al2S3, nhôm sunfua
2.2. Với axit
Al + HCl hoặc H2SO4 loãng → muối Al3+ + H2
Al + H2SO4 đặc nóng → muối Al3+ + SO2 [S, H2S] + H2O
Al + HNO3 đặc nóng hoặc HNO3 loãng → muối Al3+ + NO2[NO, N2O, N2, muối NH4NO3] + H2O
LƯU Ý Al [Cr, Fe] không phản ứng với axit HNO3 đặc nguội ; axit H2SO4 đặc nguội.
2.3. Phản ứng nhiệt nhôm
Chính là phản ứng thuộc phương pháp nhiệt luyện trong bài điều chế kim loại đã học:
Al + Oxit của kim loại sau nhôm —t0→ Al2O3 + kim loại
Áp dụng trong thực tế:
- Hỗn hợp Tecmit [Al và Fe2O3] đặc biệt dùng trong kĩ thuật hàn nhiệt; giúp kết nối các thanh thép ngắn thành đường ray xe lửa dài ngoằn ngòe.
2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe nóng chảy hàn hai đầu nối
Nhiệt độ tỏa ra tối đa [tính theo lý thuyết] của phản ứng là 3.2000C. Tuy nhiên, trong thực tế, nhiệt dao động trong khoảng 2.2000C đến 2.4000C.
Hàn để nối các thanh đường ray xe lửa bằng hỗn hợp Thermit
Nếu bạn quan tâm, hãy xem thêm nội dung chi tiết về quá trình hàn nhiệt tại đây.
- Sản xuất Crom trong công nghiệp
2Al + Cr2O3 —t0→ Al2O3 + 2Cr
2.4. Al không phản ứng, không tan trong H2O
Vật làm bằng kim loại nhôm không phản ứng với H2O ở bất kì t0 nào [do bề mặt Al bị phủ kín một lớp Al2O3 mỏng bền_t0nc của Al2O3 lên đến 20500C lận! ]
Al nguyên chất khử H2O ngay ở t0 thường,
2Al + 6H2O → 2Al[OH]3 là kết tủa bọc Al lại + 3H2
nhưng . . . . phản ứng cũng dừng lại nhanh chóng do Al[OH]3 tủa keo_bọc lấy thanh Al, ngăn cản Al tiếp xúc – gặp gỡ bạn H2O ⇒ NÓI THỰC TẾ Al KHÔNG PHẢN ỨNG VỚI H2O.
Nhôm bền trong môi trường không khí và nước là do có màng oxit Al2O3 bền vững bảo vệ
2.5. Al không tan trong H2O nhưng …Al tan được trong dung dịch kiềm mạnh
2.5.1. Vì sao vậy ta?
Al không tan trong H2O vì có lớp Al2O3 bảo vệ.
Al nguyên chất tác dụng với H2O nhưng phản ứng cũng dừng lại ngay vì tạo lớp Al[OH]3 bảo vệ.
Nhưng Al TAN dễ dàng trong dung dịch BAZƠ MẠNH vì
[1] Lớp Al2O3 bị tan trong dung dịch kiềm
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2+H2O
[2] Al gặp H2O, lập tức tác dụng
2Al0 + 6H+2O → 2Al3+[OH]3 tủa bọc Al lại + 3H20
[3] NaOH phá tan lớp Al[OH]3 tủa sinh ra ở [2]
Al[OH]3 + NaOH → NaAlO2 tan + 2H2O
Phản ứng [2] và [3] xảy ra xen kẽ nhau, cho đến khi Al tan hết. Gộp 2 phương trình này lại, ta được
Al0 + NaOH + H+2O → NaAl3+O2 tan + 1,5H20
Em thấy:
- Al là chất khử; H2O là chất oxi hóa; NaOH là chất hòa tan Al[OH]3.
- Al2O3 và Al[OH]3 chỉ tan không sủi bọt khí ; trong khi Al tan và có sủi bọt khí hydro.
2.5.2. Áp dụng vào bài tập phân biệt
1. Ví dụ để phân biệt 2 chất rắn Al, Al2O3 ta dùng dung dịch NaOH do
- Al tan và có sủi bọt khí.
- Al2O3 chỉ tan mà không thấy bọt khí.
2. Có 3 chất rắn: Fe, Al, Al2O3 đựng trong 3 lọ mất nhãn. Thuốc thử nhận biết được mỗi chất là dung dịch NaOH do:
- Fe hổng có tan.
- Al có tan và có sủi khí.
- trong khi Al2O3 chỉ tan thôi mà không có khí.
3. Cho bốn chất rắn riêng biệt Na, Al, Al2O3 ,Fe . Có thể dùng H2O đây để phân biệt 4 chất do:
- khi cho 4 mấu vào H2O thì chỉ Na tan trong nước ⇒ phân biệt ra Na, đồng thời thu được dung dịch NaOH.
- tiếp tục lấy dung dịch NaOH trên để phân biệt Al, Al2O3, Fe như ví dụ 2.
3. Al2O3 và Al[OH]3 lưỡng tính
+Al2O3 ; Al[OH]3 lưỡng tính; nhưng do tính bazơ – axit đều yếu nên chỉ tác dụng với axit mạnh như HCl, HNO3, H2SO4 ; với bazơ mạnh LiOH, NaOH, KOH, Ca[OH]2, Ba[OH]2.
+Al, Al2O3, Al[OH]3 không tan trong dung dịch bazơ yếu NH3.
+Nhưng AgOH, Zn[OH]2, Cu[OH]2, Ni[OH]2 lại tan được trong dung dịch NH3 do phản ứng tạo phức tan [Zn[NH3]4][OH]2 , [Cu[NH3]4][OH]2.
3.1. Al2O3
3.1.1. Tính chất
Rắn màu trắng không tan trong H2O
Tồn tại dạng đá quý hoặc trong quặng nhôm Rất bền, t0nc > 20000C, không phân hủy.
3.1.2. Lưỡng tính
Là hợp chất lưỡng tính [oxit bazơ, oxit axit]
- Là base khi gặp axit mạnh HCl, H2SO4, HNO3
Al2O3 [bazơ] +6HCl → 2AlCl3+3H2O
Al2O3+6H+ → 2Al2++3H2O
- Là axit khi gặp bazơ mạnh LiOH, NaOH, KOH, Ba[OH]2, Ca[OH]2
Al2O3 [axit] +2NaOH → 2NaAlO2+H2O
Al2O3+2OH– → 2AlO2–+H2O
3.2. Al[OH]3
3.2.1. Tính chất và điều chế
Chất kết tủa keo trong ; keo trắng
Thu được khi cho muối Al3+ + dung dịch kiềm mạnh/yếu
Al3+ + 3OH– [kiềm mạnh_vừa đủ] → Al[OH]3 tủa
Al3+ + 3NH3 [kiềm yếu_dư] + 3H2O → Al[OH]3 tủa + 3NH4+
Kém bền, dễ bị phân hủy khi đun nóg
2Al[OH]3 —t0→ Al2O3 + 3H2O
3.2.2. Tính lưỡng tính
Là hợp chất lưỡng tính [bazơ_nhôm hiđroxit Al[OH]3 ; axit_axit aluminic HAlO2.H2O]
- Là base khi gặp axit mạnh
Al[OH]3 [bazơ] + 3HCl → AlCl3 + 3H2O
Al[OH]3 + 3H+ → Al3++ 3H2O
- Là axit khi gặp base mạnh
Al[OH]3 [axit] + NaOH → NaAlO2 + 2H2O
Al[OH]3 + OH– → AlO2–+ 2H2O
3.2.3. Dừng lại xem ghi chú
Ở ban cơ bản, NaAlO2 có tên là Natri aluminat; trong đó Aluminat chỉ ion rất lạ là AlO2–.
- axit tương ứng với AlO2– là HAlO2 có tên là axit Aluminic.
- khi Al[OH]3 là axit, ta có thể ghi dạng H2O.HAlO2.
Ở ban nâng cao,
- ion AlO2– ghi dữ dội hơn là [Al[OH]4]–.
- và như vậy, muối sẽ ghi là Na[Al[OH]4] với tên cũng là Natri aluminat.
3.2.4. Tạo lại Al[OH]3 từ dung dịch NaAlO2
+Dùng axit yếu H2CO3 dư
NaAlO2 + CO2 dư + 2H2O → Al[OH]3 tủa + NaHCO3
Do CO2 + H2O = axit yếu H2CO3
nên cho dù CO2 có dư thì cũng không thể nào hòa tan tủa Al[OH]3
+Dùng axit mạnh HCl vừa đủ thôi
NaAlO2 + HCl ĐỦ + H2O → Al[OH]3 tủa + NaCl
Do Al[OH]3 + 3HCl axit mạnh → AlCl3 tan + 3H2O
nên phải dùng axit HCl, H2SO4 ĐỦ, không được dùng dư!
+Nói dẫn khí CO2 từ từ cho đến dư vào dung dịch NaAlO2: thấy xuất hiện kết tủa keo trắng rồi kết tủa keo trắng vẫn tồn tại, hổng tan gì hết á!
+Nói rót từ từ cho đến dư dung dịch HCl vào dung dịch NaAlO2: em thấy xuất hiện kết tủa keo trắng rồi kết tủa keo trắng lại tan tạo dung dịch trong suốt.
4. Phèn chua và Phèn nhôm
Phèn chua: là muối sunfat kép của nhôm và kali ngậm nước,
- công thức hoá học K2SO4.Al2[SO4]3.24H2O.
- hoặc gom lại rồi đơn giản được KAl[SO4]2.12H2O.
- Khi pha phèn chua vào nước thu được dung dịch có môi trường axit yếu; nhằm mục đích làm trong nước đục.
Phèn nhôm: thay K+ của Phèn chua bằng Li+, Na+ hay NH4+.
5. Hợp kim nhôm
Hợp kim quan trọng của nhôm: đuyara, silumin, almelec, electron.
Hợp kim nhôm là dung dịch rắn trong đó,
- thành phần chủ yếu là kim loại nhôm.
- thêm vào các nguyên tố khác bao gồm Fe, Cu, Mg, Si, Zn, Li, Hg, Mn, Zr, Pt, … [có thể chiếm tới 15% khối lượng hợp kim]. Có những nguyên tố khác không biết tên nữa …do nhà sản xuất giữ bí mật-đương nhiên đây là những hợp kim phức tạp và mắc tiền.
- làm bằng cách trộn đều các đơn chất các nguyên tố trên [với tỉ lệ nào đó do nhà sản xuất nghiên cứu] vào nhôm đã nóng-chảy lỏng, rồi để nguội.
Việc thêm các nguyên tố vào nhôm sẽ làm cho hợp kim được cải thiện về
- độ bền, chống ăn mòn.
- độ dẫn điện.
- …..
Một đặc tính tuyệt vời của hợp kim nhôm là chúng nhẹ và chống ăn mòn rất tốt.
Hợp kim của nhôm phức tạp lắm. Có cả dãy danh sách dài các hợp kim nhôm và kí hiệu từng loại – để người mua biết dùng hợp kim đó để làm gì nữa cơ!. Chúng mình chỉ cần nhớ tên các hợp kim nhôm như trên, để làm bài tập trắc nghiệm lấy điểm 10, rồi khoe mẹ và “gấu” thôi; còn lại …khi là kĩ sư vật liệu chuyên nghiệp mới rõ.
6. Sản xuất kim loại nhôm
6.1. Nguyên liệu quặng boxit đào từ đất lên
Quặng boxit Al2O3.nH2O [thường lẫn tạp chất là Fe2O3 và SiO2].
6.2. Thu Al2O3 từ quặng boxit theo 3 bước
1. Làm sạch nguyên liệu: Quặng boxit [Al2O3.nH2O + tạp Fe2O3, SiO2] + NaOH dư
- Fe2O3 không tan được lọc loại ra.
- Dung dịch chứa NaAlO2, Na2SiO3 và NaOH dư do phản ứng
Al2O3 + 2NaOH dư → 2NaAlO2 [natrti aluminat] + H2O
SiO2 + 2NaOH dư → Na2SiO3 [natri silicat] + H2O
2. Thổi khí CO2 dư vào dung dịch chứa 3 chất trên; rồi lọc tách thu Al[OH]3 tủa
NaAlO2 + CO2 + 2H2O → Al[OH]3 tủa + NaHCO3
3. Lấy Al[OH]3 đem đi nung ở t0 > 1000C, ta thu Al2O3
2Al[OH]3 → Al2O3 + 3H2O
6.3. Điện phân nóng chảy Al2O3 để thu Al
6.3.1. Cách làm
Nguyên tắc: khử ion Al3+ trong Al2O3 thành Al [Al3+ + 3e → Al].
Phương pháp: các chất khử thông thường như C, CO, H2 không đủ khỏe để khử Al3+ thành Al [C, CO, H2 có tính cho e – tính khử không đủ mạnh để chuyển electron vào Al3+] ⇒ nguời ta phải dùng phương pháp ĐIỆN PHÂN NÓNG CHẢY Al2O3 [khi đó, dòng điện một chiều trên cực âm là chất khử rất mạnh].
6.3.2. Trộn criolit vào Al2O3 để làm gì vậy?
Người ta trộn Al2O3 với CRIOLIT 1AlF3.3NaF ⇔ Na3AlF6. Criolit có 3 vai trò:
- Al2O3 nóng chảy ở t0 cao quá, trên 20500C lận!. Khi trộn criolit vào thu đựợc hỗn hợp nóng chảy chỉ ở 900 0C thôi, quá tuyệt vời.
- Tạo dung dịch điện ly chứa nhiều ion ⇒ hỗn hợp dẫn điện tốt hơn ⇔ phản ứng điện phân nhanh hơn.
- Criolit nóng chảy có tỉ khối nhỏ hơn hơn [nhẹ hơn] Al nóng chảy ⇒ criolit nổi lên trên bề mặt Al sản phẩm, tạo lớp áo bao bọc_bảo vệ Al không bị O2 không khí oxi hóa ngược trở lại thành Al2O3 [thì thành công cốc!].
6.3.3. Phương trình điện phân nóng chảy Al2O3
Al2O3 —đpnc→ 2Al [ở catot-cực âm] + 1,5O2 [ở anot-cực dương]
Trong đó:
- Catot xảy ra sự khử [chất oxi hoá Al3+ nhận e]
Al3+ + 3e → Al
- Anot xảy ra sự oxi hoá [chất khử O2- cho e]
2O2– → O2 + 4e
Hạn chế: hai điện cực của bình điện phân làm bằng than chì [cacbon] ⇒ bị O2 sản phẩm đốt cháy cực + tạo khí CO, CO2 …gây nên 2 hậu quả:
- phải thay điện cực + khi bị cháy mòn hết.
- sinh ra khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính.
7. Liên kết hữu ích
Đọc thêm các bài viết về Kim loại và Hóa lớp 12 tại đây.
Nếu có câu hỏi hoặc ý tưởng mới, hãy lưu lại trong phần bình luận bạn nhé. Câu hỏi và ý tưởng của bạn luôn tuyệt vời.
Đừng quên chia sẻ bài viết lên mạng xã hội để nhiều người cùng học nha bạn.