Lý thuyết kim loại nhôm

Đăng bởi: thuannam Đăng trong mục: Tin tổng hợp Số lượng truy cập: 145 Bình luận: 0

Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ, vì có một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí. Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ. Nó cũng không nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường.Sức bền của nhôm tinh khiết là 7–11 MPa, trong khi hợp kim nhôm có độ bền từ 200 MPa đến 600 MPa. Các nguyên tử nhôm sắp xếp thành một cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc). Nhôm có năng lượng xếp lỗi vào khoảng 200 mJ/m2

Nhôm (bắt nguồn từ tiếng Pháp: aluminium, phiên âm tiếng Việt: a-luy-mi-nhôm) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13. Nguyên tử khối bằng 27 đvC. Khối lượng riêng là 2,7 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy là 660oC. Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 (sau ôxy và silic), và là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất. Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất. Kim loại nhôm hiếm phản ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các môi trường khử cực mạnh. Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau.Quặng chính chứa nhôm là bô xít.

Nhôm có điểm đáng chú ý của một kim loại có tỷ trọng thấp và có khả năng chống ăn mòn hiện tượng thụ động. Các thành phần cấu trúc được làm từ nhôm và hợp kim của nó là rất quan trọng cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và rất quan trọng trong các lĩnh vực khác của giao thông vận tải và vật liệu cấu trúc. Các hợp chất hữu ích nhất của nhôm là các ôxít và sunfat.

Mặc dù nó có mặt phổ biến trong môi trường nhưng các muối nhôm không được bất kỳ dạng sống nào sử dụng. Với sự phổ biến của nó, nhôm được dung nạp tốt bởi thực vật và động vật.

I. VỊ TRÍ TRONG BẢNG TUẦN HOÀN

- Cấu hình e nguyên tử: 13Al: 1s22s22p63s23p1 

- Vị trí: Al thuộc ô 13, chu kì 3, nhóm IIIA.

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

- Mạng lập phương tâm diện, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt; t0nc = 6600C .

- Màu trắng bạc, khá bền và dai, dễ kéo sợi và dát mỏng, nhẹ (D = 2,7).

- Một số hợp kim của nhôm:

     + Đuyra (95% Al; 4% Cu; 1% Mg, Mn, Si): nhẹ bằng 1/3 thép, cứng gần bằng thép.

     + Silumin (gần 90% Al; 10% Si): nhẹ, bền.

     + Almelec (98,5% Al; còn lại là Mg, Si và Fe) dùng làm dây cáp.

     + Hợp kim electron (10,5% Al; 83,3% Mg còn lại là Zn, Mn...): chỉ nặng bằng 65% Al lại bền hơn thép, chịu được sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ trong một giới hạn lớn nên được dùng làm vỏ tên lửa.

III. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

     Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ quả đất. Trong tự nhiên, Al có trong:

- Đất sét: Al2O3.2SiO2.2H2O.

- Mica: K2O.Al2O3.6SiO2.2H2O.

- Boxit: Al2O3.nH2O.

- Criolit: 3NaF.AlF3 hay (Na3AlF6).

IV. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

     Có tính khử mạnh:                 

Al → Al3+ + 3e

1. Tác dụng với các phi kim

a. Với oxi

- 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):        

2Al + 3O2 → Al2O3

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

- 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:                                   

2Al + 3X2 → 2AlX3

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

2Al + 3S → Al2S3

- Khi nhiệt độ rất cao, Al kết hợp với C và N2:                                  

4Al + 3C → Al4C3 (8000C)

2. 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

- 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.

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

- Al khử được oxit của các kim loại đứng sau nó:                 

2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe

- Những 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).

     + Vận dụng bảo toàn electron.

4. 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: HNOloãng hoặc đặc, H2SO4 đậm đặc

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

Al + 6HNO3 → Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

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

Chú 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 của Al với dung dịch HNO3 có thể tạo thành muối amoni.

5. 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

Quá trình này lặp đi lặp lại đến hết.

- Chú 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.

6. 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

V. ĐIỀU CHẾ

1. Nguyên liệu

     Quặng boxit Al2O3 có lẫn SiO2 và Fe2O3.

2. 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 + 3O­2

VI. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NHÔM

1. Nhôm oxit Al2O3

- Chất rắn màu trắng, không tan và không tác dụng với nước, rất bền vững, nóng chảy ở 20500C.

- Tồn tại ở dạng khan (emeri, corindon, rubi (lẫn Cr2O3), saphia (lẫn TiO2 và Fe3O4) hoặc dạng ngậm nước (boxit).

a. Tính chất hóa học

- Tính bền: Al2O3 không bị khử bởi H2, CO ở nhiệt độ cao; Al2O3 tác dụng với C không cho Al kim loại mà tạo Al4C3:                         

Al2O3 + 9C → Al4C3 + 6CO (> 20000C)

- Tính lưỡng tính:

     + Al2O3 là oxit bazơ khi tác dụng với axit mạnh → muối + H2O.

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O

     + Al2O3 là oxit axit khi tác dụng với dung dịch bazơ mạnh → muối + H2O.

Al2O3 + 2NaOH → NaAlO2 + H2O     

hay

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]

Al2O3 + 2OH- → 2AlO2- + H2O

b. Điều chế

     Nhiệt phân Al(OH)3:              

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

2. Nhôm hiđroxit Al(OH)3

     Là chất kết tủa keo, màu trắng.

a. Tính chất hóa học

- Kém bền với nhiệt:                                      

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O (t0)

- Là hiđroxit lưỡng tính:

     + Tác dụng với axit mạnh:                             

Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3HO

     + Tác dụng với dung dịch kiềm mạnh:          

Al(OH)3 + KOH → KAlO2 + 2H2O

Al(OH)3 + KOH → K[Al(OH)­4]

b. Điều chế

- Kết tủa Al3+:

Al3+ + 3OH- (vừa đủ) → Al(OH)3

Al3+ + 3NH3 + 3H2O → Al(OH)3 + 3NH4+

- Kết tủa AlO-:

AlO2- + CO2 + 2H2O → Al(OH)3 + HCO3-

AlO2- + H+ (vừa đủ) + H2O → Al(OH)3

3. Muối nhôm (hay gặp: phèn chua: K2SO4, Al2(SO4)3.24H2O hay KAl(SO4)2.12H2O)

- Các dung dịch AlCl3, Al2(SO4)3 và Al(NO3)3 đều là các axit theo Bronstet có môi trường axit:

AlCl3 → Al3+ + 3Cl-

Al3+ + 3H2O ↔ Al(OH)3 + 3H+

→ Giải thích được sự thủy phân của muối Al trong các dung dịch có tính bazơ:

2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3 + 6NaCl + 3CO2 

     Phản ứng với dung dịch kiềm: (chú ý cách thức và tỷ lệ phản ứng)

Al3+ + 3OH- → Al(OH)3

Al3+ + 4OH- → [Al(OH)4-

Al(OH)3 + 3OH→ [Al(OH)4-

- Các muối aluminat NaAlO2, KAlO2, Ba(AlO2)2 và Ca(AlO2)2 đều là bazơ dung dịch có môi trường bazơ.

AlO2- + 3H2O  ↔ Al(OH)3 + 3OH-

AlO2- + H+ + H2O → Al(OH)3

Al(OH)3 + 3H+ → Al3+ + 3H2O

Từ khóa:

Để lại Bình luận

Mã Captcha