Nhôm | Khái niệm hoá học

1. Tính chất vật lí và ứng dụng

Nhôm là kim loại kết tinh trong hệ lập phương tâm diện. Nó là kim loại màu trắng bạc. Khi để trong không khí trở nên xám vì có màng oxit mỏng đã được tạo nên ở trên bề mặt. Nhôm nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp, 650oC và sôi ở nhiệt độ cao 2467oC.

Nhôm lỏng rất nhớt, độ nhớt đó giảm xuống khi có thêm những lượng nhỏ Mg hay Cu, cho nên trong hợp kim đúc của nhôm luôn luôn có Cu. Ở nhiệt độ thường 20oC nhôm tinh khiết khá nềm, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Lá nhôm mỏng được dùng làm tụ điện, lá nhôm rất mỏng (dày 0,005mm) được dùng để gói bánh, kẹo và dược phẩm. Ở trong khoảng nhiệt độ 100-150oC, nhôm tương đối dẻo và dễ chế hóa cơ học nhưng đến khoảng 600oC, trở nên ròn dễ nghiền thành bột.

Nhôm là kim loại dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn điện của nhôm bằng 0,60 độ dẫn điện của đồng nhưng nhôm rất nhẹ (tỉ khối là 2,7), nhẹ hơn đồng ba lần cho nên càng ngày càng được dùng thay thế đồng làm dây dẫn. Nhờ dẫn nhiệt tốt, nhôm còn được dùng để làm thiết bị trao đổi nhiệt trong công nghiệp và làm dụng cụ nhà bếp.

Bề mặt của nhôm rất trơn bóng, có khả năng chiếu tốt ánh sáng và nhiệt. Bởi vậy người ta thường dùng nhôm chứ không dùng bạc để mạ lên gương của những kính viễn vọng phản chiếu. Nhôm được dùng làm những ống dẫn dầu thô, bể chứa và thùng xitec như là một vật liệu cách nhiệt đảm bảo cho dầu hay những chất lỏng khác đựng trong bể và thùng không bị đốt nóng bởi bức xạ mặt trời.

Nhôm có khả năng tạo nên hợp kim với nhiều nguyên tố khác. Những hợp kim quan trọng nhất của nhôm là duyara, slilumin và macnhali. Những hợp kim đó, ngoài ưu điểm là nhẹ tương đương nhôm còn có những tính chất cơ lí tốt hơn nhôm. Duyara chứa 94%Al, 4% Cu, 2% Mn, Mg, Fe và Si, cứng và bền như thép mềm, được dùng chủ yếu trong công nghiệp oto và máy bay. Silumin chứa 85%Al, 10-14% Si và 0,1% Na, rất bền và rất dễ đúc, được dùng chủ yếu sản xuất động cơ máy bay, động cơ tàu thủy. Gần đây người ta đã thiết kế oto điện làm bằng nhôm thay cho thép vừa tiêu tốn ít điện vừa chở được nhiều hành khách.

2. Tính chất hóa học

Khác với bo, nhôm là kim loại hoạt động vì có bán kính nguyên tử lớn hơn hẳn bo. Tuy nhiên ở điều kiện thường, bề mặt của nhôm bị bao bọc bởi màng oxit rất mỏng (đến 0,00001 mm) và bền làm cho nhôm trở nên kém hoạt động, ví dụ như thực tế không bị gỉ ở trong không khí, bền đối với nước...

Dây nhôm hay lá nhôm dày không cháy khi đốt mạnh mà nóng chảy trong màng oxit tạo thành những túi, bên trong túi là nhôm lỏng và bên ngoài là oxit. Lá nhôm rất mỏng hoặc bột nhôm khi được đốt nóng có thể cháy phát ra ánh sáng chói và nhiều nhiệt

4Al + 3O₂ $\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to }$2Al₂O₃

Bởi vậy việc sản xuất bột nhôm thường gặp nguy hiểm: dễ bốc cháy và gây nổ.

Tấm nhôm, đã được nhúng vào dung dịch muối thủy ngân hoặc kim loại thủy ngân khi để trong không khí ở nhiệt độ thường sẽ bị oxi hóa hoàn toàn vì trong trường hợp này nó không được màng oxit bảo vệ nữa.

Nhôm mọc lông tơ

Do có ái lực lớn với oxi, nhôm là chất khử mạnh. Ở nhiệt độ cao, nhôm khử dễ dàng nhiều oxit kim loại đến kim loại tự do

2Al + Cr₂O₃ $\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to }$Al₂O₃ + 2Cr

2Al + Fe₂O₃ $\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to }$Al₂O₃ + 2Fe

Trên thực tế, người ta dùng bột nhôm để điều chế những kim loại khó bị khử và khó nóng chảy như Cr, Fe, Mn, Ni, Ti, Zr, V.

Phương pháp dùng nhôm để khử oxit kim loại điều chế kim loại được gọi là phương pháp nhiệt - nhôm. Bằng phương pháp nhiệt nhôm, người ta thường dùng hỗn hợp 25%Fe₃O₄ và 75% Al để hàn nhanh và ngay tại những chi tiết bằng sắt. Khi cháy, hỗn hợp đó có thể cho nhiệt độ lên đến 2500^oC.

Nhôm tương tác với clo, brom ở nhiệt độ thường và iot khi đun nóng, với nitơ , lưu huỳnh và cacbon ở nhiệt độ khá cao (700-800^oC) và không tương tác với hidro.

2Al + 3Br₂ $\stackrel{700-{800}^{\mathrm{o}}\mathrm{C}}{\to }$2AlBr₃

Nhôm tuy có tổng các năng lương ion hóa thứ nhất, hai và ba khá lớn nhưng nhờ ion Al³⁺ có nhiệt hidrat hóa rất âm cho nên nhôm kim loại dễ chuyển sang dạng ion Al³⁺.

Có thế điện cực tương đối thấp như vậy, về nguyên tắc nhôm dễ dàng đẩy hidro ra khỏi nước và axit. Nhưng thực tế vì bị màng oxit bền bảo vệ, nhôm không tác dụng với nước khi nguội và khi đun nóng, không tác dụng với dung dịch loãng của axit H₃PO₄ và CH₃COOH. Nhôm chỉ tan dễ dàng trong các dung dịch HCl và H₂SO₄, nhất là khi đun nóng. Phản ứng chung của nhôm tan trong dung dịch axit là 

2Al + 6H₃O⁺ + 6H₂O $\to$2[Al(H₂O)₆]³⁺ + 3H₂

Trong axit nitric đặc và nguội, nhôm không những không tan mà còn bị thụ động hóa, nghĩa là sau khi đã tiếp xúc với axit nitric đặc, nhôm sẽ không tan trong dung dịch loãng của axit HCl và H₂SO4 nữa. Trên thực tế, người ta dùng nhôm làm xitec đựng axit HNO₃ đặc. Nhôm cũng không tác dụng với dung dịch axit nitric rất loãng mà dễ tan trong dung dịch có nồng độ trung bình, nhất là khi đun nóng

Giống như Be, nhôm có thể tan trong dung dịch kiềm mạnh để giải phóng hidro

2Al + 2OH^- + 6H₂O $\to$2[Al(OH)₄]^- + 3H₂

3. Trạng thái tự nhiên và phương pháp điều chế

Nhôm là một trong những nguyên tố phổ biến nhất, chiếm khoảng 5,5% tổng số nguyên tử trogn vỏ TĐ, đứng vào hàng thứ tư sau các nguyên tố O, H, Si. Về mặt lịch sử địa hóa học, nhôm gắn liền mật thiết với oxi và silic. Phần lớn nhôm tập trung vào các alumosilicat, ví dụ như orthoclase (K₂O.Al₂O₃.6SiO₂), mica (K₂O.2H₂O.3Al₂O₃.6SiO₂), nefelin [(Na, K)₂O.Al₂O₃.2SiO₂]. Một sản phẩm rất phổ biến của quá trình phân hủy các nham thcachj tạo nên bởi alumosilicat là cao lanh gồm chủ yếu khoảng sét caolinit (Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O).

Hai khoáng vật quan trọng nhất đối với công nghiệp của nhôm là boxit (Al₂O₃.xH₂O) và criolit (Na₃[AlF₆]). Boxit là sản phẩm phân hủy của đất sét ở trong điều kiện khí hậu nhiệt đới hoặc nửa nhiệt đới. Nước ta có một trữ lượng lớn boxit rải rác ở nhiều tỉnh Lạng Sơn, Hà Tuyên, Sơn La...

Boxit

Nhôm được sản xuất với quy mô công nghiệp vào cuối thế kỉ thứ 19. Trước đó người ta điều chế nhôm bằng cách dùng kim loại kiềm khử muối nhôm clorua khan hoặc muối natri tetracloroalumilat ở trạng thái nóng chảy

AlCl₃ + Na $\to$Al + 3NaCl

NaAlCl₄ + 3Na $\to$Al + 4NaCl

Bởi vậy giá thành của nhôm cao đến nỗi nhôm chỉ được dùng để làm đồ trang sức

Ngày nay, 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, Fe₂O₃. Bằng phương pháp hóa học, người ta loại bỏ các tạp chất để có Al₂O₃ nguyên chất.

- Công đoạn nhiệt 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) làm bằng 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 $\to$Al

Ở cực dương xảy ra sự oxi hóa O₂^- thành O₂

2O^{2- _$\to$}O₂ + 4e

Phương trình điện phân nóng chảy 

2Al₂O₃$\stackrel{\mathrm{đpnc}}{\to }$ 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 2kg Al₂O₃ và 0,5kg C tiêu hao ở cực dương.