Chuyên đề Al, Crom, Zn.

Chia sẻ: Nguyen Tran Khuong Nha | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

315
lượt xem 109
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Để đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng học tập va khả năng phát huy tìm tòi, học hỏi của mình, chúng em biên soạn quyển sổ tự học với chuyên đề NHÔM – CROM – KẼM. Quyển sổ đặc biệt có ích cho chúng em cho việc học tập để chuẩn bị cho các kì thi học sinh giỏi và học kì. Nội dung quyển sổ được biên soạn theo thứ tự các chương, mỗi chương gồm 4 phần: A. Tóm tắt lý thuyết – phần này giới thiệu kiến thức hóa học bổ ích nhằm cung cấp thêm thông...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề Al, Crom, Zn.

LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng học tập va khả năng phát huy tìm tòi, học hỏi của mình, chúng em biên soạn quyển sổ tự học với chuyên đề NHÔM – CROM – KẼM. Quyển sổ đặc biệt có ích cho chúng em cho việc học tập để chuẩn bị cho các kì thi học sinh giỏi và học kì. Nội dung quyển sổ được biên soạn theo thứ tự các chương, mỗi chương gồm 4 phần: Tóm tắt lý thuyết – phần này giới thiệu kiến thức hóa học bổ ích A. nhằm cung cấp thêm thông tin cho bạn đọc, làm cơ sở trả lời các bài tập trắc nghiệm khách quan một cách chính xác và nhanh gọn. Bài tập tự luận – nhằm kiểm tra khả năng lặp luận, vận dụng kiến B. thức trong quá trình giải bài tập từ dễ đến khó Bài tập trắc nghiệm – mỗi chương được biên soạn 100 bài tập nhằm C. củng cố kiến thức và giải nhanh các bài tập. Bảng đáp án và hướng dẫn giải – tất cả các bài tập đều có đáp số và D. hướng dẫn chi tiết với những bài khó Nhân dịp này, chúng em xin được bày tỏ sự chân thành tới cô Nguyễn Hoàng Oanh, Cô Lê Trương Kim Phượng và các bạn đã tiếp sức cho em hoàn thành quyển này. Chúng em mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp, xây dựng từ phía cô và các bạn để chất lượng quyển sổ càng được nâng cao Người thực hiện: Nguyễn Trần Khương Nhã Nguyễn Thị Kiều Anh Nguyễn Trọng Nghĩa Phan Quốc Thịnh 1
A.VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO: Nhôm là nguyên tố hóa học có số hiệu nguyên tử 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3. Trong nhóm, nhôm đứng dưới nguyên tố phi kim bo (B). Trong chu kì 3, nhôm đ ứng sau nguyên t ố kim loại magie (Mg) và trước nguyên tố phi kim silic (Si). Cấu hình electron nguyên tử: Nhôm có bán kính nguyên tử (0,125nm) nhỏ hơn nguyên tử Mg (0,16nm). Nguyên tử Al có 13e được phân bố như sau: 1s 22s22p63s23p1, trong đó có 3e hóa trị (3s23p1 ). Ion Al3+ có cấu hình electron của nguyên tử khí hiếm Ne: Al → Al3+ + 3e [Ne]3s23p1 [Ne] Al là nguyên tố p. Năng lượng ion hóa: So sánh năng lượng ion hóa I với I của nguyên tử nhôm ta thấy: 3 2 I : I = 2744 : 1816 = 1,5 : 1. 3 2 Như vậy, năng lượng ion hóa I chỉ lớn hơn năng lượng ion hóa I có 1,5 lần. Do vậy khi 3 2 cung cấp năng lượng cho nguyên tử Al sẽ có 3e tách ra khỏi nguyên tử. Độ âm điện: Nguyên tử Al có giá trị độ âm điện là 1,61. Số oxi hóa: Trong hợp chất, nguyên tố Al có số oxi hóa bền là +3. Mạng tinh thể: Nhôm có cấu tạo kiểu mạng lập phương tâm diện. 2
Cấu tạo tinh thể của nhôm. Nhôm có chín đồng vị, số Z của chúng từ 23 đến 30. Chỉ có Al-27 (đồng vị ổn định) và Al-26 (đồng vị phóng xạ, t = 7,2 × 105 năm) tìm thấy trong tự nhiên, tuy nhiên Al-27 có sự 1/2 phổ biến trong tự nhiên là 100%. Al-26 được sản xuất từ agon trong khí quyển do va chạm sinh ra bởi các tia vũ trụ proton. Các đồng vị của nhôm có ứng dụng thực tế trong việc tính tuổi của trầm tích dưới biển, các vết mangan, nước đóng băng, thạch anh trong đá lộ thiên, và các thiên thạch. Tỷ lệ của Al-26 trên beryli-10 được sử dụng để nghiên cứu vai trò của việc chuyển hóa, lắng đọng, lưu trữ trầm tích, thời gian cháy và sự xói mòn trong thang độ thời gian 105 đến 106 năm (về sai số). Al-26 nguồn gốc vũ trụ đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu Mặt Trăng và các thiên thạch. Các thành phần của thiên thạch, sau khi thoát khỏi nguồn gốc của chúng, trong khi chu du trong không gian bị tấn công bởi các tia vũ trụ, sinh ra các nguyên tử Al-26. Sau khi rơi xuống Trái Đất, tấm chắn khí quyển đã bảo vệ cho các phần tử này không sinh ra thêm Al- 26, và sự phân rã của nó có thể sử dụng để xác định tuổi trên trái đất của các thiên thạch này. Các nghiên cứu về thiên thạch cho thấy Al-26 là tương đối phổ biến trong thời gian hình thành hệ hành tinh của chúng ta. Có thể là năng lượng được giải phóng bởi sự phân rã Al-26 có liên quan đến sự nấu chảy lại và sự sai biệt của một số tiểu hành tinh sau khi chúng hình thành cách đây 4,6 tỷ năm. I.Tính chất lí học. 3
Nhôm 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, 6500C và nóng chảy ở nhiệt độ cao, 24670C. Nhôm là kim loại nhẹ ( 2,7g/cm3 ). 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 (20 0C) nhôm tinh khiết khá mềm, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Ở trong khoảng nhiệt độ 100 – 150 0C, nhôm tương đối dẻo và chế hóa cơ học nhung đến khoảng 6000C, 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. Độ dẫn điện của nhôm hơn 3 lần sắt. Bề mặt của nhôm rất trơn bóng, có khả năng phản chiếu tốt ánh sáng và nhiệt. II.Tính chất hóa học: Nhôm là kim loại có tính khử mạnh. Tuy nhiên tính khử của Al yếu hơn các kim loại kiềm và kiềm thổ. Khác với bo, nhôm là kim loại hoạt động vì có bán kính nguyên tử lớn hơn bo. Tuy nhiên ở điều kiện thường, bề mặt của nhôm bị bao bọc bởi màng oxit rất mỏng ( đ ến 0,00001 mm) và bền làm cho nhôm trở nên kém hoạt động Dây nhôm hay lá nhôm dày không cháy khi đốt mạnh và 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 + 3O → 2Al O ∆H 0 = −1676kJ / mol 2 2 3 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 tron trường hợp này nó không được màng oxit bảo vệ nữa. 4
Do có ái lực lớn với oxit, nhôm là chất khử mạnh. Ở nhiệt độ cao, nhôm khử dễ dàng nhiều oxit kim loại đến kim loại tự do: 2Al + 3/2O → Al O ’ ∆H 0 = −1676kJ 2 2 3 2Cr + 3/2O → Cr O ’ ∆H 0 = −114kJ 2 2 3 2Fe + 3/2O → Fe O ’ ∆H 0 = −820kJ 2 2 3 Cho nên: 2Al + Cr O → Al O +2Cr ∆H 0 = −535kJ 2 3 2 3 2Al + Fe O → Al O + 2Fe ∆H 0 = −856kJ 2 3 2 3 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 khử oxit kim loại để điều chế kim loại gọi là phương pháp nhiệt-nhôm. Nhôm tương tác với Clo, brom ở nhiệt độ thường với iot khi đun nóng, với nitơ, l ưu huỳnh và cacbon ở nhiệt độ khá cao (700 – 8000C) và không tương tác với hiđro. Nhôm tuy có tổng các năng lượng ion hóa thứ nhất, hai và ba khá lớn nhưng nhờ ion Al 3+ có nhiệt hiđrat hóa rất âm cho nên nhôm kim loại dễ chuyển sang dạng ion Al3+ (dd) Al3+(dd) + 3e → Al(r), E0= -1,66V Có thể điện cực tương đối thấp như vậy, về nguyên tắc nhôm dễ dàng đẩy hiđro 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 photphoric và axitaxetic. Nhôm chỉ tan dễ dàng trong các dung dịch axit clohiđric và axit sunfuric, nhất là khi đun nóng. Phản ứng chung của nhôm tan trong dung dịch axit là: 2Al + 6H O+ + 6H O → 2[Al(H O) ]3+ +3H 3 2 2 6 2 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 nitric đặc, nhôm sẽ không tan trong dung dịch loãng c ủa axit clohiđric và axit sunfuric nữa. Trong thực tế người ta dùng nhôm làm xitec đ ựng axit nitric 5
đặc. Nhôm cũng không tác dụng với axit nitric rất loãng mà tan dễ nhất 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 giải phóng hiđro. 2Al + 2OH- + 6H O → 2[Al(OH) ]- +3H 2 4 2 Thế điện cực của hidro ở pH = 7 ( E0 của H O/H bằng -0,41V ) cao hơn so với thế điện 2 2 cực chuẩn của nhôm ( E0 của Al3+/Al ) nên nhôm có thể khử được nước, giải phóng khí hidro: 2Al + 6H O → 2Al(OH) + 3H . 2 3 2 Phản ứng trên nhanh chóng dừng lại vì lớp Al(OH) không tan trong nước đã ngăn cản 3 không cho nhôm tiếp xúc với nước. Vì sao những vật bằng nhôm hằng ngày tiếp xúc với nước dù ở nhiệt độ nào cũng không xảy ra phản ứng? Đó là do trên bề mặt của vật được phủ kín bằng màng Al O rất mỏng ( không dày hơn 2 3 10-5 mm ) rất mịn và bền chắc đã không cho nước và khí thấm qua. III.Trạng thái thiên nhiên và phương pháp điều chế. Phần rất lớn nhôm tập trung vào các alumsilicat, ví dụ như orthoclazơ (K O, Al O , 6SiO ) 2 2 3 2 mica (K O, 2H O, 3Al O , 6SiO ), nefelin (Na, K O, Al O , 2SiO ). Một sản phẩm rất phổ 2 2 2 3 2 2 2 3 2 biến của quá trình phân hủy các nham thạch tạo nên bởi alumosilicat là cao lanh gồm ch ủ yếu khoáng sét caolinit (Al O , 2SiO , 2H O). Hai khoáng vật quan trọng đối với công nghiệp 2 3 2 2 của nhôm là boxit (Al O , xH O) và criolit (Na [AlF ]). Boxit chính là sản phẩm phân hủy của 2 3 2 3 6 đất sét ở trong điều kiện khí hậu nhiệt đới hoặc nữa nhiệt đới. 6
Nhôm được sản xuất với quy mô công nghiệp bằng phương pháp điện phân hỗn hợp nóng chảy của Al O và Na [AlF ]. Criolit có vai trò quan trọng là hạ nhiệt độ nóng chảy của 2 3 3 6 chất điện li: Al O nóng chảy ở 20720C nhưng hỗn hợp của 10% Al O và 90% Na [AlF ] 2 3 2 3 3 6 nóng chảy ở 9500C. Boxit (Al O , xH O) thường chứa các tạp chất như Fe O SiO , CaO nên cần phải tinh 2 3 2 2 3, 2 chế. Muốn vậy trước đây người ta nấu chảy bột nghiền nhỏ của boxit với sođa: Al O + Na CO → 2NaAlO + CO 2 3 2 3 2 2 Rồi hòa tan sản phẩm vào nước; những tạp chất như Fe(OH) CaSiO lắng xuống còn 3’ 3 NaAlO tan vào dung dịch ở dạng Na[Al(OH) ]. 2 4 Ngày nay để có dung dịch đó người ta dùng phương pháp Baye(Bayer): Đun nóng bột oxit nghiền với dung dịch NaOH 40% trong nồi áp suất ở nhiệt độ 150 0C và dưới áp suất 5-6atm. Nhôm oxit tan trong dung dịch kiềm đó tạo thành natri hiđroxoaluminat: Al O + NaOH → 3H O + 2Na[Al(OH) ] 2 3 2 4 Lọc lấy dung dịch và dùng nước pha loãng, kết tủa Al(OH) sẽ lắng xuống: 3 Na[Al(OH) ] ↔ Al(OH) + NaOH 4 3 Quá trình điện phân được thực hiện ở nhiệt độ 960 0C với điện áp khoảng 5V và cường độ dòng điện 140000A. Thùng điện phân gồm có vỏ bằng thép, bên trong lớp gạch chịu lửa, cực dương là những thỏi than lớn nối với nhau và cấm vào thùng điện phân, cực âm là l ớp than nằm ở đáy thùng. Cơ chế của quá trình điện phân Al 0 trong Na [AlF ] cũng chưa xác 23 3 6 định được một cách dứt khoát. Hiện nay người ta thường giải thích rằng criolit là hỗn hợp của AlF và 3NaF, khi điện phân chỉ NaF bị điện phân cho Na và F . Natri kim loại khử AlF 3 2 3 tạo thành Al kim loại và muối NaF, còn F đẩy oxi trong Al 0 tạo thành AlF . Nhờ vậy nồng 2 23 3 độ của criolit ở trong thùng điện phân hầu như không đổi. Kết quả là nhôm sinh ra ở cực âm, tập trung ở đáy thùng điện phân dưới dạng lỏng, khí oxi bay lên ở cực dương tác d ụng v ới than ở cực đó tạo nên các khí CO và CO làm cho cực bị ăn mòn, cho nên trong quá trình điện 2 phân người ta phải hạ thấp dần cực dương xuống. Sản phẩm thu được khá tinh khiết và có hàm lượng vào khoảng 99,4 – 99,8% Al. 7
Điện phân lần thứ hai, nhôm có thể đạt đến hàm lượng 99,98%. Ngày nay bằng phương pháp nóng chảy vùng người ta có thể tinh chế nhôm với độ tinh khiết hết sứ c cao là 99,9998%. Để có Al O tinh khiết ngày nay người ta có thể chế hóa nefelin hoặc cao lanh. Chẳn hạn 2 3 khí chế hóa nefelin, người ta nung hỗn hợp đã được nghiền mịn và trộn của nefelin, đá vôi và soda ở nhiệt độ 12000C trong lò quay: (Na, K) Al Si O + 2CaCO → 2CaSiO + 2(Na, K)AlO + 2CO 2 2 2 8 3 3 2 2 Hỗn hợp sau khi nung được nghiền mạnh và ngâm chiết trong nước rồi l ọc lấy dung dịch aluminat. Sục khí CO là một sản phẩm của phản ứng trên, vào dung dịch 2 hidroxoaluminat sẽ thu được kết tủa Al(OH). 2(Na, K)[Al(OH) ] + CO → (Na, K) CO + 2Al(OH) + H O 4 2 2 3 3 2 Quá trình chuyển Al(OH) thành Al O được thực hiện giống như trên. 3 2 3 IV. Đồng vị: Nhôm có 9 đồng vị, số Z của chúng từ 23 đến 30. Chỉ có Al-27 (đồng vị ổn định) và Al-26 (đồng vị phóng xạ, t1/2 = 7,2 × 105 năm) tìm thấy trong tự nhiên, tuy nhiên Al-27 có sự phổ biến trong tự nhiên là 100%. Al-26 được sản xuất từ agon trong khí quyển do va chạm sinh ra bởi các tia vũ trụ proton. Các đồng vị của nhôm có ứng dụng thực tế trong việc tính tuổi của trầm tích dưới biển, các vết mangan, nước đóng băng, thạch anh trong đá lộ thiên, và các thiên thạch. Tỷ lệ của Al-26 trên beryli-10 được sử dụng để nghiên cứu vai trò của việc chuyển hóa, lắng đọng, lưu trữ trầm tích, thời gian cháy và sự xói mòn trong thang độ thời gian 105 đến 106 năm (về sai số). Al-26 nguồn gốc vũ trụ đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu Mặt Trăng và các thiên thạch. Các thành phần của thiên thạch, sau khi thoát khỏi nguồn gốc của chúng, trong khi chu du trong không gian bị tấn công bởi các tia vũ trụ, sinh ra các nguyên tử Al-26. Sau khi rơi xuống Trái Đất, tấm chắn khí quyển đã bảo vệ cho các phần tử này không sinh ra thêm Al- 26, và sự phân rã của nó có thể sử dụng để xác định tuổi trên trái đất của các thiên thạch này. Các nghiên cứu về thiên thạch cho thấy Al-26 là tương đối phổ biến trong thời gian hình thành hệ hành tinh của chúng ta. Có thể là năng lượng được giải phóng bởi sự phân rã Al-26 có liên quan đến sự nấu chảy lại và sự sai biệt của một số tiểu hành tinh sau khi chúng hình thành cách đây 4,6 tỷ năm. V.Các số oxi hóa của nhôm: 8
Trạng thái ôxi hóa 1: AlH được điều chế khi nhôm bị nung nóng ở nhiệt độ 1500 °C trong • hiđrô. Al2O được điều chế bằng cách nung nóng ôxít thông thường, Al2O3, với silic ở • nhiệt độ 1800 °C trong chân không. • Al2S được điều chế bằng cách nung nóng Al2S3 với vỏ nhôm ở nhiệt độ 1300 °C trong chân không. Nó nhanh chóng bị chuyển thành các chất ban đầu. Selenua được điều chế tương tự. AlF, AlCl và AlBr tồn tại trong pha khí khi ba halua được nung nóng cùng với • nhôm. Trạng thái ôxi hóa 2: Subôxít nhôm, AlO có thể được tồn tại khi bột nhôm cháy trong ôxy. • Trạng thái ôxi hóa 3: Quy tắc Fajans chỉ ra rằng cation hóa trị ba Al3+ là không được mong chờ tìm thấy • trong các muối khan hay trong các hợp chất nhị phân như Al2O3. Hiđrôxít nhôm là một bazơ yếu và muối nhôm của các axít yếu, chẳng hạn như cacbonat, không thể tạo ra. Muối của các axít mạnh, chẳng hạn như nitrat, là ổn định và hòa tan trong nước, tạo thành các hiđrat với ít nhất sáu phân tử nước kết tinh. Hiđrua nhôm, (AlH3)n, có thể sản xuất từ trimêthyl nhôm và hiđrô dư thừa. Nó cháy • kèm nổ trong không khí. Nó cũng có thể được điều chế bằng phản ứng của clorua nhôm trên hiđrua liti trong dung dịch ête, nhưng không thể cô lập thành dạng tự do từ dung dịch. Cacbua nhôm, Al4C3 được sản xuất bằng cách nung nóng hỗn hợp hai nguyên tố • trên 1.000 °C. Các tinh thể màu vàng nhạt có cấu trúc lưới phức tạp,và phản ứng với nước hay axít loãng tạo ra mêtan. Axêtylua, Al2(C2)3, được điều chế bằng cách cho axêtylen đi qua nhôm nóng. Nitrua nhôm, AlN, có thể được sản xuất từ các nguyên tố ở nhiệt độ 800 °C. Nó • bị thủy phân bởi nước tạo ra amôniắc và hiđrôxít nhôm. Phốtphua nhôm, AlP, được sản xuất tương tự, và bị thủy phân thành phốtphin • (PH3). Ôxít nhôm, Al2O3, tìm thấy trong tự nhiên như là corunđum, và có thể điều chế • bằng cách đốt nóng nhôm với ôxy hay nung nóng hiđrôxít, nitrat hoặc sulfat. Như là một loại đá quý, độ cứng của nó chỉ thua có kim cương, nitrua bo và cacborunđum. Nó gần như không hòa tan trong nước. Hiđrôxít nhôm có thể được điều chế như là một chất kết tủa dạng gelatin bằng cách • cho thêm amôniắc vào trong dung dịch của các muối nhôm. Nó là lưỡng tính, vừa là bazơ yếu 9
vừa là axít yếu, có thể tạo ra các muối aluminat với kim loại kiềm. Nó tồn tại trong các dạng tinh thể khác nhau. Sulfua nhôm, Al2S3, có thể điều chế bằng cách cho sulfua hiđrô đi qua bột nhôm. • Nó là một chất đa hình. Florua nhôm, AlF3, có thể điều chế bằng cách cho hai nguyên tố tác dụng với nhau • hay cho hiđrôxít nhôm tác dụng với HF. Nó tạo thành phân tử lớn, bay hơi không qua pha nóng chảy ở nhiệt độ 1.291 °C (thăng hoa). Nó là một chất rất trơ. Các trihalua khác là các chất dime, có cấu trúc cầu nối. Các hợp chất hữu cơ của nhôm có công thức chung AlR3 tồn tại và nếu không phải • là các phân tử lớn, thì là các chất dime hay trime. Chúng được sử dụng trong tổng hợp chất hữu cơ, ví dụ trimêtyl nhôm. Các chất alumino-hyđrua của phần lớn các nguyên tố có khả năng tích điện dương • đã được biết, trong đó có giá trị nhất là hiđrua nhôm liti, Li[AlH4]. Khi bị đốt nóng, nó phân hủy thành nhôm, hiđrô và hiđrua liti, nó bị thủy phân trong nước. Nó có nhiều ứng dụng trong hóa hữu cơ. Các alumino-halua [AlR4] có cấu trúc tương tự. VI. Ứng dụng của kim loại nhôm: Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới. Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng, kẽm, magiê, mangan và silic. Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể. 10
• Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng. • Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp. • Ôxít nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery, ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa. • Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt. Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị. Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy tinh. Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương. • Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v.) • Đóng gói (can, giấy gói, v.v) • Xử lý nước • Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng.) • Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v) • Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn) . Chế tạo máy móc. • 11
• Mặc dù tự bản thân nó là không nhiễm từ, nhôm được sử dụng trong thép MKM và các nam châm Alnico. • Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980% - 99,999% nhôm được sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD. • Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn. Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ — khi khô đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt. • Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa, và nó được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng. Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao. • Ôxít nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery, ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa. Sự ôxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhôm và các thành phần của pháo hoa. VII. Tác hại của nhôm đối với con người và vật dụng: Nhôm là một trong ít các nguyên tố phổ biến nhất mà không có chức năng có ích nào cho các cơ thể sống, nhưng có một số người bị dị ứng với nó — họ bị các chứng viêm da do tiếp xúc với các dạng khác nhau của nhôm: các vết ngứa do sử dụng các chất làm se da hay hút mồ hôi (phấn rôm), các rối loạn tiêu hóa và giảm hay mất khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng từ thức ăn nấu trong các nồi nhôm, nôn mửa hay các triệu chứng khác của ngộ độc nhôm do ăn (uống) các sản phẩm như Kaopectate® (thuốc chống ỉa chảy), Amphojel® và Maalox® (thuốc chống chua). 12
Đối với những người khác, nhôm không bị coi là chất độc như các kim loại nặng, nhưng có dấu hiệu của ngộ độc nếu nó được hấp thụ nhiều, mặc dù việc sử dụng các đồ nhà bếp bằng nhôm (phổ biến do khả năng chống ăn mòn và dẫn nhiệt tốt) nói chung chưa cho thấy dẫn đến tình trạng ngộ độc nhôm. Việc tiêu thụ qua nhiều các thuốc chống chua chứa các hợp chất nhôm và việc sử dụng quá nhiều các chất hút mồ hôi chứa nhôm có lẽ là nguồn duy nhất sinh ra sự ngộ độc nhôm. Người ta cho rằng nhôm có liên quan đến bệnh Alzheimer, mặc dù các nghiên cứu gần đây đã bị bác bỏ. Cần cẩn thận để không cho nhôm tiếp xúc với một số chất hóa học nào đó có khả năng ăn mòn nó rất nhanh. Ví dụ, chỉ một lượng nhỏ thủy ngân tiếp xúc với bề mặt của miếng nhôm có thể phá hủy lớp ôxít nhôm bảo vệ thông thường có trên bề mặt các tấm nhôm. Trong vài giờ, thậm chí cả một một cái xà có cấu trúc nặng nề có thể bị làm yếu đi một cách rõ rệt. Vì lý do này, các loại nhiệt kế thủy ngân không được phép trong nhiều sân bay và hãng hàng không, vì nhôm là thành phần cấu trúc cơ bản của các máy bay. 13
B.MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA NHÔM: Nhôm oxit ( Al O ): 1. 2 3 Nhôm oxit là oxit lưỡng tính với công thức hóa học Al O . Nó thường được 2 3 gọi là alumina (α-alumina), hoặc corundum ở dạng tinh thể của nó. Corundum là dạng tinh thể tự nhiên phổ biến nhất của nhôm oxit. Hồng ngọc và ngọc bích là hình thức đá quý corundum. Các ion oxy tạo thành một cấu trúc lục giác hợp với ion nhôm làm 2/3 của các khe hở tám mặt (Mỗi ion Al3+ trung tâm là tám mặt(mỗi ion Al 3+ trung tâm là tám mặt): Oxit nhôm là một chất cách điện nhưng có độ dẫn nhiệt tương đối cao (30 Wm -1 .K-1) so với một vật liệu gốm sứ. Ở dạng tinh thể corundum hoặc dạng nhôm oxit-α, độ cứng của nó và sự mài mòn thích hợp làm thành phần trong các công cụ cắt. Nhôm oxit chịu trách nhiêm kháng chiến cho nhôm kim loại ở trong các điều kiện thời tiết. Độ dày và tính chất
của lớp oxit này có thể được tăng cường bằng cách sử dụng một quá trình đựoc gọi là anodising. Nhôm oxit tạo bởi anodising thưòng vô định hình. Nhôm oxit không tan trong nưóc, nhưng nó là chất lưõng tính, có thể tác dụng với axit và bazơ: Al O + 6HCl → 2AlCl + 3H O 2 3 3 2 Al O + NaOH + H O → 2Na Al(OH) 2 3 2 3 6 Khử Al O bằng cacbon không cho nhôm kim loại mà cho nhôm cacbua: 2 3 Al2O3 + 9C Al C + 6CO 4 3 Al O không tác dụng với H , Co ở bất kì nhiệt độ nào. 2 3 2 Có thể điều chế Al O bằng phương trình sau: 2 3 Al(OH) → Al O + H O 3 2 3 2 Trong công nghiệp điều chế Al O từ quặng boxit. 2 3 Tinh thể nhôm oxit trong suốt không màu hoặc có màu, một phần dùng làm đồ nữ trang, một phần dùng chế tạo các chi tiết trong các ngành kĩ thuật chính xác, như chân kính đồng hồ, máy phát laze... Nhôm oxit lẫn tạp chất có độ rắn cao, được dùng làm vật liệu mài ( đá mài, bột giấy ráp, bột đánh bóng...) Nhôm hidroxit ( Al(OH) ): 2. 3
Nhôm hidroxit được tạo nên khi hidroxit kim loại kiềm tác dụng với muối nhôm, là kết tủa nhầy màu trắng, thực tế không tan trong nước. Kết tủa đó chứa nhiều nước. Bằng phương pháp Rownghen người ta xác nhận rằng nó không có kiến trúc tinh thể. Để lâu nó mất nước dần và sấy khô rồi nung đến mất hoàn toàn nước nó biến thành oxit. Người ta cho rằng ngoài sự mất nước kết tinh, kết tủa đó còn mất nước do sự ngưng tụ những phân tử Al(OH) 3 Sự ngưng tụ giữa các nhóm OH tiếp tục làm mất nước cho đến khi chỉ còn oxit. Như vậy kết tủa nhầy của nhôm hidroxit là hidrat của oxit có thành phần biến đổi từ Al O nH O (n > 2 3. 2 3) qua Al O .3H O ( tức là Al(OH) , Al O .H O ( tức là AlOOH) đến Al O . Tuy nhiên do thói 2 3 2 3 2 3 2 2 3 quen và để thuận tiện người ta biểu diễn thành phần của kết tủa nhầy của nhôm hidroxit bằng công thức Al(OH) 3 Al(OH) tinh thể được tạo nên khi cho khí CO tác dụng với dung dịch Natri aluminat. Tinh 3 2 thể đó cũng tồn taijtrong thiên nhiên ở dạng khoáng vật hidragilit ( hay gipxit). Hidragilit gồm những tinh thể đơn tà và có kiến trúc lớp. Mỗi lớp gồm có hai mặt phẳng đựng các nhóm OH và những nguyên tử Al nằm giữa hai lớp đó . Mỗi nguyên tử Al được sáu nhóm OH bao quanh. Trong mạng lưới của Al(OH) có những liên kết hidro định hướng kiểu O—H ---O— 3 H ; mỗi nguyên tử O của lớp này nằm trên nguyên tử O ở mặt phẳng dưới của lớp nằm trên tâm của nguyên tử O ở mặt phẳng trên của lớp dưới và có liên kết hidro theo các hướng thẳng đứng và nằm ngang. Dưói đây là công thức cấu tạo của nó:
Hidragilit bên ở nhiệt độ dưới 1550C nó có trong thành phần của nhiều loại boxit. Ngoài ra trong boxit còn có hai khoáng vật nữa có thành phần AlOOH và có tinh thể tà phương là: ddiasspo AlOOH γ bền ở khoảng nhiệt độ 280 – 4000C ( phân hủy thành Al O - α 2 3 ở 4200C) và boxit AlOOH γ bền ở khoảng 1550 – 2800C ( phân hủy thành Al O γ ở gần 2 3 3000C). Boxit cũng có thể tạo nên khi đun nóng nhôm hidroxit trong dung dịch amoniac ở 2000C. Nhôm hidroxit là chất lưỡng tính điển hình, khi mới kết tủa nó tan dễ dàng trong các dung dịch axit và bazo: Al(OH) + 3H O+ → [Al(H O) ]3+ 3 3 2 6 Al(OH) + OH- + 2H O → [Al(OH) (H O) ]- 3 2 4 2 2 Ion [Al(OH) ( H O) ]- thường viết gọn là [Al(OH) ]- có thể kết hợp thêm ion tạo thành 4 2 2 4 [Al(OH) ]2- và [Al(OH) ]3-. Tất cả những ion này được gọi chung hidroxoaluminat. Muối khan 5 6 thu được khi làm bay hơi dung dịch natri hidroxoaluminat thường được biểu diễn bằng công thức NaAlO và coi như là muối của axit metaaluminat (HalO hay AlOOH). Vì tính axit của 2 2 nhôm hidroxit là rất yếu nên muối aluminat thủy ngân mạnh trong dung dịch đ ậm đ ặc và bị thủy phân hoàn toàn trong dung dịch loãng cho kết tủa hidroxit và môi trường kiềm.
Bởi vậy khi pha loãng dung dịch aluminat hay sục khí CO vào dung dịch đó, hidroxit sẽ 2 kết tủa. Trong phòng thí nghiệm, để điều chế nhôm hidroxit người ta cho muối trong các chất NaOH, KOH, NH và Na CO vào dung dịch của muối nhôm. Phản ứng ion chung là: 3 2 3 Al3+ + 3OH- → Al(OH) 3 Điều chế: Muối nhôm tác dụng với dung dịch kiềm vừa đủ: AlCl + 3NaOH → Al(OH) + 3NaCl 3 3 Nếu dư: Al(OH) + NaOH → NaAlO + H O 3 2 2 3. Nhôm Sunfat và phèn nhôm
Nhôm sunfat Al (SO ) là chất bột màu trắng. Nó bị phân hủy ở nhiệt độ trên 770 0C. Từ 2 43 dung dịch nước, nó kết tinh ở dạng hidrat Al (SO ) . 18H O, đây là những tinh thể đơn tà, 2 43 2 trong suốt, dễ tan trong nước và ít tan trong rượu. Khi sấy trong chân không ở 50 0C, nó mất bớt nước chuyển thành hidrat Al (SO ) . 16H O và khi đun nóng đén 3400C nó mất nước hoàn 2 43 2 toàn biến thành muối khan. Nhôm sunfat có thể kết hợp với sunfat kim loại kiềm để tạo thành loại muối M Al (SO ) . 24H O thường gọi là phèn nhôm. Chính tên gọi nhôm (alumanium) là sinh ra từ 2 2 44 2 chữ phèn (alumen). Phèn là một loại muối kép có công thức chung là: M SO . E (SO ) . 24H O. 2 4 2 43 2 Trong đó M là Na, K, Rb, Cs, NH , Tl và E là Al, Cr, Fe, Ga, In, Tl, Co. Chúng đồng hình 4 với nhau và tạo nên những tinh thể đẹp hình bát diện, không màu hoặc có màu. Đ ược s ử dụng nhiều hơn hết là phèn nhôm – kali K SO . Al (SO ) . 24H O, phèn crom – kali. 2 4 2 43 2 K SO Cr (SO ) . 24H O và phèn sắt – amoni ( NH ) SO . Fe (SO ) . 24H O. 2 4 2 43 2 42 4 2 43 2 Phèn nhôm – kali, hay thường gọi là phèn chua là hợp chất ở dạng những tinh thể hình bát diện, không có màu, có vị hơi chua và chát. Ở 92,5 0C nó nóng chảy trong nước kết tinh, ở nhiệt độ cao hơn nó dễ mất nước hoàn toàn tạo thành muối khan dưới dạng một khối hình nấm to, xốp và rất dễ vở thành bột gọi là phèn phi. Khác với Al (SO ) . 18H O có nhiệt hòa 2 43 2
tan dương, phèn nhôm – kali có nhiệt hòa tan âm. Độ tan ở trong nước của phèn nhôm – kali kém hơn độ tan của từng muối sunfat riêng nó tan khong đáng kể ở nhiệt độ thấp nhưng độ tan tăng nhanh khi nhiệt độ tăng. Nhiệt 0 15 30 60 92,5 100 độ ( 0C ) Độ tan 2,95 5,04 8,40 24,8 119,5 154 (g) trong 100g nước Phèn nhôm không tan trong rượu tuyệt đối. 4.Nhôm hidrua(AlH ) 3 Nhôm hidrua là hợp chất polime (AlH ) . Nó là chất rắn vô định hình, màu trắng, không 3n bay hơi và phân hủy ở nhiệt độ trên 1050C thành nguyên tố. Cũng như bo hidrua, nhôm hidrua là hợp chất thiếu electron. Người ta cho rằng nó có kiến trúc lớp . Mỗi nguyên tử Al đ ược sáu nguyên tử hidro bao quanh theo kiểu bát diện. Mỗi nguyên tử Al nối với ba nguyên tử Al ở bên cạnh bằng những liên kết ba tâm như trong ddiboran: Nhôm hidrua là hợp chất rất nhạy với oxi và nước, chẳn hạn nó bóc cháy trong không khí. Khi tan trong dung dịch ete, nó dễ dàng kết hợp với hidrua của kim loại kìêm t ạo thành hidroaluminat. Ví dụ: nLiH + (AlH ) → nLi[AlH ] 3n 4 Cũng như Li[BH ] là chất khử mạnh, thường dùng trong các phản ứng hữu cơ và vô cơ. 4 Nhôm hidrua tuy khác nhiều với bo hidrua nhưng các ion [AlH ]- và [BH ] lại giống nhau 4 4 nhiều.