Nhôm (Al), Cấu hình electron, Tính chất hoá học, Điều chế, Ứng dụng

Nhôm (Aluminum trong tiếng Anh) là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Al và số hiệu nguyên tử là 13. Nó là kim loại nhẹ, màu bạc, có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, và không dẫn điện. Nhôm được tìm thấy trong vô số khoáng chất khác nhau, bao gồm bauxit, feldspar và mica. Nhôm có nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày, bao gồm sản xuất đồ gia dụng, vỏ máy bay, vỏ tàu thủy, vỏ xe hơi, đồng hồ, vỏ điện thoại, đèn LED, vật liệu xây dựng và nhiều ứng dụng khác. Để hiểu rõ hơn cùng đi tìm hiểu kỹ hơn về Nguyên tố Nhôm (Al), Cấu hình electron, Tính chất hoá học, Điều chế, Ứng dụng trong đời sống hàng ngày ra sao.

Nhôm (Al) là gì?

Nhôm (bắt nguồn từ tiếng Pháp: Aluminium, phiên âm tiếng Việt: a-luy-mi-nhôm) là tên của một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13.

Nhôm thuộc kim loại, có màu sắc trắng ánh bạc, mềm và nhẹ. Nhôm có độ phản chiếu cao cũng như có tính dẫn nhiệt và dẫn điện lớn. Nhôm là kim loại không độc và có tính chống mài mòn. Nhôm cũng là kim loại có nhiều thành phần nhất.

Trong tự nhiên rất khó để tìm được nhôm nguyên chất, thông thường kim loại này được tìm thấy khi được kết hợp cùng oxygen cùng với những nguyên tố khác. Người ta vẫn thường gọi là hợp kim nhôm trong cuộc sống hàng ngày.

Lịch sử của kim loại Nhôm

Khám phá về kim loại này được công bố vào năm 1825 bởi nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Ørsted, người có công trình được mở rộng bởi nhà hóa học người Đức Friedrich Wöhler. Nhôm rất khó tinh chế và do đó không phổ biến trong sử dụng thực tế. Ngay sau khi phát hiện ra, giá nhôm đã vượt quá vàng.

Nguyên tố Nhôm (Al) trong bảng tuần hoàn

Nguyên tố Nhôm (Al) có số hiệu nguyên tử là 13 và được đặt ở vị trí thứ ba trong chu kỳ 3 của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Vị trí này tương ứng với các nguyên tố có cấu hình electron là [Ne] 3s2 3p1. Nhôm là một kim loại nhẹ và có tính bán dẫn. Nó được phân loại trong nhóm 13 (hay còn gọi là nhóm boron) cùng với các nguyên tố khác như Bor (B), Gallium (Ga), Indium (In) và Thallium (Tl).

Số nguyên tử (Z)	13
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (A_r)	26,9815386(13)
Phân loại	Kim loại
Nhóm, phân lớp	13, p
Chu kỳ	Chu kỳ 3
Cấu hình electron	[Ne] 3s² 3p¹
Mỗi lớp	2, 8, 3

Tính chất vật lý của Nhôm(Al)

Đặc điểm của nhôm là kim loại có cấu trúc mạng lập phương tâm diện. Ngoài ra, khi nhắc tới tính chất của nhôm và cụ thể chính là tính chất vật lý, ta không thể không nhắc tới tính dẫn điện của nhôm hay tính dẫn nhiệt tốt của hợp chất này. Nhôm nóng chảy ở nhiệt độ 660oC.

Bằng mắt thường, ta có thể thấy nhôm có màu trắng bạc, cứng, bền và dai. Người ta có thể dễ dàng kéo sợi hay dát mỏng nhôm. Khối lượng riêng của nhôm là 2,7 g/cm3.

Màu sắc	Ánh kim trắng bạc
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	933,47 K (660,32 °C, 1220,58 °F)
Nhiệt độ sôi	2792 K (2519 °C, 4566 °F)
Mật độ	2,70 g·cm⁻³ (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	Ở nhiệt độ nóng chảy: 2,375 g·cm⁻³
Nhiệt lượng nóng chảy	10,71 kJ·mol⁻¹
Nhiệt bay hơi	294,0 kJ·mol⁻¹
Nhiệt dung	24,200 J·mol⁻¹·K⁻¹
Áp suất hơi

Tính chất hóa học, hợp chất có trong Nhôm

Những tính chất hóa học của nhôm cơ bản dưới đây sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nhôm phản ứng được với chất nào và trong nhôm có những hợp chất nào nhé.

Nhôm (Al) tác dụng với các phi kim

Trên thực tế, các vật liệu được làm từ nhôm đều có một lớp oxit bảo vệ trên bề mặt. Nhôm phản ứng được với oxi trên bề mặt. Vì khi phản ứng, nhôm sẽ tạo ra một lớp màng oxit bao phủ bề mặt. Qua đó bảo vệ và ngăn cản nhôm tác dụng với oxi để tạo ra oxit.

2Al + 3O2 => Al2O3

Al2O3 là một oxit lưỡng tính, vì thế tính chất hóa học của Al2O3 sẽ thuộc dạng một oxit lưỡng tính. Tức là nó có thể phản ứng với cả axit và bazơ.

Bên cạnh đó, nhôm còn phản ứng được với các phi kim khác để tạo ra muối.

Ví dụ:

2Al + 3Cl2 => 2AlCl3
2Al + 3S => Al2S3

Tác dụng với nước

Trên thực tế, Al sẽ không phản ứng được với nước vì được bảo vệ bởi lớp oxit mỏng. Khi lớp oxit được phá bỏ, nguyên tố al phản ứng trực tiếp với nước.

2Al + 6H2O => 2Al(OH)3 + 3H2

Tác dụng với oxit của kim loại kém hoạt động hơn (phản ứng nhiệt nhôm)

Al có thể khử được oxit của các kim loại đứng sau nó trong dãy hoạt động hóa học: 2Al + 3FeO => Al2O3 + 3Fe

Tác dụng với dung dịch axit

Với các axit khác nhau, nhôm sẽ có phản ứng khác nhau.

Cụ thể:

Với các axit HCl và H2SO4 loãng, nhôm có thể dễ dàng phản ứng và tạo ra muối và hidro: 2Al + 6HCl => 2AlCl3 + 3H2

Với H2SO4 loãng: 2Al + 3H2SO4 => Al2(SO4)3 + 3H2

Với các axit có tính oxi hóa mạnh như HNO3 hoặc H2SO4 đậm đặc:

Al + 4HNO3 => Al(NO3)3 + NO + 2H2O
Al + 6HNO3 => Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
2Al + 6H2SO4 => Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Tác dụng với dung dịch bazơ

Al có thể dễ dàng tham gia những phản ứng với các dung dịch kiềm: Al + NaOH + H2O => NaAlO2 + 1,5 H2

Trước tiên, Al tham gia phản ứng với nước sau đó sẽ sinh ra Al(OH)3. Đây là một hidroxit lưỡng tính có thể tan được trong dung dịch kiềm.

Tác dụng với dung dịch muối

Al có thể đẩy được kim loại đứng sau trong dãy hoạt động kim loại ra khỏi dung dịch muối của chúng: 2Al + 3CuSO4 => Al2(SO4)3 + 3Cu

Phản ứng nhiệt nhôm

Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học toả nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở nhiệt độ cao. Ví dụ nổi bật nhất là phản ứng nhiệt nhôm giữa oxit sắt III và nhôm:

Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

Một số phản ứng khác như:

3CuO+ 2Al → Al2O3 + 3Cu
8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe
3Mn3O4 + 8 Al → 4 Al2O3 + 9 Mn
Cr2O3 + 2 Al→ Al2O3 + 2 Cr

Phản ứng này lần đầu tiên được sử dụng để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon. Phản ứng này toả nhiệt rất cao, nhưng nó có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn phải được phá vỡ trước. Oxit kim loại được đun nóng với nhôm trong một lò đun. Phản ứng này chỉ có thể sử dụng để sản xuất số lượng nhỏ vật liệu.

Phản ứng nhiệt nhôm còn được sử dụng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm hay Von farm). Do tính chất thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội, người ta sẽ sử dụng thùng nhôm để chuyên chở hai loại axit này.

Người ta thường sử dụng các phản ứng này để có thể hàn đường sắt tại chỗ, hữu ích cho việc cài đặt phức tạp hoặc sửa chữa tại chỗ mà không thể được thực hiện bằng cách sử dụng cách hàn đường sắt liên. Phản ứng nhiệt nhôm cũng được sử dụng để sản xuất phần lớn hợp kim sắt, ví dụ như ferroniobium từ niobium pentoxit và ferrovanadium từ Vanadi oxit. Các kim loại khác cũng được sản xuất bằng phương pháp này.

Điều chế Nhôm

Hiện nay, cách điều chế chủ yếu nhất là tách nhôm trong quặng boxit nhôm có lẫn SiO2 và Fe2O3.

Nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân bauxit, một loại quặng chứa khoảng 40-60% oxit nhôm, trong điện phân dung dịch đậm đặc của bauxit trong điện phân tế bào (potassium aluminum sulfate) ở nhiệt độ cao. Quá trình sản xuất nhôm thông thường bao gồm các bước sau:

Khai thác quặng bauxit: Quặng bauxit được khai thác từ các mỏ bậc thang ở các vùng châu Phi, Châu Á và Châu Đại Dương.
Xử lý quặng bauxit: Quặng bauxit được nghiền và xử lý để tách riêng tinh thể oxit nhôm từ các khoáng chất khác.
Điện phân bauxit: Tinh thể oxit nhôm được trộn với dung dịch đậm đặc của kali nhôm sunfat và điện phân ở nhiệt độ cao trong tế bào điện phân để sản xuất nhôm.
Tách luyện nhôm: Sau khi quá trình điện phân kết thúc, nhôm được tách ra khỏi tế bào điện phân và tiếp tục qua các bước luyện để loại bỏ các tạp chất và sản xuất ra nhôm đúc hoặc nhôm cuộn tấm.

Việc sản xuất nhôm là một quá trình phức tạp và đòi hỏi năng lượng cao, tuy nhiên nhôm là một kim loại rất phổ biến và có nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày.

Ứng dụng của Nhôm (Al)

Nhôm có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Kim loại này còn được các thương hiệu nhôm tại Việt Nam dùng để tạo thành các loại vỏ máy bay do độ bền chắc và mỏng nhẹ của nó. Nhôm cũng được dùng để sản xuất các thiết bị và dụng cụ sinh hoạt như nồi, chảo, các đường dây tải điện, các loại cửa,…

Chúng ta dễ dàng có thể thấy rằng nhôm được phổ biến và ứng dụng rất nhiều trong đời sống chẳng hạn như:

Trong ngành xây dựng

Ngành xây dựng sẽ được ứng dụng nhôm làm:

Cửa đi chính
Cửa sổ
Khung sườn nhôm
Vách ngăn
Mặt dựng
Mái hiên
…

Trong ngành công nghiệp

Ứng dụng nhôm trong ngành công nghiệp sẽ liên quan đến:

Làm khung máy
Thùng xe tải
Thanh tản nhiệt
…

Trong hàng tiêu dùng

Ngoài ra, chất liệu nhôm còn được áp dụng trong một số hàng tiêu dùng như:

Tủ trưng bày
Thanh treo màn
Bảng treo tường
Thang
Giường
Bàn ghế nhôm
…

Từ các vật dụng trong đời sống đến những công trình xây dựng đều sử dụng tới vật liệu nhôm là chủ yếu. Không những vậy, ứng dụng của kim loại nhôm trong y học cũng là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển.

Lời kết

Vậy là chúng ta đã tìm hiểu xong về những tính chất của nhôm cũng như ứng dụng và vai trò của nhôm trong cuộc sống. Đây là một kim loại phổ biến trong cuộc sống. Hi vọng với nội dung trên