Chuyên đề 8. Kim loại nhóm A

Lý thuyết về nhôm

I. VỊ TRÍ TRONG BẢNG TUẦN HOÀN

- Cấu hình e nguyên tử: 13Al: 1s22s22p63s23p1 

- Vị trí: Al thuộc ô 13, chu kì 3, nhóm IIIA.

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

- Mạng lập phương tâm diện, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt; t0nc = 6600C .

- Màu trắng bạc, khá bền và dai, dễ kéo sợi và dát mỏng, nhẹ (D = 2,7).

- Một số hợp kim của nhôm:

     + Đuyra (95% Al; 4% Cu; 1% Mg, Mn, Si): nhẹ bằng 1/3 thép, cứng gần bằng thép.

     + Silumin (gần 90% Al; 10% Si): nhẹ, bền.

     + Almelec (98,5% Al; còn lại là Mg, Si và Fe) dùng làm dây cáp.

     + Hợp kim electron (10,5% Al; 83,3% Mg còn lại là Zn, Mn...): chỉ nặng bằng 65% Al lại bền hơn thép, chịu được sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ trong một giới hạn lớn nên được dùng làm vỏ tên lửa.

III. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

     Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ quả đất. Trong tự nhiên, Al có trong:

- Đất sét: Al2O3.2SiO2.2H2O.

- Mica: K2O.Al2O3.6SiO2.2H2O.

- Boxit: Al2O3.nH2O.

- Criolit: 3NaF.AlF3 hay (Na3AlF6).

IV. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

     Có tính khử mạnh:                 

Al → Al3+ + 3e

1. Tác dụng với các phi kim

a. Với oxi

- Al chỉ phản ứng với oxi trên bề mặt (vì tạo ra lớp màng oxit bao phủ bề mặt, bảo vệ và ngăn cản Al tham gia phản ứng tiếp):        

2Al + 3O2  Al2O3

- Bột Al cháy trong không khí khi được đun nóng cho ngọn lửa màu sáng chói.

- Muốn phản ứng xảy ra hoàn toàn thì phải loại bỏ lớp oxit bao phủ trên bề mặt Al (bằng cách tạo hỗn hống Al - Hg hoặc dùng Al bột đun nóng).

b. Với các phi kim khác

- Nhôm phản ứng được với các phi kim khác → muối.

- Al tự bốc cháy khi tiếp xúc với các halogen:                                   

2Al + 3X2  2AlX3

- Khi đun nóng, Al tác dụng với bột S:                                              

2Al + 3S  Al2S3

- Khi nhiệt độ rất cao, Al kết hợp với C và N2:                                  

4Al + 3C  Al4C3 (8000C)

2. Tác dụng với nước

- Al không phản ứng với nước vì được lớp oxit mỏng, bền và đặc khít bảo vệ. Nếu phá bỏ lớp oxit bao phủ bề mặt, Al phản ứng trực tiếp với nước.              

2Al + 6H2O  2Al(OH)3 + 3H2

- Al(OH)3 là chất kết tủa dạng keo màu trắng khi sinh ra sẽ bao kín bề mặt của Al kim loại ngăn cách không cho Al tiếp xúc với nước để phản ứng tiếp nữa. Phản ứng này chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết.

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

- Al khử được oxit của các kim loại đứng sau nó:                 

2yAl + 3FexOy  yAl2O3 + 3xFe

- Những lưu ý khi giải bài tập về phản ứng nhiệt nhôm:

     + Nếu hỗn hợp sau phản ứng cho tác dụng với dung dịch kiềm  H2 thì Al còn dư sau phản ứng nhiệt nhôm hoặc hiệu suất H của phản ứng < 100%

     + Nếu hỗn hợp sau phản ứng cho tác dụng với dung dịch kiềm không có khí thoát ra chứng tỏ không dư Al.

     + Khối lượng hỗn hợp trước và sau phản ứng không đổi (bảo toàn khối lượng).

     + Vận dụng bảo toàn electron.

4. Tác dụng với dung dịch axit

a. Với H+ (HCl, H2SO4 loãng...)

Al phản ứng dễ dàng → muối + H2

2Al + 6HCl  2AlCl3 + 3H2

2Al + 3H2SO4 loãng  Al2(SO4)3 + 3H2

b. Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh: HNO3 loãng hoặc đặc, H2SO4 đậm đặc

Al + 4HNO3 loãng  Al(NO3)3 + NO + 2H2O

Al + 6HNO3  Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

2Al + 6H2SO4  Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Chú ý:

- Al thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội  có thể dùng thùng Al để chuyên chở axit HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội.

- Phản ứng của Al với dung dịch HNO3 có thể tạo thành muối amoni.

5. Tác dụng với dung dịch bazơ

- Al tham gia phản ứng dễ dàng với các dung dịch kiềm:

2Al + 2NaOH + 2H2O  2NaAlO2 + 3H2

2Al + Ba(OH)2 + 2H2O  Ba(AlO2)2 + 3H2

- Cơ chế:

     + Trước tiên, Al tham gia phản ứng với nước:

2Al + 6H2O  2Al(OH)3 + 3H2

     + Al(OH)3 sinh ra là hiđroxit lưỡng tính tan được trong dung dịch kiềm:

Al(OH)3 + NaOH  NaAlO2 + 2H­2O

Quá trình này lặp đi lặp lại đến hết.

- Chú ý:

     + Nếu cho hỗn hợp Na, K, Ba, Ca và Al (hoặc Zn) vào nước dư, xảy ra các phản ứng:

2M + 2H2O  2MOH + H2

MOH + H2O + Al  MAlO2 + 3/2H2

     + Trong quá trình giải toán có 2 trường hợp xảy ra:

* Trường hợp 1. Cả kim loại kiềm và Al đều phản ứng hết nếu số mol kim loại kiềm ≥ số mol Al.

* Trường hợp 2. Kim loại kiềm phản ứng hết, Al dư nếu số mol kim loại kiềm < số mol Al.

6. Tác dụng với dung dịch muối

- Al đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của chúng:

2Al + 3CuSO4  Al2(SO4)3 + 3Cu

- Phản ứng với muối nitrat trong môi trường kiềm:

8Al + 3NaNO3 + 5NaOH + 2H2O  8NaAlO2 + 3NH3

- Phản ứng với muối nitrat trong môi trường axit (giống phản ứng với HNO3):

Al + 4H+ + NO3-  Al3+ + NO + 2H2O

V. ĐIỀU CHẾ

1. Nguyên liệu

     Quặng boxit Al2O3 có lẫn SiO2 và Fe2O3.

2. Các giai đoạn điều chế

- Làm sạch nguyên liệu:

2NaOH + Al2O3  2NaAlO2 + H­2O

2NaOH + SiO2  Na2SiO3 + H2O

NaAlO2 + CO2 + 2H2O  NaHCO3 + Al(OH)3

NaOH + CO2  NaHCO3

2Al(OH)3  Al2O3 + 3H2O

- Điện phân nóng chảy Al2O3 có mặt criolit Na3AlF6 (hạ nhiệt độ nóng chảy của Al2O3từ 20500C xuống 9000C; tăng độ dẫn điện do tạo thành nhiều ion hơn; tạo lớp bảo vệ không cho O2 phản ứng với Al nóng chảy):                       

2Al2O3  4Al + 3O­2

VI. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NHÔM

1. Nhôm oxit Al2O3

- Chất rắn màu trắng, không tan và không tác dụng với nước, rất bền vững, nóng chảy ở 20500C.

- Tồn tại ở dạng khan (emeri, corindon, rubi (lẫn Cr2O3), saphia (lẫn TiO2 và Fe3O4) hoặc dạng ngậm nước (boxit).

a. Tính chất hóa học

- Tính bền: Al2O3 không bị khử bởi H2, CO ở nhiệt độ cao; Al2O3 tác dụng với C không cho Al kim loại mà tạo Al4C3:                         

Al2O3 + 9C  Al4C3 + 6CO (> 20000C)

- Tính lưỡng tính:

     + Al2O3 là oxit bazơ khi tác dụng với axit mạnh  muối + H2O.

Al2O3 + 6HCl  2AlCl3 + 3H2O

     + Al2O3 là oxit axit khi tác dụng với dung dịch bazơ mạnh → muối + H2O.

Al2O3 + 2NaOH  NaAlO2 + H2O     

hay

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O  2Na[Al(OH)4]

Al2O3 + 2OH-  2AlO2- + H2O

b. Điều chế

     Nhiệt phân Al(OH)3:              

2Al(OH)3  Al2O3 + 3H2O

2. Nhôm hiđroxit Al(OH)3

     Là chất kết tủa keo, màu trắng.

a. Tính chất hóa học

- Kém bền với nhiệt:                                      

2Al(OH)3  Al2O3 + 3H2O (t0)

- Là hiđroxit lưỡng tính:

     + Tác dụng với axit mạnh:                             

Al(OH)3 + 3HCl  AlCl3 + 3HO

     + Tác dụng với dung dịch kiềm mạnh:          

Al(OH)3 + KOH  KAlO2 + 2H2O

Al(OH)3 + KOH  K[Al(OH)­4]

b. Điều chế

- Kết tủa Al3+:

Al3+ + 3OH- (vừa đủ)  Al(OH)3

Al3+ + 3NH3 + 3H2O  Al(OH)3 + 3NH4+

- Kết tủa AlO-:

AlO2- + CO2 + 2H2O  Al(OH)3 + HCO3-

AlO2- + H+ (vừa đủ) + H2O  Al(OH)3

3. Muối nhôm (hay gặp: phèn chua: K2SO4, Al2(SO4)3.24H2O hay KAl(SO4)2.12H2O)

- Các dung dịch AlCl3, Al2(SO4)3 và Al(NO3)3 đều là các axit theo Bronstet có môi trường axit:

AlCl3  Al3+ + 3Cl-

Al3+ + 3H2O ↔ Al(OH)3 + 3H+

 Giải thích được sự thủy phân của muối Al trong các dung dịch có tính bazơ:

2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O  2Al(OH)3 + 6NaCl + 3CO2 

     Phản ứng với dung dịch kiềm: (chú ý cách thức và tỷ lệ phản ứng)

Al3+ + 3OH-  Al(OH)3

Al3+ + 4OH-  [Al(OH)4] -

Al(OH)3 + 3OH [Al(OH)4] -

- Các muối aluminat NaAlO2, KAlO2, Ba(AlO2)2 và Ca(AlO2)2 đều là bazơ dung dịch có môi trường bazơ.

AlO2- + 3H2O  ↔ Al(OH)3 + 3OH-

AlO2- + H+ + H2O  Al(OH)3

Al(OH)3 + 3H+  Al3+ + 3H2O

     Dưới đây là bài tập và câu hỏi tham khảo: