I- VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO
1. Vị trí của nhôm trong bảng tuần hoàn
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, nhôm đứng sau nguyên tố kim loại magie $(Mg)$ và trước nguyên tố phi kim silic $(Si)$.
2. Cấu tạo của nhôm
Cấu hình electron nguyên tử: Nhôm có bán kính nguyên tử $(0,125 nm)$ nhỏ hơn nguyên tử $Mg (0,16 nm)$. Nguyên tử nhôm có $13e$ được phân bố như sau: $1s^22s^22p^63s^23p^1$, trong đó có $3e$ hóa trị $(3s^23p^1)$. Ion $Al^{3+}$ có cấu hình elcetron của nguyên tử khí hiếm $Ne:$
$Al\xrightarrow{{ }}A{l^{3 + }} + 3e$
$[Ne]3s^23p^1$ $[Ne]$
$Al$ là nguyên tố $p$.
Năng lượng ion hóa: so sánh năng lượng ion hóa $I_3$ với $I_2$ của nguyên tử nhôm ta thấy $I_3 : I_2=2744 : 1816=1,5 : 1$
Như vậy, năng lượng ion hóa $I_3$ chỉ lớn hơn năng lượng ion hóa $I_2$ có $1,5$ lần.
Do vậy khi 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 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.
II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Nhôm là kim loại màu trắng bạc, mềm, dễ kéo sợi và dát mỏng. Có thẻ dát được lá nhôm mỏng $0,01 mm$ dùng để gói thực phẩm.
Nhôm là kim loại nhẹ $(2,7 g/cm^3)$, nóng chảy ở nhiệt độ $660^0C$
Nhôm dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn nhiệt bằng $2/3$ đồng nhưng lại nhẹ hơn đồng 3 lần. Độ dẫn điện của nhôm hơn sắt 3 lần.
III- TÍNH CHẤT HÓA HỌC
Nhôm có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn so với nhiều kim loại khác $E^0_{Al^{3+}/Al}=-1,66V$
Nguyên tử nhôm có năng lượng ion hóa thấp. Do vậy nhôm là kim loại có tính khử mạnh. Tuy nhiên tính khử của nhôm yếu hơn các kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ. Tính khử mạnh của nhôm được thể hiện qua những phản ứng hóa học sau:
1. Tác dụng với phi kim
Nhôm tác dụng trực tiếp và mạnh với nhiều phi kim như $O_2, Cl_2, S,... $
Thí dụ: Khi đốt nóng, bột nhôm cháy sáng trong không khí. Phản ứng tỏa nhiều nhiệt.
\[4Al + 3{O_2}\xrightarrow{{{t^0}}}2A{l_2}{O_3}\]
Nhôm bền trong không khí ở nhiệt độ thường do có màng oxit $Al_2O_3$ rất mỏng, mịn và bền chắc bảo vệ.
Bột nhôm tự bốc cháy khi tiếp xúc với khí clo:
$$2Al+3Cl_2 \xrightarrow{{ }}2AlCl_3$$
2. Tác dụng với axit
Thế điện cực chuẩn của nhôm $(E^0_{Al^{3+}/Al}=-1,66 V )$ nhỏ nên kim loại nhôm khử dễ dàng ion $H^+$ của dung dịch axit, như $HCl$ và $H_2SO_4$ loãng, giải phóng $H_2:$
\[2Al + 6HCl\xrightarrow{{ }}2AlC{l_3} + 3{H_2} \uparrow \]
\[2Al + 6{H^ + }\xrightarrow{{ }}2A{l^{3 + }} + 3{H_2} \uparrow \]
Nhôm khử $\mathop N\limits^{ + 5} $ trong $HNO_3$ ở dung dịch loãng hoặc đặc, nóng và $\mathop S\limits^{ + 6} $ trong $H_2SO_4$ ở dung dịch đặc, nóng xuống số oxi hóa thấp hơn:
$$Al+4HNO_3 loãng \xrightarrow{{t^0}}Al(NO_3)_3+NO+2H_2O$$
$$2Al+6H_2SO_4 đặc \xrightarrow{{t^0}} Al_2(SO_4)_3+3SO_2 +6H_2O$$
Nhôm không tác dụng với $H_2SO_4$ và $HNO_3$ đặc, nguội. Những axit này đã oxi hóa bề mặt kim loại tạo thành một màng oxit có tính trơ, làm cho nhôm thụ động. Nhôm bị thụ động sẽ không tác dụng với các dung dịch $HCl, H_2SO_4$ loãng.
3. Tác dụng với oxit kim loại
Ở nhiệt độ cao, $Al$ khử được nhiều oxit kim loại như $Fe_2O_3, Cr_2O_3,...$ thành kim loại tự do.
Thí dụ: \[2Al + F{e_2}{O_3}\xrightarrow{{{t^0}}}A{l_2}{O_3} + 2Fe\]
Phản ứng của $Al$ với oxit kim loại gọi là phản ứng nhiệt nhôm. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra làm nóng chảy các kim loại.
4. Tác dụng với nước
Thế điện cực của hiđro ở $pH=7 (E^0_{H_2O/H_2}=-0,41 V)$ cao hơn so với thế điện cực chuẩn của nhôm $(E^0_{Al^{3+}/Al})$ nên nhôm có thể khử được nước, giải phóng khí hiđro:
\[2Al + 6{H_2}O\xrightarrow{{ }}2Al{(OH)_3} \downarrow + 3{H_2} \uparrow \]
Phản ứng trên nhanh chóng dừng lại vì lớp $Al(OH)_3$ không tan trong nước đã ngăn cản 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 $Al_2O_3$ rất mỏng (không dày hơn $10^{-5} mm$) rất mịn và bền chắc đã không cho nước và khí thấm qua.
5. Tác dụng với dung dịch kiềm
Những đồ vật bằng nhôm bị hòa tan trong dung dịch kiềm như $NaOH, Ca(OH)_2,...$Hiện tượng này được giải thích như sau:
Trước hết, màng bảo vệ là $Al_2O_3$ bị phá hủy trong dung dịch kiềm:
$Al_2O_3+2NaOH+3H_2O \xrightarrow{{ }} 2Na[Al(OH)_4] (1)$
Natri aluminat
Tiếp đến, kim loại nhôm khử $H_2O:$
\[2Al + 6{H_2}O\xrightarrow{{}}2Al{(OH)_3} + 3{H_2} \uparrow (2)\]
Màng $Al(OH)_3$ bị phá hủy trong dung dịch bazơ:
$$Al(OH)_3+NaOH \xrightarrow{{}} Na[Al(OH)_4] (3)$$
Các phản ứng (2) và (3) xảy ra luân phiên nhau cho đến khi nhôm bị tan hết. Hai phương trình hóa học của hai phản ứng trên có thể viết gộp vào một phương trình hóa học như sau:
\[2Al + 2NaOH + 6{H_2}O\xrightarrow{{}}2Na[Al{(OH)_4}{\text{]}}\left( {dd} \right) + 3{H_2} \uparrow \]
IV- ỨNG DỤNG VÀ SẢN XUẤT
1. Ứng dụng
Nhôm và hợp kim nhôm có đặc tính nhẹ, bền đối với không khí và nước, được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ôtô, tên lửa, tàu vũ trụ.
Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc, đẹp, được dùng làm khung cửa và vật trang trí nội thất.
Nhôm có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, được dùng làm dây cáp dẫn điện thay thế cho đồng là kim loại đắt tiền. Nhôm được dùng chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt, các dụng cụ đun nấu trong gia đình.
Bột nhôm dùng để chế tạo hỗn hợp tecmit (hỗn hợp bột $Al$ và $Fe_2O_3$), được dùng để hàn gắn đường ray,...
2. Sản xuất
Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất từ quặng boxit bằng phương pháp điện phân. Hai công đoạn chính của quá trình sản xuất là:
Công đoạn tinh chế quặng boxit: Ngoài thành phần chính là $Al_2O_3. 2H_2O$ trong quặng boxit còn có tạp chất là $SiO_2$ và $Fe_2O_3$. Bằng phương pháp hóa học người ta loại bỏ các tạp chất để có $Al_2O_3$ nguyên chất.
Công đoạn điện phân $Al_2O_3$ nóng chảy: $Al_2O_3$ nóng chảy ở $2050^0C$. Người ta trộn nó với criolit $(Na_3AlF_6)$. Hỗn hợp này nóng chảy ở khoảng $900^0C$. Việc làm này một mặt tiết kiệm năng lượng đồng thời tạo được chất lỏng có tính dẫn điện tốt hơn $Al_2O_3$ nóng chảy, mặt khác hỗn hợp chất điện li này có khối lượng riêng nhỏ hơn nhôm, nổi lên trên và ngăn cản $Al$ nóng chảy không bị oxi hóa trong không khí.
Thùng điện phân có cực âm (catot) là tấm than chì ở đáy thùng. Cực dương (anot) là những khối than chì có thể chuyển động theo phương thẳng đứng.
Ở cực âm xảy ra sự khử ion $Al^{3+}$ thành kim loại $Al$:
$$Al^{3+}+3e \xrightarrow{{ }} Al$$
Ở cực dương xảy ra sự oxi hóa $O^{2-}$ thành khí $O_2$:
$$2O^{2-} \xrightarrow{{ }} O_2+4e$$
Phương trình điện phân $Al_2O_3$ nóng chảy:
$$2Al_2O_3 \xrightarrow{{đpnc}} 4Al+3O_2 \uparrow$$
Khí oxi sinh ra ở cực dương đốt cháy dần dần than chì sinh ra $CO_2$. Do vậy trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần các cực dương vào thùng điện phân. Để có được $1 kg$ nhôm cần khoảng: $2kg Al_2O_3; 0,5 kg C$ tiêu hao ở cực dương, $8-10kWh$ điện năng.