Nhôm (hay Aluminium) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số hiệu nguyên tử bằng 13.
Tác dụng với phi kimSửa đổiNhôm dễ dàng khử các nguyên tử phi kim thành các anion: 2 Al + 3 Cl 2 ⟶ 2 AlCl 3 {\displaystyle {\ce {2Al + 3Cl2 -> 2 AlCl3}}} 4 Al + 3 O 2 ⟶ 2 Al 2 O 3 {\displaystyle {\ce {4Al + 3O2 -> 2 Al2O3}}} Tác dụng với acidSửa đổiNhôm dễ dàng khử ion H + {\displaystyle {\ce {H+}}} trong các dung dịch HCl {\displaystyle {\ce {HCl}}} và H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} loãng tạo thành khí H 2 {\displaystyle {\ce {H2}}} : 2 Al + 6 H + ⟶ 2 Al 3 + + 3 H 2 {\displaystyle {\ce {2Al + 6H+ -> 2 Al^3+ +3H2}}} Nhôm tác dụng mạnh với dung dịch H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} đặc, nóng và HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} loãng hoặc đặc, nóng. Khi tham gia phản ứng, nhôm khử ion S 6 + {\displaystyle {\ce {S^6+}}} trong H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} hoặc N 5 + {\displaystyle {\ce {N^5+}}} trong HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} xuống thành số oxy hóa thấp hơn. Nhôm không thể phản ứng trong H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} đặc, nguội và HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} đặc, nguội do bị thụ động hóa bởi lớp oxide bao bọc bên ngoài (Al2O3). Khi tác dụng với dung dịch H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} đặc, nóng, nhôm khử S 6 + {\displaystyle {\ce {S^6+}}} trong H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} thành S 4 + {\displaystyle {\ce {S^4+}}} trong SO 2 {\displaystyle {\ce {SO2}}} : 2 Al + 6 H 2 SO 4 → t Al 2 ( SO 4 ) 3 + 3 SO 2 + 6 H 2 O {\displaystyle {\ce {2Al +6H2SO4 ->[t] Al2(SO4)3 +3SO2 +6H2O}}} Khi tác dụng với dung dịch HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} loãng, nhôm khử N 5 + {\displaystyle {\ce {N^5+}}} trong HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} thành N 2 + {\displaystyle {\ce {N^2+}}} trong NO {\displaystyle {\ce {NO}}} : Al + 4 HNO 3 → t Al ( NO 3 ) 3 + NO + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {Al +4HNO3 ->[t] Al(NO3)3 +NO +2H2O}}} Khi tác dụng với dung dịch HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} đặc, nóng, nhôm khử N 5 + {\displaystyle {\ce {N^5+}}} trong HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} thành N 4 + {\displaystyle {\ce {N^4+}}} trong NO 2 {\displaystyle {\ce {NO2}}} : Al + 6 HNO 3 → t Al ( NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3 H 2 O {\displaystyle {\ce {Al +6HNO3 ->[t] Al(NO3)3 +3NO2 +3H2O}}} Tác dụng với oxide kim loạiSửa đổiỞ nhiệt độ cao, nhôm khử được các ion kim loại hoạt động yếu hơn trở thành các đơn chất kim loại. Phản ứng này được gọi là phản ứng nhiệt nhôm. Tác dụng với nước và dung dịch kiềmSửa đổiỞ điều kiện thường, nhôm không phản ứng với nước vì có lớp oxide Al2O3 bên ngoài bảo vệ. Nhưng khi phá bỏ lớp oxide (hoặc tạo hỗn hống Al-Hg, vì hỗn hống sẽ ngăn không cho nhôm tác dụng với oxy tạo oxide), nhôm phản ứng ngay với nước giải phóng hydro và năng lượng: 2 Al + 6 H 2 O ⟶ 2 Al ( OH ) 3 + 3 H 2 {\displaystyle {\ce {2 Al +6H2O -> 2 Al(OH)3 + 3 H2}}}Tính chất này có thể dùng để sản xuất hydro, tuy nhiên phản ứng này mau chóng dừng lại vì tạo lớp kết tủa keo lắng xuống, ngăn cản phản ứng xảy ra.[8] Khi ngâm trong dung dịch kiềm đặc, lớp màng này sẽ bị phá hủy theo phản ứng: Al ( OH ) 3 + NaOH ⟶ NaAlO 2 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {Al(OH)3 +NaOH -> NaAlO2 + 2H2O}}}Tiếp tục Al lại tác dụng với nước như phản ứng trên. Quá trình này lại diễn ra đến khi Al bị hòa tan hết. Tác dụng với muốiSửa đổiNhôm có thể đẩy được kim loại đứng sau trong dãy hoạt động hóa học kim loại ra khỏi dung dịch muối của chúng: 2 Al + 3 CuSO 4 ⟶ 2 Al 2 ( SO 4 ) 3 + 3 Cu {\displaystyle {\ce {2 Al +3CuSO4 -> 2 Al2(SO4)3 + 3 Cu}}} Lịch sửSửa đổiTham chiếu đầu tiên tới nhôm (mặc dù không thể chứng minh) là trong Naturalis Historia của Gaius Plinius Secundus (tức Pliny anh): 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.[9][10] 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 chất làm se vết thương,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 aluminum. Tên tuổi của Friedrich Wöhler 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 Ørsted. Nhôm được chọn làm chóp cho đài kỷ niệm Washington vào thời gian khi một aoxơ (28,35 g) có giá trị bằng hai lần ngày lương của người lao động.[11] Trước năm 1880, nhôm có giá trị rất cao, hơn cả vàng và bạc. Nguyên do của việc này chính là và thời điểm đó, khoa học chỉ mới có cách tách những mẫu nhôm rất nhỏ. Một vài dẫn chứng cụ thể là việc Napoleon III - tổng thống Pháp cho dùng dụng cụ ăn uống bằng nhôm khi tiếp đón các vị khác quan trọng nhất; vua Đan Mạch đội vương miện bằng nhôm và các quý bà ở Paris thường đeo trang sức và sử dụng ống nhòm bằng nhôm nhằm thể hiện sự giàu có.[12] 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 Wöhler (năm 1846) và thể hiện nó trong cuốn sách năm 1859 với hai cải tiến trong quy trình. Phát minh của quy trình Hall-Héroult 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.[13]. Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt[14], 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[15]. Khi được gia công cơ nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể.
Quặng Boxit chứa nhôm. Đồng vị bền của nhôm được tạo ra khi hydro hợp hạch với magiê hoặc trong các sao lớn hoặc trong các vụ nổ siêu tân tinh.[18] Mặc dù nhôm là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất (8,3% theo khối lượng)[19], 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 oxy hóa rất nhanh và oxide 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, oxide nhôm (Al2O3). Việc khử trực tiếp, ví dụ với cacbon, là không kinh tế vì oxide nhôm có điểm nóng chảy cao (khoảng 2.000°C). Vì thế, nó được tách ra bằng cách điện phân – oxide 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. Phương trình để điều chế nhôm là: 2Al2O3 -> 4Al + 3O2Cryôlit 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 fluoride nhôm, natri và calci (Na3AlF6). Oxide nhôm trong dạng bột màu trắng thu được từ quặng boxide tinh chế, quặng này có màu đỏ vì chứa khoảng 30-40% oxide 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 Wöhler, là công nghệ khử chloride nhôm khan với kali. Các điện cực trong điện phân oxide 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- → AlỞ đây các ion nhôm bị biến đổi (nhận thêm điện tử). Nhôm kim loại sau đó chìm xuống và được đưa ra khỏi lò điện phân. Tại cực dương (anode) oxy dạng khí được tạo thành: 2O2- → O2 + 4e-Cực dương cacbon bị oxy hóa bởi oxy. Cực dương bị hao mòn dần và phải được thay thế thường xuyên, do nó bị tiêu hao do phản ứng: O2 + C → CO2Ngược lại với anốt, các catốt gần như không bị tiêu hao trong quá trình điện phân do không có oxy ở gần nó. Catốt cacbon được bảo vệ bởi nhôm lỏng trong lò. Các catốt bị ăn mòn chủ yếu là do các phản ứng điện hóa. Sau 5-10 năm, phụ thuộc vào dòng điện sử dụng trong quá trình điện phân, các lò điện phân cần phải sửa chữa toàn bộ do các catốt đã bị ăn mòn hoàn toàn. Điện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Héroult tiêu hao nhiều điện năng, nhưng các công nghệ khác luôn luôn có khuyết điểm về mặt kinh tế hay môi trường hơn công nghệ này. Tiêu chuẩn tiêu hao năng lượng phổ biến là khoảng 14,5-15,5 kWh/kg nhôm được sản xuất. Các lò hiện đại có mức tiêu thụ điện năng khoảng 12,8 kWh/kg. Dòng điện để thực hiện công việc điện phân này đối với các công nghệ cũ là 100.000-200.000 A. Các lò hiện nay làm việc với cường độ dòng điện khoảng 350.000 A. Các lò thử nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 A. Năng lượng điện chiếm khoảng 20-40% trong giá thành của sản xuất nhôm, phụ thuộc vào nơi đặt lò nhôm. Các lò luyện nhôm có xu hướng được đặt ở những khu vực mà nguồn cung cấp điện dồi dào với giá điện rẻ, như Nam Phi, đảo miền nam New Zealand, Úc, Trung Quốc, Trung Đông, Nga và Québec ở Canada. Trung Quốc hiện là nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới (năm 2004). Nhôm có chín đồng vị, số A 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 4,55 tỷ năm.[20] CụmSửa đổiTrong tạp chí Science ngày 14 tháng 1 năm 2005 đã thông báo rằng các cụm 13 nguyên tử nhôm (Al13) được tạo ra có tính chất giống như nguyên tử iod; và 14 nguyên tử nhôm (Al14) có tính chất giống như nguyên tử kim loại kiềm thổ. Các nhà nghiên cứu còn liên kết 12 nguyên tử iod với cụm Al13 để tạo ra một lớp mới của pôlyiodide. Sự phát kiến này được thông báo là mở ra khả năng của các đặc tính mới của bảng tuần hoàn các nguyên tố: "các nguyên tố cụm". Nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Shiv N. Khanna (Đại học Virginia Commonwealth) và A. Welford Castleman Jr (Đại học tiểu bang Penn).[21] 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 tiêu chảy), Amphojel® và Maalox® (thuốc chống chua). 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 oxide nhôm bảo vệ thông thường có trên bề mặt các tấm nhôm. Trong vài giờ, thậm chí cả 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. Trạng thái oxy hóa 1Sửa đổi
Trạng thái oxy hóa 2Sửa đổi
Trạng thái oxy hóa 3Sửa đổi
Nhôm chính là một trong những yếu tố làm giảm sự tăng trưởng thực trên các đất chua. Mặc dù nó không gây hại đối với sự phát triển của thực vật ở các đất có độ pH trung tính, khi nồng độ của cation Al3+ trong đất chua tăng và làm rối loạn sự phát triển và chức năng của rễ.[22][23][24][25] Hầu hết các đất chua được bảo hòa với nhôm hơn là các ion hydro. Độ chua của đất là kết quả của quá trình thủy phân các hợp chất nhôm.[26] Khái niệm dùng vôi để điều chỉnh độ chua[27] để xác định mức độ bảo hòa cơ sở trong các loại đất là cơ sở cho các công đoạn thí nghiệm đất trong phòng thí nghiệm, từ đó xác định lượng vôi cần thiết[28] cung cấp cho đất.[29]
Video liên quanChủ đề |