Tính chất hóa học của nhôm và ứng dụng

Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ tư trên Trái đất và là kim loại sử dụng nhiều thứ hai sau sắt. Nhôm và hợp kim nhôm đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống, nó có mặt nhiều trong các vật liệu gần gũi như: Xoong, nồi, lõi dây điện truyền tải điện năng đi xa, các chi tiết trong ô tô, xe máy…Trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp vị trí của nhôm ngày càng được nâng cao. Vì vậy, hôm nay chúng ta sẽ nghiên cứu về tính chất hóa học của nhôm và ứng dụng của nhôm trong cuộc sống ngày nay.

Vị trí và cấu tạo của nhôm

Vị trí

- Thuộc nhóm IIIA, chu kì 3

- Số hiệu nguyên tử: 13

Cấu tạo

- Cấu hình e: [Ne] 3s²3p¹

- Có 3 lớp e ngoài cùng

- Độ âm điện: 1,61

- Số oxi hóa: +3

- Mạng tinh thể: Lập phương tâm diện

Tính chất của nhôm

Tính chất vật lý

- Là kim loại trắng bạc, mềm, dễ dát mỏng và kéo sợi.

- Là kim loại nhẹ (2,7g / cm3) nóng chảy ở nhiệt độ 660C

- Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt (kém hơn đồng, mạnh hơn sắt)

Tính chất hóa học của nhôm

Nhôm là kim loại có tính khử mạnh, nên nó dễ bị oxi hóa thành ion Al3+. Ta có: Al → Al³⁺ +3e

Tác dụng với phi kim

a) Tác dụng với oxi

- Bột Al cháy trong không khí khi được đun nóng cho ngọn lửa màu sáng chói.

2Al + 3O₂ → Al₂O₃

* Lưu ý:

- Al chỉ phản ứng với oxi trên bề mặt (vì tạo ra lớp màng oxit bao phủ bề mặt, bảo vệ và ngăn cản Al tham gia phản ứng tiếp):

- Muốn phản ứng xảy ra hoàn toàn thì phải loại bỏ lớp oxit bao phủ trên bề mặt Al (bằng cách tạo hỗn hống Al - Hg hoặc dùng Al bột đun nóng).

b) Với các phi kim khác

- Nhôm phản ứng được với các phi kim khác → muối.

- Al tự bốc cháy khi tiếp xúc với các halogen:

Ví dụ: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃

- Khi đun nóng, Al tác dụng với bột S:

2Al + 3S → Al₂S₃

Tác dụng với dung dịch axit

a) Với H⁺ (HCl, H₂SO₄ loãng...)

- Al phản ứng dễ dàng → muối + H₂

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 3H₂SO₄ loãng → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

b) Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh: HNO₃ loãng hoặc đặc, H₂SO₄ đậm đặc

- Nhôm tác dụng với HNO₃

M + HNO₃ → M(NO₃)_n + {NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃} + H₂O

Ví dụ: 

Al + 6HNO₃ đặc, nóng → Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

Al + 4HNO₃ loãng → Al(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

- Nhôm tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng

2Al + 6H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

* Lưu ý:

- Al thụ động với H₂SO₄ đặc nguội và HNO₃ đặc nguội → có thể dùng thùng Al để chuyên chở axit HNO₃ đặc nguội và H₂SO₄ đặc nguội.

Phản ứng nhiệt nhôm

- Al khử được oxit của các kim loại đứng sau nhôm ở nhiệt độ cao

Ví dụ:

2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe

2Al + 3CuO → Al₂O₃ + 3Cu

* Lưu ý: khi giải bài tập về phản ứng nhiệt nhôm:

- Nếu hỗn hợp sau phản ứng cho tác dụng với dung dịch kiềm → H₂ thì Al còn dư sau phản ứng nhiệt nhôm hoặc hiệu suất H của phản ứng < 100%

- Nếu hỗn hợp sau phản ứng cho tác dụng với dung dịch kiềm không có khí thoát ra chứng tỏ không dư Al.

- Khối lượng hỗn hợp trước và sau phản ứng không đổi (bảo toàn khối lượng).

Tác dụng với nước

- Al không phản ứng với nước vì được lớp oxit mỏng, bền và đặc khít bảo vệ. Nếu phá bỏ lớp oxit bao phủ bề mặt, Al phản ứng trực tiếp với nước.

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂

* Lưu ý:

- Al(OH)₃ là chất kết tủa dạng keo màu trắng khi sinh ra sẽ bao kín bề mặt của Al kim loại ngăn cách không cho Al tiếp xúc với nước để phản ứng tiếp nữa. Phản ứng này chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết.

Tác dụng với dung dịch bazơ

- Al tham gia phản ứng dễ dàng với các dung dịch kiềm:

2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂

2Al + Ba(OH)₂ + 2H₂O → Ba(AlO₂)₂ + 3H₂

- Cơ chế:

+ Trước tiên, Al tham gia phản ứng với nước:

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂

+ Al(OH)₃ sinh ra là hiđroxit lưỡng tính tan được trong dung dịch kiềm:

Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H­₂O

* Lưu ý:

- Nếu cho hỗn hợp Na, K, Ba, Ca và Al (hoặc Zn) vào nước dư, xảy ra các phản ứng:

2M  + 2H₂O → 2MOH + H₂

MOH + H₂O + Al → MAlO₂ + 3/2H₂

- Trong quá trình giải toán có 2 trường hợp xảy ra:

* Trường hợp 1. Cả kim loại kiềm và Al đều phản ứng hết nếu số mol kim loại kiềm ≥ số mol Al.

* Trường hợp 2. Kim loại kiềm phản ứng hết, Al dư nếu số mol kim loại kiềm < số mol Al.

Tác dụng với dung dịch muối

- Al đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của chúng:

2Al + 3CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3Cu

- Phản ứng với muối nitrat trong môi trường kiềm:

8Al + 3NaNO₃ + 5NaOH + 2H₂O → 8NaAlO₂ + 3NH₃

- Phản ứng với muối nitrat trong môi trường axit (giống phản ứng với HNO₃):

Al + 4H⁺ + NO₃^- → Al³⁺ + NO + 2H₂O

Điều chế nhôm

Nguyên liệu

- Quặng boxit Al₂O₃ có lẫn SiO₂ và Fe₂O₃.

Các giai đoạn điều chế 

- Làm sạch nguyên liệu:

2NaOH + Al₂O₃ → 2NaAlO₂ + H­₂O

2NaOH + SiO₂ → Na₂SiO₃ + H₂O

NaAlO₂ + CO₂ + 2H₂O → NaHCO₃ + Al(OH)₃

NaOH + CO₂ → NaHCO₃

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

- Điện phân nóng chảy Al₂O₃ có mặt criolit Na₃AlF₆ (hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃từ 2050⁰C xuống 900⁰C; tăng độ dẫn điện do tạo thành nhiều ion hơn; tạo lớp bảo vệ không cho O₂ phản ứng với Al nóng chảy):

2Al₂O₃ → 4Al + 3O_­2

Ứng dụng của nhôm

Nhôm có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Kim loại này được 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,… 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. Ngoài ra, Ứng dụng của nhôm trong y học cũng là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển.

Thực hành thêm:

• Bài tập phản ứng nhiệt nhôm.

Chúng ta vừa tìm hiểu về nhôm và một số ứng dụng của nhôm trong cuộc sống hiện tại, qua đó chúng ta có thể thấy nhôm đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sinh hoạt cũng như trong công nghiệp. Trên đây chủ yếu là một số lý thuyết về một số tính chất hóa học của nhôm. Các em sẽ cùng luyện tập về những tính chất hóa học này trong bài tiếp theo nhé. Chúc các em học tốt!