Nhôm - những điều bạn chưa biết
Nguồn: thiendongduc.violet.vn
Nhôm (tiếng Latinh: alumen, alum) là tên nguyên tố hóa học trong bảng
tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13. Từ "nhôm" trong
tiếng Việt có nguồn gốc từ aluminium trong tiếng Pháp. Nhôm là một kim loại
mềm, nhẹ với màu xám 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. Nên có nhiều ứng dụng trong
thực tế cuộc sống và công nghệ. Nhưng có những điều về nhôm mà chúng ta chưa
biết.
1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
“Có một ngày một người thợ vàng ở Roma được phép cho hoàng đế
Tiberius xem một chiếc đĩa ăn làm từ một kim loại mới. Chiếc đĩa rất nhẹ và có
màu sáng như bạc Người thợ vàng nói với hoàng đế rằng ông đã sản xuất kim loại
từ đất sét thô. Ông cũng cam đoan với hoàng đế rằng chỉ có ông ta và chúa Trời
biết cách sản xuất kim loại này từ đất sét. Hoàng đế rất thích thú, và như một
chuyên gia về tài chính ông đã quan tâm tới nó. Tuy nhiên ông nhận ngay ra là
mọi tài sản vàng, bạc của ông sẽ mất giá trị nếu như người dân bắt đầu sản xuất
kim loại màu sáng này từ đất sét. Vì thế, thay vì cảm ơn người thợ vàng, ông đã ra
lệnh chặt đầu ông ta”.
Những người Hy Lạp và La Mã cổ đại đã sử dụng các loại muối của kim loại này
như là thuốc cẩn màu (nhuộm) và như chất làm se vết thương, và phèn chua vẫn
được sử dụng như chất làm se. Năm 1761 Guyton de Morveau đề xuất cách gọi
gốc của phèn chua là alumine. Năm 1808, Humphry Davy xác định được gốc kim
loại của phèn chua (alum), mà theo đó ông đặt tên cho nhôm là aluminium.
Tên tuổi của Friedrich Wohler nói chung được gắn liền với việc phân lập nhôm
vào năm 1827. Tuy nhiên, kim loại này đã được sản xuất lần đầu tiên trong dạng
không nguyên chất hai năm trước bởi nhà vật lý và hóa học Đan Mạch Hans
Christian Orsted
Nhôm được chọn làm chóp cho đài kỷ niệm Washington vào thời gian khi một
aoxơ (28,35g) có giá trị bằng hai lần ngày lương của người lao động. Charles
Martin Hall nhận được bằng sáng chế (số 400655) năm 1886, về quy trình điện
phân để sản xuất nhôm. Henri Saint-Claire Deville (Pháp) đã hoàn thiện phương
pháp của Wohler (năm 1846) và thể hiện nó trong cuốn sách năm 1859 với hai cải
tiến trong quy trình là thay thế kali thành natri và hai thay vì một (chlorure)?. Phát
minh của quy trình Hall-Heroult năm 1886 đã làm cho việc sản xuất nhôm từ
khoáng chất trở thành không đắt tiền và ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trên
thế giới.
Nước Đức trở thành nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới sau khi Adolf Hitler lên
nắm quyền. Tuy nhiên, năm 1942, những nhà máy thủy điện mới như Grand
Coulee Dam đã cho phép Mỹ những thứ mà nước Đức quốc xã không thể hy vọng
cạnh tranh: khả năng sản xuất đủ nhôm để có thể sản xuất 60.000 máy bay chiến
đấu trong bốn năm.
2. ỨNG DỤNG
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.
• 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
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
3. SẢN SUẤT NHÔM
Mặc dù nhôm là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất (8,1%), nó lại hiếm trong
dạng tự do và đã từng được cho là kim loại quý có giá trị hơn vàng (Người ta nói
rằng Napoleon III của Pháp có các bộ đồ ăn bằng nhôm dự phòng cho những
người khách quý nhất của ông. Những người khách khác chỉ có bộ đồ ăn bằng
vàng). Vì thế nhôm là kim loại tương đối mới trong công nghiệp và được sản xuất
với số lượng công nghiệp chỉ khoảng trên 100 năm.
Nhôm khi mới được phát hiện là cực kỳ khó tách ra khỏi các loại đá có
chứa nó. Vì toàn bộ nhôm của Trái Đất tồn tại dưới dạng các hợp chất nên nó là
kim loại khó nhận được nhất. Lý do là nhôm bị ôxi hóa rất nhanh và ôxít nhôm là
một hợp chất cực kỳ bền vững, không giống như gỉ sắt, nó không bị bong ra.
Sự tái chế nhôm từ các phế thải đã trở thành một trong những thành phần quan
trọng của công nghiệp luyện nhôm. Việc tái chế đơn giản là nấu chảy kim loại, nó
rẻ hơn rất nhiều so với sản xuất từ quặng. Việc tinh chế nhôm tiêu hao nhiều điện
năng; việc tái chế chỉ tiêu hao khoảng 5% năng lượng để sản xuất ra nó trên cùng
một khối lượng sản phẩm. Mặc dù cho đến đầu thập niên 1900, việc tái chế nhôm
không còn là một lĩnh vực mới. Tuy nhiên, nó là lĩnh vực hoạt động trầm lắng cho
đến tận những năm cuối thập niên 1960 khi sự bùng nổ của việc sử dụng nhôm để
làm vỏ của các loại đồ uống, kể từ đó việc tái chế nhôm được đưa vào trong tầm
chú ý của cộng đồng. Các nguồn tái chế nhôm bao gồm ô tô cũ, cửa và cửa sổ
nhôm cũ, các thiết bị gia đình cũ, contenơ và các sản phẩm khác.
Nhôm là một kim loại hoạt động và rất khó phân lập nó ra từ quặng, ôxít
nhôm (Al2O3). Việc khử trực tiếp, ví dụ với cacbon, là không kinh tế vì ôxít nhôm
có điểm nóng chảy cao (khoảng 2.000°C). Vì thế, nó được tách ra bằng cách điện
phân – ôxít nhôm được hòa tan trong cryôlit nóng chảy và sau đó bị khử bởi dòng
điện thành nhôm kim loại. Theo công nghệ này, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp
chỉ còn khoảng 950-980°C. Cryôlit nguyên thủy được tìm thấy như một khoáng
chất ở Greenland, nhưng sau đó được thay thế bằng cryôlit tổng hợp. Cryôlit là
hỗn hợp của các florua nhôm, natri và canxi (Na3AlF6). Ôxít nhôm trong dạng bột
màu trắng thu được từ quặng bôxít tinh chế, quặng này có màu đỏ vì chứa khoảng
30-40% ôxít sắt. Nó được tinh chế theo công nghệ Bayer. Trước khi có công nghệ
này, công nghệ được sử dụng là công nghệ Deville.
Công nghệ điện phân thay thế cho công nghệ Wohler, là công nghệ khử clorua
nhôm khan với kali. Các điện cực trong điện phân ôxít nhôm làm từ cacbon. Khi
quặng bị nóng chảy, các ion của nó chuyển động tự do. Phản ứng tại catốt mang
điện âm là:
Al3+ + 3e- → Al