Tính chất hóa học của nhôm: phản ứng với oxi, HCl và kiềm
Lớp 12Hóa học

Nhôm (Al): tính chất hóa học, vật lí, ứng dụng và cách điều chế

Trả lời nhanh

Nhôm (Al, Z = 13, chu kì 3, nhóm IIIA) là kim loại có tính khử mạnh: Al → Al3+ + 3e. Nhôm phản ứng với phi kim, axit (HCl, H2SO4 loãng, HNO3, H2SO4 đặc nóng), oxit kim loại yếu hơn (nhiệt nhôm), dung dịch muối và dung dịch kiềm. Ở nhiệt độ thường nhôm bền nhờ lớp màng Al2O3 mỏng bảo vệ.

1. Vị trí và cấu tạo của nhôm

  • Kí hiệu: Al; số hiệu nguyên tử 13; nguyên tử khối ≈ 27.
  • Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p1 hay [Ne]3s23p1.
  • Vị trí: ô 13, chu kì 3, nhóm IIIA.
  • Có 3 electron hóa trị nên nhường dễ dàng để tạo ion Al3+ (cấu hình bền của neon). Vì vậy trong hợp chất nhôm luôn có số oxi hóa +3.

2. Tính chất vật lí và cách nhận biết

Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nhẹ (khối lượng riêng khoảng 2,7 g/cm3), nóng chảy ở khoảng 660 °C. Nhôm mềm, dễ kéo sợi, dát mỏng (làm giấy bạc gói thực phẩm) và dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.

Nhận biết: cho mẫu kim loại vào dung dịch NaOH, nhôm tan dần và có khí không màu thoát ra:

2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2↑

3. Tính chất hóa học của nhôm

Nhôm là kim loại hoạt động, có tính khử mạnh (chỉ yếu hơn kim loại kiềm, kiềm thổ): Al → Al3+ + 3e. Mọi phản ứng dưới đây đều là phản ứng oxi hóa – khử trong đó Al là chất khử.

a) Tác dụng với phi kim

  • Với oxi: 4Al + 3O2 → 2Al2O3 (đun nóng, cháy sáng chói). Ở nhiệt độ thường, lớp Al2O3 rất mỏng, mịn, bền bám chặt bề mặt nên bảo vệ nhôm khỏi bị oxi hóa tiếp.
  • Với halogen: 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 (đun nóng).
  • Với lưu huỳnh: 2Al + 3S → Al2S3 (đun nóng).

b) Tác dụng với axit

  • Axit HCl, H2SO4 loãng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑; 2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2↑.
  • HNO3 loãng: Al + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NO↑ + 2H2O (tuỳ nồng độ có thể tạo N2O, N2, NH4NO3).
  • Axit đặc, nóng: Al + 6HNO3 → Al(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O; 2Al + 6H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O.
  • Thụ động hóa: nhôm không tác dụng với HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội, nên người ta dùng thùng nhôm để chuyên chở hai axit này.

c) Tác dụng với oxit kim loại – phản ứng nhiệt nhôm

Ở nhiệt độ cao, Al khử được oxit của các kim loại đứng sau nhôm trong dãy hoạt động hóa học:

  • 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe (t°)
  • 8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe (t°)
  • 2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr (t°)

Phản ứng toả rất nhiều nhiệt, sắt tạo ra ở trạng thái nóng chảy nên hỗn hợp tecmit (Al + Fe2O3) được dùng để hàn đường ray.

d) Tác dụng với nước

Nhôm không tan trong nước dù nước nóng hay lạnh vì có lớp Al2O3 bảo vệ. Chỉ khi phá lớp oxit này (ví dụ tạo hỗn hống Al–Hg) thì nhôm mới khử nước ở nhiệt độ thường: 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3↓ + 3H2↑.

e) Tác dụng với dung dịch kiềm

Đây là điểm “lạ” của nhôm. Trước hết lớp Al2O3 bị kiềm hòa tan, sau đó Al khử nước, Al(OH)3 sinh ra lại tan trong kiềm:

2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2↑ (hay 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑)

Trong phản ứng này chất oxi hóa thật sự là H2O, còn NaOH chỉ hòa tan sản phẩm.

g) Tác dụng với dung dịch muối

Al đẩy được kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối: 2Al + 3CuSO4 → Al2(SO4)3 + 3Cu (dung dịch nhạt màu xanh, có kim loại đỏ bám vào thanh nhôm). Nhôm không phản ứng với dung dịch muối của kim loại mạnh hơn như Mg2+, Na+.

4. Trạng thái tự nhiên và điều chế

Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất, nhưng chỉ tồn tại ở dạng hợp chất: boxit (Al2O3·nH2O), đất sét (Al2O3·2SiO2·2H2O), criolit (Na3AlF6), mica…

Điều chế: điện phân nóng chảy Al2O3 (tách từ quặng boxit) có hòa tan trong criolit nóng chảy:

2Al2O3 → 4Al + 3O2 (điện phân nóng chảy, xúc tác criolit)

  • Cực âm (catot): Al3+ + 3e → Al (nhôm nóng chảy chìm xuống đáy thùng).
  • Cực dương (anot, than chì): 2O2− → O2 + 4e; khí O2 đốt cháy dần anot nên phải thay điện cực định kì.
  • Vai trò criolit: hạ nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 (tiết kiệm năng lượng), tăng độ dẫn điện và tạo lớp ngăn cách không khí bảo vệ nhôm.
  • Không dùng cách điện phân dung dịch, vì nước bị điện phân thay cho ion Al3+; cũng không dùng chất khử thông thường như C, CO, H2 vì nhôm quá hoạt động.

5. Ứng dụng của nhôm

  • Hợp kim nhôm nhẹ, bền: chế tạo ô tô, máy bay, tàu hỏa, tàu thủy.
  • Xây dựng và trang trí nội thất (cửa, khung nhôm kính).
  • Làm dây dẫn điện đường dài thay đồng, vì nhẹ và rẻ hơn.
  • Dụng cụ nhà bếp, giấy gói thực phẩm.
  • Hỗn hợp tecmit dùng hàn đường ray, điều chế một số kim loại khó nóng chảy như Cr.

6. Mẹo nhớ và lỗi sai thường gặp

  • Nhôm “bền” nhưng thực ra hoạt động: bền với không khí, nước là nhờ lớp oxit, không phải vì kém hoạt động.
  • Thụ động ≠ không phản ứng với mọi axit: Al vẫn tan trong HNO3 đặc nóng, H2SO4 đặc nóng. Chỉ nguội mới thụ động.
  • Al tan trong NaOH, KOH, Ba(OH)2 nhưng không tan trong dung dịch NH3.
  • Nhớ nhanh số mol: cứ 1 mol Al cho 1,5 mol H2 (với HCl, H2SO4 loãng hoặc kiềm) vì Al nhường 3e, mỗi H2 nhận 2e.
  • Nhiệt nhôm: Al chỉ khử oxit kim loại đứng sau Al; không khử được MgO, CaO, Na2O.

7. Bài luyện tập (tự đặt)

  1. Cho 5,4 g Al tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Tính thể tích H2 (đktc).
    Đáp án: n(Al) = 0,2 mol → n(H2) = 0,3 mol → V = 0,3 × 22,4 = 6,72 lít.
  2. Cho m gam Al vào dung dịch NaOH dư, thu được 3,36 lít H2 (đktc). Tính m.
    Đáp án: n(H2) = 0,15 mol → n(Al) = 0,15 × 2/3 = 0,1 mol → m = 2,7 g.
  3. Nung hỗn hợp gồm 2,7 g Al và lượng vừa đủ Fe2O3 (phản ứng hoàn toàn). Tính khối lượng Fe tạo thành.
    Đáp án: 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe; n(Al) = 0,1 mol → n(Fe) = 0,1 mol → m = 5,6 g.

8. Xem thêm kiến thức liên quan

Câu hỏi thường gặp

Vì sao nhôm bền trong không khí và không tan trong nước?

Vì bề mặt nhôm có lớp Al2O3 rất mỏng, mịn, bám chặt, ngăn nhôm tiếp xúc với oxi và nước. Khi lớp oxit bị phá (bằng kiềm hoặc tạo hỗn hống Al–Hg) thì nhôm phản ứng mạnh.

Nhôm có tác dụng với dung dịch NaOH không? Viết phương trình.

Có. 2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2↑. Chất oxi hóa thực sự là H2O, NaOH hòa tan lớp oxit và Al(OH)3 sinh ra.

Nhôm có tác dụng với HNO3 đặc nguội không?

Không. Nhôm bị thụ động hóa trong HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội, nhờ đó có thể dùng thùng nhôm chứa các axit này.

Tại sao phải hòa tan Al2O3 trong criolit khi điều chế nhôm?

Criolit Na3AlF6 làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp, tăng độ dẫn điện và tạo lớp ngăn không khí, nhờ đó tiết kiệm năng lượng và hạn chế nhôm bị oxi hóa.

Bài học liên quan