SGK Hóa Học 12 - Bài 27: Nhôm và hợp chất của nhôm
p CHẤT CỦA NHÔM ì nhôm trong báng tuần hoàn, cấu tạo ìh chất vật lí, tính chất hoá học cúa nhôm, rhương pháp sán xuất nhôm. 'à ứng dụng cúa một số hợp chất _ nhôm. A. NHÔM I - VI TRÍ TRONG BÀNG TUẨN HOÀN, CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TÙ Nhôm (Al) ở ô số 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3 của bảng tuần hoàn. Cấu hình electron nguyên tử : 1 s22s22p63s23p’ ; viết gọn là [Ne]3s23p’. Nhôm dễ nhường cả 3 electron hoá trị nên có số ox i hoá +3 trong các hợp chất. - TÍNH CHẤT VẬT LÍ ’ » Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nóng chảy ở 660°C, khá mềm, dễ kéo sợi, dễ dát mỏng. Có thể dát được những lá nhôm mỏng 0,01 mm dùng làm giấy gói kẹo, gói thuốc lá,... Nhôm là kim loại nhẹ (D = 2,7 g/cm3), dẫn điện tốt (gấp 3 lần sắt, bằng 2/3 lần đồng) và dẫn nhiệt tốt (gấp 3 lần sắt). - TÍNH CHÃT HOÁ HỌC Nhôm là kim loại có tính khử mạnh, chỉ sau kim loại kiềm và kiềm thổ, nên dễ bị oxi hoá thành ion dưomg. AI -> Al3+ + 3e Tác dụng với phi kim Nhôm khử dễ dàng các nguyên tử phi kim thành ion âm. Tác dụng với halogen Bột nhôm tự bốc cháy khi tiếp xúc với khí clo. 2A1 + 3C12 -> 2A1C13 Tác dụng với oxi Khi đốt, bột nhôm cháy trong không khí với ngọn lửa sáng chói, toả nhiều nhiệt (hình 6.3) : 4A1 + 3O2 —2A12O3 Nhôm bền trong không khí ở nhiệt độ thường do có màng oxit A12O3 rất mỏng và bền bảo vệ. Hình 6.3. Thí nghiệm đốt bột nhôm trong không khí Tác dụng với axit Nhôm khử dễ dàng ion H+ trong dung dịch HC1 và H2SO4 loãng thành khí H2. 2A1 + 6HG1 -> 2A1CI3 + 3H2t Nhôm tẳc dụng mạnh với dung dịch HNO3 loãng, HNO3 đặc, nóng và H2SO4 +5 +6 dặc, nóng. Trong các phản ứng này, AI khử N hoặc s xuống số oxi hoá thấp hơn. Thí dụ : AI + 4HNO3 (loãng) —A1(NO3)3 + Not + 2H2O 2A1 + 6H2SO4 (đặc) —A12(SO4)3 + 3SO2t + 6H2O • Nhôm bị thụ động bởi dung dịchaxit HNO3 đặc. nguội hoặc HọSO4 đặc, nguội. Vì vậy, có thể dùng thùng nhôm để chuyên chở những axit đặc, nguội nói trên. Tác dụng với oxit kim loại Ở nhiệt độ cao, AI khử được nhiều ion kim loại trong oxit. 77zz' dụ phản ứng giữa bột nhôm và sắt oxit: 2A1 + Fe2O3 —A12O3 + 2Fe Phản ứng trên gọi là phản ứng nhiệt nhôm (hình 6.4). Nhiệt lượng do phản ứng toả ra lớn làm sắt nóng chảy nên phản ứng này được dùng để điều chế một lượng nhỏ sắt nóng chảy khi hàn đường ray. Hỗn hợp bột AI và Fe2O3 có dài magie làm mồi AI khử Fe2O3 tạo ra nhiệt độ trên 2000°c Sản phẩm là A!2O3 và Fe nóng chảy Hình 6.4. Phản ứng nhiệt nhôm Tác dụng VỚI nước Nếu phá bỏ lớp oxit trên bề mặt nhôm (hoặc tạo thành hỗn hống AI - Hg), thì nhôm sẽ tác dụng với nước ở nhiệt độ thường. 2A1 + 6H2O -> 2Al(OH)3ị + 3H2t (1) Nhôm không tác dụng với nước, dù ở nhiệt độ cao là vì trên bề mặt của nhôm được phủ kín một lớp A12O3 rất mỏng, bền và mịn, không cho nước và khí thấm qua. Tác dụng với dung dịch kiềm A12O3 là oxit lưỡng tính nên lớp màng mỏng A1-,O3 trên bề mặt nhôm tác dụng với dung dịch kiềm tạo ra muối tan. Khi không còn màng oxit bảo vệ, nhôm sẽ tác dụng với nước tạo ra A1(OH)3 và giải phóng khí Họ ; A1(OH)3 là hiđroxit lưỡng tính nên tác dụng tiếp với dung dịch kiềm. A1(OH)3 + NaOH -> NaA102 + 2H2O (2) Trong dung dịch NaAlO2 kết hợp với 2 phân tử H2O tạo ra Na[Al(OH)4] nên phản ứng (2) còn có thể viết: A1(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]. natri aluminat Phản ứng nhôm tan trong dung dịch kiềm xảy ra theo phương trình (1) và phương trình (2). Cộng (1) và (2) ta có phương trình hoá học sau : 2A1 + 2NaOH + 2H-2O 2NaA102+3H2f Như vậy, nhôm có thể tan trong dưng dịch kiềm và giải phóng khí hiđro. - ỨNG DỤNG VÀ TRẠNG THÁI Tự NHIÊN ứng dụng Nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là nhẹ, bền đối với không khí và nước nên được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô, tên lửa, tàu vũ trụ. Nhôm và hợp kim của nhôm có màu trắng bạc, đẹp nên được dùng trong xây dựng nhà cửa và trang trí nội thất. Nhôm nhẹ, dãn điện tốt nên được dùng làm dây dẫn điện thay cho đồng. Do dẫn nhiệt tốt, ít bị gỉ và không độc nên nhôm được dùng làm dụng cụ nhà bếp. Bột nhôm trộn với bột sắt oxit (gọi là hỗn hợp tecmit) để thực hiện phản ứng nhiệt nhôm dùng hàn đường ray. Trạng thái tự nhiên Nhôm là kim loại hoạt động mạnh nên trong tự nhiên chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Nhôm là nguyên tố đứng hàng thứ ba sau oxi và silic về độ phổ biến trong vỏ Trái Đất. Hợp chất của nhôm có mặt khắp nơi, như có trong đất sét (Al2O3.2SiO9.2H9O), mica (K2O.A1ỌO3.6SĨO2), boxit (A1ỌO3.2H2O), criolit (3NaF.AlF3),... Hình 6.5. Quặng boxit V-SẢN XUẤT NHÔM Trong công nghiệp, nhôm được sân xuất bằng phương pháp điện phân nhôm oxit nóng chảy. Nguyên liệu Nguyên liệu để sản xuất nhôm là quặng boxit A12O3.2H2O. Boxit thường lẫn tạp chất là Fe9O3 và SiOọ. Sau khi loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hoá học thu được A1ọO3 gần nguyên chất. Điện phân nhôm oxit nóng chảy • Nhiệt độ nóng chảy của A12O3 rất cao (2050°C), vì vậy phải hoà tan A1ỌO3 trong criolit nóng chảy để hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống 900°C. Việc làm này vừa tiết kiệm được năng lượng, vừa tạo được chất lỏng có tính dẫn điện tốt hơn A12O3 nóng chảy. Mặt khác, hỗn hợp này có khối lượng riêng nhỏ hơn nhôm, nổi lên trên và bảo vệ nhôm nóng chảy không bị oxi hoá bởi O2 trong không khí. • Quá trình .điện phân : Cực âm (catot) của thùng điện phân là một tấm than chì nguyên chất được bố trí ở đáy thùng. Ớ catot xảy ra quá trình khử ion Al3+ thành AI : Al3+ + 3e ai Nhôm nóng chảy được định kì tháo ra từ đáy thùng. Cực dương (anot) cũng là những khối than chì lớn. Ớ anot xảy ra quá trình oxi hoá ion 02_ thành khí O2. 2O2- —> O2 + 4e Khí Oọ ở nhiệt độ cao đốt cháy c thành khí co và co2. Vì vậy, sau một thời gian phải thay thế điện cực dương. Hình 6.6. Sơ đồ thùng điện phân AI7O3 nóng chảy B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NHÔM I - NHÔM OXIT Tính chất • Nhôm oxit (A12O3) là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước và không tác dụng với nước, nóng chảy ở trên 2050°C. • Nhòm oxit là oxit lưỡng lính, vừa tác dụng với axit, vừa tác dụng với bazơ. A1ọO3 tác dụng với dung dịch axit, thí dụ : A12O3 +6HC1 -> 2A1C13 + 3H2O A12O3 + 6H+ -> 2A13+ + 3H2O A1ọO3 tác dụng với dung dịch kiềm, thí dụ : A12O3 + 2NaOH 2NaA102 + H2O natri aluminat A12O3 + 2OH- 2A1O; +H2O ứng dụng Hình 6.7 .Một số mẫu vật saphia Trong tự nhiên, nhôm oxit tồn tại dưới dạng ngậm nước và dạng khan. Dạng oxit ngậm nước là thành phần chủ yếu của quạng boxit (A12O3.2HỌO) dùng để sản xuất nhôm. Dạng oxit khan, có cấu tạo tinh thể là đá quý. Dạng này ít phổ biến và thường gặp là : + Corinđon ở dạng tinh thể trong suốt, không màu, rất rắn, được dùng để chế tạo đá mài, giấy nhám,... + Trong tinh thể A1-,O3, nếu một số ion Al3+ được thay bằng ion Cr3+ ta có hồng ngọc dùng làm đồ trang sức, chân kính đồng hồ và dùng trong kĩ thuật laze. + Tinh thể A1-,O3 có lẫn tạp chất Fe2+, Fe3+ và Ti4+ ta có saphia dùng làm đồ trang sức (hình 6.7). + Bột nhôm oxit dùng trong công nghiệp sản xuất chất xúc tác cho tổng hợp hữu cơ. II - NHỔM HIĐROXIT Nhôm hiđroxit (A1(OH)3) là chất rắn, màu trắng, kết tủa ở dạng keo. A1(OH)3 là hiđroxit lửỡng tính. Ĩ7zz nghiệm : Điều chế A1(OH)3 trong 2 ống nghiệm bằng cách cho dung dịch muối nhôm tác dụng với dung dịch amoniac : A1C13 + 3NH3 + 3H2O -> Al(OH)3ị + 3NH4C1 Al3+ + 3NH3 + 3H2O -> Al(OH)3ị + 3NH+ Cho dần từng giọt dung dịch axit mạnh như HC1 đến dư vào ống nghiệm thứ nhất, thấy kết tủa tan ra : A1(OH)3 + 3HC1 -> A1C13 + 3H2O A1(OH)3 + 3H+ -> Al3+ + 3H2O Cho dần từng giọt dung dịch kiềm mạnh (NaOH, KOH, Ca(OH)2) đến dư vàó ống nghiệm thứ hai, thấy kết tủa cũng tan ra : A1(OH)3 + NaOH -> NaA102 + 2H2O A1(OH)3 + OH- -> A1O2 +2H2O Nhôm hiđroxit thể hiện tính bazơ trội hơn tính axit. Do có tính axit nên nhôm hiđroxit còn có tên là axit aluminic. Axit aluminic là axit rất yếu, yếu hơn axit cacbonic. Ill - NHÔM SUNFAT Muối nhôm sunfat khan tan trong nước toả nhiệt làm dung dịch nóng lên do bị hiđrat hoá. Muối nhôm sunfat có nhiều ứng dụng nhất là muối sunfat kép của nhôm và kali ngậm nước gọi là phèn chua, công thức : K9SO4.A12(SO4)3.24H2O, hay viết gọn là : KA1(SO4)2.12H-,O. Phèn chua được dùng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong ngành nhuộm vải, chất làm trong nước,... Trong công thức hoá học trên, nếu thay ion K+ bằng Li+, Na+ hay NH+ ta được các muối kép khác có tên chung là phèn nhôm (nhưng không gọi là phèn chua). - CÁCH NHẬN BIẾT ION Al3+ TRONG DUNG DỊCH Cho từ từ dung dịch NaOH đến dư vào dung dịch thí nghiệm, nếu thấy có kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong NaOH dư thì chứng tỏ có ion Al3+. AI3++3OHT > AỈ(OH)3ị A1(OH)3 + OH~(dư) 4 A1O2 +2H2O BÀI TẬP Viết phương trình hoá học của các phản ứng thực hiện dãy chuyển đổi sau : AI —> AICI3 —AI(OH)3 —NaAIO2 AI(OH)3 —AI2O3 —AI Có 2 lọ không ghi nhãn đựng dung dịch AICI3 và dung dịch NaOH. Không dùng thêm chất nào khác, làm thế nào để nhận biết mỗi chất ? Phát biểu nào dưới đây là đúng ? Nhôm là một kim loại lưỡng tính. AI(OH)3 là một bazơ lưỡng tính. c. AI2O3 là oxit trung tính. D. AI(OH)3 là một hiđroxit lưỡng tính. Trong những chất sau, chất nào không có tính lưỡng tính ? B. AI2O3; D. NaHCOg. A. AI(OH)3; c. ZnSO4; Cho một lượng hỗn hợp Mg - AI tác dụng với dung dịch HCI dư thu được 8,96 lít H2. Mặt khác, cho lượng hỗn hợp như trên tác dụng với dung dịch NaOH dư thì thu được 6,72 lít H2. Các thể tích khí đều đo ở đktc. Tính khối lượng của mỗi kim loại có trong lượng hỗn hợp đã dùng. Cho 100 ml dung dịch AICI3 1M tác dụng với 200 ml dung dịch NaOH. Kết tủa tạo thành được làm khô và nung đến khối lượng không đổi cân nặng 2,55 gam. Tính nồng độ mol của dung dịch NaOH ban đầu. Có 4 mẫu bột kim loại là Na, AI, Ca, Fe. Chỉ dùng nước làm thuốc thử thì sô' kim loại có thể phân biệt được tối đa là bao nhiêu ? A. 1. ’ , B. 2. c. 3. D. 4. Điện phân AI2O3 nóng chảy với dòng điện cường độ 9,65A trong thời gian 3000 giây, thu được 2,16 gam AI. Hiệu suất của quá trình điện phân là A. 60%. B. 70%. c. 80%. D. 90%.