Bài 27: NHÔM VÀ HỢP CHẤT CỦA NHÔM

BÀI GIẢNG

A. NHÔM

I. VỊ TRÍ TRONG BẢNG TUẦN HOÀN, CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TỬ

- Ở ô số 13, nhóm IIIA, chu kì 3.

- Có cấu hình electron: $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{1}$ hay [Ne]$3s^{2}3p^{1}$.

- Dễ nhường cả 3 electron hóa trị nên có số oxi hóa +3 trong các hợp chất.

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

- Nhôm có màu trắng bạc, $t_{nc}$ = 660°C, khá mềm, dễ kéo sợi, dễ dát mỏng.

- Là kim loại nhẹ (d = 2,7g/$cm^{3}$), dẫn điện tốt và dẫn nhiệt tốt.

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Nhôm là kim loại có tính khử mạnh, chỉ sau kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ, nên dễ bị oxi hóa thành ion dương.

$Al\rightarrow Al^{3+}+3e$

1. Tác dụng với phi kim

a) Tác dụng với halogen

$2Al+3Cl_{2}\rightarrow 2AlCl_{3}$

b) Tác dụng với oxi

$4Al+3O_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}2Al_{2}O_{3}$

Vì thế, Al bền trong không khí ở nhiệt độ thường do có lớp màng oxit $Al_{2}O_{3}$ rất mỏng bảo vệ.

2. Tác dụng với axit

- Khử dễ dàng ion $H^{+}$ trong dung dịch HCl và $H_{2}SO_{4}$ loãng → $H_{2}$

$2Al+6HCl\rightarrow 2AlCl_{3}+3H_{2}$

- Tác dụng mạnh với dung dịch $HNO_{3}$ loãng, $HNO_{3}$ đặc, nóng và $H_{2}SO_{4}$ đặc, nóng.

Vì thế, nhôm bị thụ động hóa bởi dung dịch $HNO_{3}$ đặc, nguội hoặc $H_{2}SO_{4}$ đặc nguội.

3. Tác dụng với oxit kim loại

$2Al+Fe_{2}O_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Al_{2}O_{3}+2Fe$

4. Tác dụng với nước

- Phá bỏ lớp oxit trên bề mặt Al (hoặc tạo thành hỗn hống Al-Hg thì Al sẽ phản ứng với nước ở nhiệt độ thường)

$2Al+6H_{2}O\rightarrow 2Al(OH)_{3}$ + $3H_{2}$

- Nhôm không phản ứng với nước dù ở nhiệt độ cao là vì trên bề mặt của nhôm được phủ kín một lớp $Al_{2}O_{3}$ rất mỏng, bền và mịn, không cho nước và khí thấm qua. Vì thế các vật dụng làm bằng Al rất bền vững trong không khí ở nhiệt độ thường.

5. Tác dụng với dung dịch kiềm

- Trước hết, lớp bảo vệ $Al_{2}O_{3}$ bị hoà tan trong dung dịch kiềm:

$Al_{2}O_{3}+2NaOH\rightarrow 2NaAlO_{2}+H_{2}O$ (1)

- Al khử nước:

$2Al+6H_{2}O\rightarrow 2Al(OH)_{3}$ + $3H_{2}$ (2)

- Lớp bảo vệ $Al(OH)_{3}$ bị hoà tan trong dung dịch kiềm

$Al(OH)_{3}+NaOH\rightarrow NaAlO_{2}+2H_{2}O$ (3)

- Các phản ứng (2) và (3) xảy ra xen kẽ nhau cho đến khi nhôm bị hoà tan hết.

$2Al+2NaOH+2H_{2}O\rightarrow 2NaAlO_{2}+3H_{2}$

IV. ỨNG DỤNG VÀ TRẠNG THÁI THIÊN NHIÊN

1. Ứng dụng

-Dùng làm vật liệu chế tạo ô tô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ.

- Dùng trong xây dựng nhà cửa, trang trí nội thất.

- Dùng làm dây dẫn điện, dùng làm dụng cụ nhà bếp.

- Hỗn hợp tecmit (Al + $Fe_{x}O_{y}$) để thực hiện phản ứng nhiệt nhôm dùng hàn đường ray.

2. Trạng thái thiên nhiên

Nhôm có trong đất sét ($Al_{2}O_{3}$.2$SiO_{2}$.2$H_{2}O$), mica ($K_{2}O$.$Al_{2}O_{3}$.6$SiO_{2}$), boxit ($Al_{2}O_{3}$.2$H_{2}O$), criolit (3NaF.$AlF_{3}$),...

V. SẢN XUẤT NHÔM

Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân $Al_{2}O_{3}$ nóng chảy.

1. Nguyên liệu: Quặng boxit $Al_{2}O_{3}$.2$H_{2}O$ có lẫn tạp chất là $Fe_{2}O_{3}$ và $SiO_{2}$. Loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hóa học ta được $Al_{2}O_{3}$ gần như nguyên chất.

2. Điện phân nhôm oxit nóng chảy

- Chuẩn bị chất điện li nóng chảy: Hoà tan $Al_{2}O_{3}$ trong criolit nóng chảy nhằm hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống 900°C và dẫn điện tốt, khối lượng riêng nhỏ.

- Quá trình điện phân

$Al_{2}O_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}2Al^{3+}+3O^{2-}$

+ Sơ đồ điện phân:

(Anot): $2O^{2-}\rightarrow O_{2}+4e$

(Catot): $Al^{3+}+3e\rightarrow Al$

+ Phương trình điện phân:

$Al_{2}O_{3}\overset{dpnc}{\rightarrow}2Al+\frac{3}{2}O_{2}$

Vậy: Khí oxi ở nhiệt độ cao đã đốt cháy cực dương là cacbon, sinh ra hỗn hợp khí CO và $CO_{2}$. Do vậy trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần dần cực dương.

B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NHÔM

I. NHÔM OXIT ($Al_{2}O_{3}$):

1. Tính chất

- Tính chất vật lí: Là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước và không tác dụng với nước, $t_{nc}$ > 2050°C.

- Tính chất hóa học:

- Bền, không bị các chất khử thông thường khử.

- Là oxit lưỡng tính.

+ Tác dụng với dung dịch axit

$Al_{2}O_{3}+6HCl\rightarrow 2AlCl_{3}+3H_{2}O$

$Al_{2}O_{3}+6H^{+}\rightarrow 2Al^{3+}+3H_{2}O$

+Tác dụng với dung dịch kiềm

$Al_{2}O_{3}+2NaOH\rightarrow 2NaAlO_{2}$ (natri aluminat) + $H_{2}O$

$Al_{2}O_{3}+2OH^{-}\rightarrow 2AlO_{2}^{-}+H_{2}O$

2. Ứng dụng: Nhôm oxit tồn tại dưới dạng ngậm nước và dạng khan.

- Dạng ngậm nước: quặng boxit ($Al_{2}O_{3}$.2$H_{2}O$) dùng để sản xuất nhôm.

- Dạng oxit khan:

+ Corinđon: tinh thể trong suốt, không màu, rất rắn, được dùng để chế tạo đá mài, giấy nhám,...

+ Trong tinh thể $Al_{2}O_{3}$ có $Cr^{3+}$ (hồng ngọc) làm đồ trang sức, chân kính đồng hồ,...

+ Tinh thể $Al_{2}O_{3}$ có lẫn tạp chất $Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$ và $Ti^{4+}$ ta có saphia dùng làm đồ trang sức.

II. NHÔM HIĐROXIT

- Tính chất vật lí: Chất rắn, màu trắng, kết tủa ở dạng keo.

- Tính chất hóa học: Là hiđroxit lưỡng tính.

+ Tác dụng với dung dịch axit

$Al(OH)_{3}+3HCl\rightarrow AlCl_{3}+3H_{2}O$

$Al(OH)_{3}+3H^{+}\rightarrow Al^{3+}+3H_{2}O$

+ Tác dụng với dung dịch kiềm

$Al(OH)_{3}+NaOH\rightarrow NaAlO_{2}$ (natri aluminat) + $2H_{2}O$

$Al(OH)_{3}+OH^{-}\rightarrow AlO_{2}^{-}+2H_{2}O$

III. NHÔM SUNFAT

- Muối nhôm sunfat khan tan trong nước và làm dung dịch nóng lên do bị hiđrat hóa.

- Phèn chua: $K_{2}SO_{4}$.$Al_{2}(SO_{4})_{3}$.24$H_{2}O$ hay $KAl(SO_{4})_{2}$.12$H_{2}O$ được dùng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong công nghiệp nhuộm vải, chất làm trong nước,...

- Phèn nhôm: $M_{2}SO_{4}$.$Al_{2}(SO_{4})_{3}$.24$H_{2}O$ ($M^{+}$ là $Na^{+}$, $Li^{+}$, $NH_{4}^{+}$).

IV. CÁCH NHẬN BIẾT ION $Al^{3+}$ TRONG DUNG DỊCH

Cho từ từ dung dịch NaOH vào dung dịch thí nghiệm, nếu thấy kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong NaOH dư thì chứng tỏ có ion $Al^{3+}$ do phản ứng:

$Al^{3+}+3OH^{-}\rightarrow Al(OH)_{3}$

$Al(OH)_{3}+OH^{-}$ (dư) $\rightarrow AlO_{2}^{-}+2H_{2}O$