Vì sao nhôm có tính lưỡng tính

A. Nhôm

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

Nhôm (Al) ở ô số 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3 của bảng tuần hoàn.

Cấu hình electron nguyên tử: 1s22s22p63s23p1; viết gọn là [Ne]3s23p1.

Nhôm dễ nhường cả 3 electron hóa trị nên có số oxi hóa +3 trong các hợp chất.

II. Tính chất vật lí

Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nóng chảy ở 660oC, khá mềm, dễ kéo sợi, dễ dát mỏng. Có thể dát được những lá nhôm mỏng 0,01 mm dùng làm giấy gói kẹo, gói thuốc lá,...

Nhôm là kim loại nhẹ (D = 2,7 g/cm3), dẫn điện tốt (gấp 3 lần sắt, bằng 2/3 lần đồng) và dẫn nhiệt tốt (gấp 3 lần sắt).

III. Tính chất hóa học

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

$Al \to A{l^{3 + }} + 3e$

1. Tác dụng với phi kim

Nhôm khử dễ dàng các nguyên tử phi kim thành ion âm.

- Tác dụng với halogen:

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

- Tác dụng với oxi

Khi đốt, bột nhôm cháy trong không khí với ngọn lửa sáng chói, tỏa nhiều nhiệt.

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

2. Tác dụng với axit

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

- Nhôm tác dụng mạnh với dung dịch HNO3 loãng, HNO3 đặc, nóng và H2SO4 đặc, nóng. Trong các phản ứng này, Al khử $\mathop N\limits^{ + 5} $ hoặc $\mathop S\limits^{ + 6} $ xuống số oxi hóa thấp hơn.

- Nhôm bị thụ động bởi dung dịch axit HNO3 đặc, nguội hoặc H2SO4 đặc, nguội nên có thể dùng thùng nhôm để chuyên chở những axit đặc, nguội này.

3. Tác dụng với oxit kim loại

Ở nhiệt độ cao, Al khử được nhiều ion kim loại trong oxit.

Thí dụ phản ứng giữa bột nhôm và sắt oxit gọi là phản ứng nhiệt nhôm. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra lớn làm sắt nóng chảy nên phản ứng này được dùng để điều chế một lượng nhỏ sắt nóng chảy khi hàn đường ray.

4. Tác dụng với nuớc

Nếu phá bỏ lớp oxit trên bề mặt nhôm (hoặc tạo thành hỗn hống Al - Hg), thì nhôm sẽ tác dụng với nước ở nhiệt độ thường.

Nhôm không tác dụng với nước, dù ở nhiệt độ cao là vì trên bề mặt của nhôm được phủ kín một lớp Al2O3 rất mỏng, bền và mịn, không cho nước và khí thấm qua.

5. Tác dụng với dung dịch kiềm

Al2O3 là oxit lưỡng tính nên lớp màng mỏng Al2O3 trên bề mặt nhôm tác dụng với dung dịch kiềm tạo ra muối tan. Khi không còn màng oxit bảo vệ, nhôm sẽ tác dụng với nước tạo ra Al(OH)3 và giải phóng khí H2; Al(OH)3 là hiđroxit lưỡng tính nên tác dụng tiếp với dung dịch kiềm.

Như vậy, nhôm có thể tan trong dung dịch kiềm và giải phóng khí hiđro.

IV. Ứng dụng và trạng thái tự nhiên

1. Ứng dụng

- Nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là nhẹ, bền đối với không khí và nước nên được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô, tên lửa, tàu vũ trụ.

- Nhôm và hợp kim của nhôm có màu trắng bạc, đẹp nên được dùng trong xây dựng nhà cửa và trang trí nội thất.

- Nhôm nhẹ, dẫn điện tốt nên được dùng làm dây dẫn điện thay cho đồng. Do dẫn nhiệt tốt, ít bị gỉ và không độc nên nhôm được dùng làm dụng cụ nhà bếp.

- Bột nhôm trộn với bột sắt oxit (gọi là hỗn hợp tecmit) để thực hiện phản ứng nhiệt nhôm dùng hàn đường ray.

2. Trạng thái tự nhiên

Nhôm là kim loại hoạt động mạnh nên trong tự nhiên chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Nhôm là nguyên tố đứng hàng thứ ba sau oxi và silic về độ phổ biến trong vỏ Trái Đất. Hợp chất của nhôm có mặt khắp nơi, như có trong đất sét (Al2O3.2SiO2.2H2O), mica (K2O.Al2O3.6SiO2), boxit (Al2O3.2H2O), criolit (3NaRAlF3),...

V. Sản xuất nhôm

Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nhôm oxit nóng chảy.

1. Nguyên liệu

Nguyên liệu là quặng boxit Al2O3.2H2O. Boxit thường lẫn tạp chất là Fe2O3 và SiO2. Sau khi loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hóa học thu được Al2O3 gần nguyên chất.

2. Điện phân nhôm oxit nóng chảy

Nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 rất cao (2050oC), vì vậy phải hòa tan Al2O3 trong criolit nóng chảy để hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống 900oC.

- Quá trình điện phân:

Cực âm (catot) của thùng điện phân là một tấm than chì nguyên chất được bố trí ở đáy thùng. Ở catot xảy ra quá trình khử ion Al3+ thành Al.

Nhôm nóng chảy được định kì tháo ra từ đáy thùng.

Cực dương (anot) cũng là những khối than chì lớn. Ở anot xảy ra quá trình oxi hoá ion O2- thành khí O2.

Khí O2 ở nhiệt độ cao đốt cháy C thành khí CO và CO2. Vì vậy, sau một thời gian phải thay thế điện cực dương.

B. Một số hợp chất quan trọng của nhôm

I. Nhôm oxit

1. Tính chất

Nhôm oxit (Al2O3) là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước và không tác dụng với nước, nóng chảy ở trên 2050oC.

Nhôm oxit là oxit lưỡng tính, vừa tác dụng với axit, vừa tác dụng với bazơ.

2. Ứng dụng

Trong tự nhiên, nhôm oxit tồn tại dưới dạng ngậm nước và dạng khan.

- Dạng oxit ngậm nước là thành phần chủ yếu của quặng boxit (Al2O3.2H2O) dùng để sản xuất nhôm.

- Dạng oxit khan, có cấu tạo tinh thể là đá quý ít phổ biến, thường gặp là:

• Corinđon ở dạng tinh thể trong suốt, không màu, rất rắn, được dùng để chế tạo đá mài, giấy nhám,...
• Trong tinh thể Al2O3, nếu một số ion Al3+ được thay bằng ion Cr3+ ta có hồng ngọc dùng làm đồ trang sức, chân kính đồng hồ và dùng trong kĩ thuật laze.
• Tinh thể Al2O3 có lẫn tạp chất Fe2+, Fe3+ và Ti4+ ta có saphia dùng làm đồ trang sức.
• Bột nhôm oxit dùng trong công nghiệp sản xuất chất xúc tác cho tổng hợp hữu cơ.

II. Nhôm hiđroxit

Nhôm hiđroxit (Al(OH)3) là chất rắn, màu trắng, kết tủa ở dạng keo.

Al(OH)3 là hiđroxit lưỡng tính.

Nhôm hiđroxit thể hiện tính bazơ trội hơn tính axit. Do có tính axit nên nhôm hiđroxit còn có tên là axit aluminic. Axit aluminic là axit rất yếu, yếu hơn axit cacbonic.

III. Nhôm sunfat

Muối nhôm sunfat khan tan trong nước tỏa nhiệt làm dung dịch nóng lên do bị hiđrat hóa.

Muối nhôm sunfat có nhiều ứng dụng nhất là muối sunfat kép của nhôm và kali ngậm nước gọi là phèn chua, công thức: K2SO4.Al2(SO4)3. 24H2O, hay viết gọn là: KAl(SO4)2.2H2O. Phèn chua được dùng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong ngành nhuộm vải, chất làm trong nước,...

Trong công thức hóa học trên, nếu thay ion K+ bằng Li+, Na+ hay NH4+ ta được các muối kép khác có tên chung là phèn nhôm (nhưng không gọi là phèn chua).

IV. Cách nhận biết ion Al3+ trong dung dịch

Cho từ từ dung dịch NaOH đến dư vào dung dịch thí nghiệm, nếu thấy có kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong NaOH dư thì chứng tỏ có ion Al3+.

Page 2

SureLRN

Nhôm là một chất quá quen thuộc và có thể dễ dàng bắt gặp trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. 

Vậy…

1. Nhôm có đặc điểm thế nào?
2. Tính chất của nhôm ra sao và ứng dụng của nó là gì?

Tất cả những thắc mắc đó sẽ được giải đáp trong bài viết về nhôm dưới đây, hãy cùng tìm hiểu nhé!

Định nghĩa nhôm là gì?

Nhôm (bắt nguồn từ tiếng Pháp: aluminium, phiên âm tiếng Việt: a-luy-mi-nhôm) là tên của một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13.

Nhôm thuộc kim loại, có màu sắc trắng ánh bạc, mềm và nhẹ. Nhôm có độ phản chiếu cao cũng như có tính dẫn nhiệt và dẫn điện lớn. Nhôm là kim loại không độc và có tính chống mài mòn. Nhôm cũng là kim loại có nhiều thành phần nhất.

Trong tự nhiên rất khó để tìm được nhôm nguyên chất, thông thường kim loại này được tìm thấy khi được kết hợp cùng oxygen cùng với những nguyên tố khác. Người ta vẫn thường gọi là hợp kim nhôm trong cuộc sống hàng ngày.

Đặc điểm của nhôm

Trong bảng tuần hoàn hóa học, nhôm ở vị trí số 13, chu kỳ 3 và thuộc nhóm IIIA. Đây là một chất thường thấy trong tự nhiên. Vậy ở trạng thái tự nhiên, nhôm thường ở những dạng nào và tính chất vật lý của nó ra sao?

Trạng thái tự nhiên của nhôm

Nhôm là kim loại thường thấy phía bên trong vỏ trái đất (chiếm khoảng 8%). Trong tự nhiên, nhôm thường có trong các hợp chất như đất sét, boxit hay criolit.

Cụ thể:

1. Trong đất sất sét, nhôm thuộc hợp chất: Al2O3.2Sio2.2H2O.
2. Trong mica: K2O.Al2O3.6Sio2.2H2O.
3. Trong Boxit: Al2O3.nH2O.
4. Trong criolit Criolit: 3NaF.AlF3 hay (Na3AlF6).

Tính chất vật lý của nhôm

Đặc điểm của nhôm là có cấu trúc mạng lập phương tâm diện. Ngoài ra, khi nhắc tới tính chất của nhôm, và cụ thể là tính chất vật lý, ta không thể không nhắc tới tính dẫn điện của nhôm hay dẫn nhiệt tốt của hợp chất này. Nhôm nóng chảy ở nhiệt độ 660oC.

Bằng mắt thường, ta có thể thấy nhôm có màu trắng bạc, cứng, bền và dai. Người ta có thể dễ dàng kéo sợi hay dát mỏng nhôm. Khối lượng riêng của nhôm là 2,7 g/cm3.

Vai trò và tính chất của nhôm ứng dụng trong cuộc sống

Tính chất hóa học và hợp chất có trong nhôm

Những tính chất hóa học của nhôm cơ bản dưới đây sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nhôm phản ứng được với chất nào và trong nhôm có những hợp chất nào nhé.

Tác dụng với các phi kim

Trên thực tế, các vật liệu được làm từ nhôm đều có một lớp oxit bảo vệ trên bề mặt. Nhôm phản ứng được với oxi trên bề mặt. Vì khi phản ứng, nhôm sẽ tạo ra một lớp màng oxit bao phủ bề mặt. Qua đó bảo vệ và ngăn cản nhôm tác dụng với oxi để tạo ra oxit.

Al2O3 là một oxit lưỡng tính, vì thế tính chất hóa học của Al2O3 sẽ thuộc dạng một oxit lưỡng tính. Tức là nó có thể phản ứng với cả axit và bazơ.

Bên cạnh đó, nhôm còn phản ứng được với các phi kim khác để tạo ra muối.

Ví dụ:

1. 2Al + 3Cl2 => 2AlCl3
2. ​2Al + 3S => Al2S3

Tác dụng với nước

Trên thực tế, Al sẽ không phản ứng được với nước vì được bảo vệ bởi lớp oxit mỏng. Khi lớp oxit được phá bỏ, nguyên tố al phản ứng trực tiếp với nước.

2Al + 6H2O => 2Al(OH)3 + 3H2

Tác dụng với oxit của kim loại kém hoạt động hơn (phản ứng nhiệt nhôm)

Al có thể khử được oxit của các kim loại đứng sau nó trong dãy hoạt động hóa học: 2Al + 3FeO => Al2O3 + 3Fe

Tác dụng với dung dịch axit

Với các axit khác nhau, nhôm sẽ có phản ứng khác nhau.

Cụ thể:

1. Với các axit HCl và H2SO4 loãng, nhôm có thể dễ dàng phản ứng và tạo ra muối và hidro: 2Al + 6HCl => 2AlCl3 + 3H2
2. Với H2SO4 loãng: 2Al + 3H2SO4 => Al2(SO4)3 + 3H2
3. Với các axit có tính oxi hóa mạnh như HNO3 hoặc H2SO4 đậm đặc:
   1. Al + 4HNO3 => Al(NO3)3 + NO + 2H2O
   2. Al + 6HNO3 => Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
   3. 2Al + 6H2SO4 => Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Tác dụng với dung dịch bazơ

Al có thể dễ dàng tham gia những phản ứng với các dung dịch kiềm: Al + NaOH + H2O => NaAlO2 + 1,5 H2

Trước tiên, Al tham gia phản ứng với nước sau đó sẽ sinh ra Al(OH)3. Đây là một hidroxit lưỡng tính có thể tan được trong dung dịch kiềm.

Tác dụng với dung dịch muối

Al có thể đẩy được kim loại đứng sau trong dãy hoạt động kim loại ra khỏi dung dịch muối của chúng: 2Al + 3CuSO4 => Al2(SO4)3 + 3Cu

Phản ứng nhiệt nhôm

Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học toả nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở nhiệt độ cao. Ví dụ nổi bật nhất là phản ứng nhiệt nhôm giữa oxit sắt III và nhôm:

• Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

Một số phản ứng khác như:

• 3CuO+ 2Al → Al2O3 + 3Cu
• 8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe
• 3Mn3O4 + 8 Al → 4 Al2O3 + 9 Mn
• Cr2O3 + 2 Al→ Al2O3 + 2 Cr

Phản ứng này lần đầu tiên được sử dụng để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon. Phản ứng này toả nhiệt rất cao, nhưng nó có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn phải được phá vỡ trước. Oxit kim loại được đun nóng với nhôm trong một lò đun. Phản ứng này chỉ có thể sử dụng để sản xuất số lượng nhỏ vật liệu.

Phản ứng nhiệt nhôm còn được sử dụng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm hay Von farm). Do tính chất thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội, người ta sẽ sử dụng thùng nhôm để chuyên chở hai loại axit này.

Người ta thường sử dụng các phản ứng này để hàn đường sắt tại chỗ, hữu ích cho việc cài đặt phức tạp hoặc sửa chữa tại chỗ mà không thể được thực hiện bằng cách sử dụng cách hàn đường sắt liên. Phản ứng nhiệt nhôm cũng được sử dụng để sản xuất phần lớn hợp kim sắt, ví dụ như ferroniobium từ niobium pentoxit và ferrovanadium từ Vanadi oxit. Các kim loại khác cũng được sản xuất bằng phương pháp này.

Ứng dụng và điều chế nhôm

Điều chế nhôm

Hiện nay, cách điều chế chủ yếu nhất là tách nhôm trong quặng boxit nhôm có lẫn SiO2 và Fe2O3.

Trước tiên, người ta sẽ làm sạch nguyên liệu bằng cách cho phản ứng với dung dịch kiềm để tách riêng Al2O3. Sau đó dùng bình điện phân, điện phân nóng chảy Al2O3 có mặt criolit Na3AlF6. Để thực hiện việc này, ta cần hạ nhiệt độ nóng chảy tử 2050 xuống 900oC để tạo thành nhiều ion ngăn không cho oxi phản ứng lại với nhôm để tạo ra lớp oxit bảo vệ.

Ứng dụng của nhôm

Nhôm có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Kim loại này được các thương hiệu nhôm tại Việt Nam dùng để tạo thành vỏ máy bay do độ bền chắc và mỏng nhẹ của nó. Nhôm cũng được dùng để sản xuất các thiết bị và dụng cụ sinh hoạt như nồi, chảo, các đường dây tải điện, các loại cửa,…

Nhà máy nhôm Hondalex

Chúng ta dễ dàng có thể thấy rằng nhôm được phổ biến và ứng dụng rất nhiều trong đời sống chẳng hạn như:

Trong ngành xây dựng

Ngành xây dựng sẽ được ứng dụng nhôm làm:

• Cửa đi chính
• Cửa sổ
• Khung sườn nhôm
• Vách ngăn
• Mặt dựng
• Mái hiên
• …

Trong ngành công nghiệp

Ứng dụng nhôm trong ngành công nghiệp sẽ liên quan đến:

• Khung máy
• Thùng xe tải
• Thanh tản nhiệt
• …

Trong hàng tiêu dùng

Ngoài ra, chất liệu nhôm áp dụng trong một số hàng tiêu dùng như:

• Tủ trưng bày
• Thanh treo màn
• Bảng treo tường
• Thang
• Giường
• Bàn ghế nhôm
• …

Từ các vật dụng trong đời sống đến những công trình xây dựng đều sử dụng vật liệu nhôm là chủ yếu, nhất là đối với nhôm nhật bản. Không những vậy, ứng dụng của nhôm trong y học cũng là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển.

Vậy là chúng ta đã tìm hiểu xong về những tính chất của nhôm cũng như ứng dụng và vai trò của nó rồi. Đây là một kim loại phổ biến và có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống. Nếu có bất cứ thắc mắc nào về kim loại này cũng như có thêm đóng góp gì cho bài viết tính chất của nhôm, mời bạn để lại nhận xét bên dưới nhé!