Bài học

Al2O3, Al(OH)3 và sản xuất nhôm trong công nghiệp

Mục tiêu và kiến thức nền

Sau bài học, em viết được các phương trình thể hiện tính lưỡng tính của Al2O3 và Al(OH)3, mô tả được quy trình sản xuất nhôm công nghiệp bằng phương pháp điện phân nóng chảy, và tính toán được khối lượng nhôm sản xuất theo hiệu suất.

Bài học nối trực tiếp bài trước: chính lớp $Al_2O_3$ giúp nhôm bền trong thực tế, giờ ta xét kĩ tính chất của hợp chất này. Em cũng dùng lại kiến thức điện phân nóng chảy đã học ở Chương 1 (điều chế kim loại kiềm) — nhôm cũng thuộc nhóm kim loại chỉ điều chế được bằng phương pháp này.

Khởi động

Quặng bauxite khai thác ở Tân Rai, Lâm Đồng được dùng để sản xuất gì? Và vì sao một nhà máy luyện nhôm luôn cần một lượng điện năng khổng lồ, khiến việc chọn vị trí đặt nhà máy phụ thuộc rất nhiều vào nguồn điện giá rẻ?

Al2O3 — tính chất lưỡng tính và độ cứng

$Al_2O_3$ là chất rắn, không tan trong nước, có độ cứng rất cao — dạng tinh thể tự nhiên gọi là corundum, khi lẫn tạp chất tạo màu tạo thành đá quý ruby (đỏ, lẫn $Cr^{3+}$ ) hoặc sapphire (xanh, lẫn $Fe^{3+}$ / $Ti^{4+}$ ). $Al_2O_3$ thể hiện tính lưỡng tính rõ rệt, phản ứng được với cả acid lẫn base: $Al_2O_3 + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2O$ và $Al_2O_3 + 2NaOH \to 2NaAlO_2 + H_2O$ . Nhờ độ cứng cao, dạng bột $Al_2O_3$ còn được dùng làm bột mài, giấy nhám công nghiệp; đây là ứng dụng tách biệt hoàn toàn với vai trò nguyên liệu sản xuất kim loại nhôm.

$Al_2O_3$ là chất rắn, không tan trong nước, có độ cứng rất cao — dạng tinh thể tự nhiên gọi là corundum, khi lẫn tạp chất tạo màu tạo thành đá quý ruby (đỏ, lẫn $Cr^{3+}$) hoặc sapphire (xanh, lẫn $Fe^{3+}$/$Ti^{4+}$). $Al_2O_3$ thể hiện tính lưỡng tính rõ rệt, phản ứng được với cả acid lẫn base: $Al_2O_3 + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2O$ và $Al_2O_3 + 2NaOH \to 2NaAlO_2 + H_2O$. Nhờ độ cứng cao, dạng bột $Al_2O_3$ còn được dùng làm bột mài, giấy nhám công nghiệp; đây là ứng dụng tách biệt hoàn toàn với vai trò nguyên liệu sản xuất kim loại nhôm.

Al(OH)3 — kết tủa keo lưỡng tính

$Al(OH)_3$ là kết tủa keo, màu trắng, không tan trong nước, cũng thể hiện tính lưỡng tính: $Al(OH)_3 + 3HCl \to AlCl_3 + 3H_2O$ và $Al(OH)_3 + NaOH \to NaAlO_2 + 2H_2O$ . Một điểm cần phân biệt với $Cu(OH)_2$ mà em đã học ở Course 9: $Al(OH)_3$ không tan trong dung dịch $NH_3$ (vì $NH_3$ là base yếu, không đủ mạnh để hòa tan kết tủa lưỡng tính này), trong khi $Cu(OH)_2$ tan trong $NH_3$ dư tạo phức chất màu xanh lam đậm. Trong phòng thí nghiệm, $Al(OH)_3$ thường được điều chế bằng cách cho từ từ dung dịch $NH_3$ vào dung dịch muối nhôm — dùng $NH_3$ thay vì NaOH chính là để tránh kết tủa bị hòa tan trở lại khi lỡ tay cho dư thuốc thử.

$Al(OH)_3$ là kết tủa keo, màu trắng, không tan trong nước, cũng thể hiện tính lưỡng tính: $Al(OH)_3 + 3HCl \to AlCl_3 + 3H_2O$ và $Al(OH)_3 + NaOH \to NaAlO_2 + 2H_2O$. Một điểm cần phân biệt với $Cu(OH)_2$ mà em đã học ở Course 9: $Al(OH)_3$ không tan trong dung dịch $NH_3$ (vì $NH_3$ là base yếu, không đủ mạnh để hòa tan kết tủa lưỡng tính này), trong khi $Cu(OH)_2$ tan trong $NH_3$ dư tạo phức chất màu xanh lam đậm. Trong phòng thí nghiệm, $Al(OH)_3$ thường được điều chế bằng cách cho từ từ dung dịch $NH_3$ vào dung dịch muối nhôm — dùng $NH_3$ thay vì NaOH chính là để tránh kết tủa bị hòa tan trở lại khi lỡ tay cho dư thuốc thử.

Sản xuất nhôm trong công nghiệp — phương pháp Hall-Héroult

Cũng như kim loại kiềm và kiềm thổ, nhôm có tính khử quá mạnh nên chỉ điều chế được bằng điện phân nóng chảy, không dùng được nhiệt luyện hay thủy luyện. Quy trình gồm ba giai đoạn chính. Trước hết, quặng bauxite (chứa $Al_2O_3$ lẫn tạp chất) được khai thác và tinh chế bằng phương pháp Bayer để thu $Al_2O_3$ tinh khiết. Tiếp theo, $Al_2O_3$ tinh khiết được hòa tan trong criolit nóng chảy ( $Na_3AlF_6$ ) — bước này rất quan trọng vì $Al_2O_3$ nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy khoảng 2050 °C, quá cao và tốn năng lượng để điện phân trực tiếp, trong khi hòa tan trong criolit hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống còn khoảng 900 đến 980 °C. Cuối cùng, hỗn hợp được điện phân nóng chảy: tại catot, ion $Al^{3+}$ bị khử thành Al lỏng, lắng xuống đáy bể điện phân do nặng hơn hỗn hợp criolit nóng chảy; tại anot (làm bằng than chì), ion $O^{2-}$ bị oxi hóa thành khí $O_2$ , khí này còn phản ứng một phần với chính điện cực than chì nên điện cực than chì phải được thay thế định kì. Phương trình tổng quát: $2Al_2O_3 \xrightarrow[criolit]{\text{đpnc}} 4Al + 3O_2\uparrow$ .

Cũng như kim loại kiềm và kiềm thổ, nhôm có tính khử quá mạnh nên chỉ điều chế được bằng điện phân nóng chảy, không dùng được nhiệt luyện hay thủy luyện. Quy trình gồm ba giai đoạn chính. Trước hết, quặng bauxite (chứa $Al_2O_3$ lẫn tạp chất) được khai thác và tinh chế bằng phương pháp Bayer để thu $Al_2O_3$ tinh khiết. Tiếp theo, $Al_2O_3$ tinh khiết được hòa tan trong criolit nóng chảy ($Na_3AlF_6$) — bước này rất quan trọng vì $Al_2O_3$ nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy khoảng 2050 °C, quá cao và tốn năng lượng để điện phân trực tiếp, trong khi hòa tan trong criolit hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống còn khoảng 900 đến 980 °C. Cuối cùng, hỗn hợp được điện phân nóng chảy: tại catot, ion $Al^{3+}$ bị khử thành Al lỏng, lắng xuống đáy bể điện phân do nặng hơn hỗn hợp criolit nóng chảy; tại anot (làm bằng than chì), ion $O^{2-}$ bị oxi hóa thành khí $O_2$, khí này còn phản ứng một phần với chính điện cực than chì nên điện cực than chì phải được thay thế định kì. Phương trình tổng quát: $2Al_2O_3 \xrightarrow[criolit]{\text{đpnc}} 4Al + 3O_2\uparrow$.

Criolit nóng chảy hạ nhiệt độ điện phân của Al2O3 từ khoảng 2050 °C xuống còn 900-980 °C, tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Ví dụ

Viết hai phương trình lưỡng tính của Al2O3

1
Viết phương trình chứng tỏ Al2O3 vừa phản ứng được với acid, vừa phản ứng được với base. Tính khối lượng $AlCl_3$ tạo thành khi cho 10,2 gam $Al_2O_3$ tác dụng hết với dung dịch HCl dư.
Viết phương trình chứng tỏ Al2O3 vừa phản ứng được với acid, vừa phản ứng được với base. Tính khối lượng $AlCl_3$ tạo thành khi cho 10,2 gam $Al_2O_3$ tác dụng hết với dung dịch HCl dư.
2
Với acid: $Al_2O_3 + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2O$ . Với base: $Al_2O_3 + 2NaOH \to 2NaAlO_2 + H_2O$ .
Với acid: $Al_2O_3 + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2O$. Với base: $Al_2O_3 + 2NaOH \to 2NaAlO_2 + H_2O$.
3
$n_{Al_2O_3} = \dfrac{10{,}2}{102} = 0{,}1$ mol. Theo PT, $n_{AlCl_3} = 2n_{Al_2O_3} = 0{,}2$ mol.
$n_{Al_2O_3} = \dfrac{10{,}2}{102} = 0{,}1$ mol. Theo PT, $n_{AlCl_3} = 2n_{Al_2O_3} = 0{,}2$ mol.
4
$m_{AlCl_3} = 0{,}2 \times 133{,}5 = 26{,}7$ gam. Vậy khối lượng $AlCl_3$ tạo thành là 26,7 gam.
$m_{AlCl_3} = 0{,}2 \times 133{,}5 = 26{,}7$ gam. Vậy khối lượng $AlCl_3$ tạo thành là 26,7 gam.

Ví dụ

Tính khối lượng nhôm sản xuất theo hiệu suất (dạng thi)

1
Điện phân nóng chảy 20,4 tấn $Al_2O_3$ nguyên chất với hiệu suất phản ứng đạt 90%. Tính khối lượng nhôm thu được.
Điện phân nóng chảy 20,4 tấn $Al_2O_3$ nguyên chất với hiệu suất phản ứng đạt 90%. Tính khối lượng nhôm thu được.
2
$n_{Al_2O_3} = \dfrac{20{,}4}{102} = 0{,}2$ (đơn vị: nghìn kmol, tương ứng theo tấn). Theo PT $2Al_2O_3 \to 4Al + 3O_2$ , tỉ lệ mol $Al_2O_3 : Al = 1 : 2$ , nên $n_{Al\ lí\ thuyết} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ (cùng đơn vị), tương ứng $m_{Al\ lí\ thuyết} = 0{,}4 \times 27 = 10{,}8$ tấn.
$n_{Al_2O_3} = \dfrac{20{,}4}{102} = 0{,}2$ (đơn vị: nghìn kmol, tương ứng theo tấn). Theo PT $2Al_2O_3 \to 4Al + 3O_2$, tỉ lệ mol $Al_2O_3 : Al = 1 : 2$, nên $n_{Al\ lí\ thuyết} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ (cùng đơn vị), tương ứng $m_{Al\ lí\ thuyết} = 0{,}4 \times 27 = 10{,}8$ tấn.
3
$m_{Al\ thực\ tế} = 10{,}8 \times 90\% = 9{,}72$ tấn.
$m_{Al\ thực\ tế} = 10{,}8 \times 90\% = 9{,}72$ tấn.
4
Vậy khối lượng nhôm thu được trên thực tế là 9,72 tấn, thấp hơn giá trị lí thuyết do hiệu suất điện phân chỉ đạt 90%.

Ví dụ

Giải thích vì sao dùng criolit thay vì điện phân trực tiếp Al2O3

1
Giải thích vì sao trong công nghiệp, người ta hòa tan Al2O3 vào criolit nóng chảy thay vì điện phân trực tiếp Al2O3 nguyên chất.
2
$Al_2O_3$ nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy rất cao, khoảng 2050 °C. Để duy trì bể điện phân ở nhiệt độ này đòi hỏi tiêu tốn một lượng năng lượng khổng lồ, đồng thời gây khó khăn lớn cho thiết bị chịu nhiệt.
$Al_2O_3$ nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy rất cao, khoảng 2050 °C. Để duy trì bể điện phân ở nhiệt độ này đòi hỏi tiêu tốn một lượng năng lượng khổng lồ, đồng thời gây khó khăn lớn cho thiết bị chịu nhiệt.
3
Khi hòa tan $Al_2O_3$ vào criolit nóng chảy ( $Na_3AlF_6$ ), nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp giảm mạnh xuống còn khoảng 900 đến 980 °C, đồng thời criolit còn làm tăng độ dẫn điện của hỗn hợp, giúp quá trình điện phân diễn ra hiệu quả hơn.
Khi hòa tan $Al_2O_3$ vào criolit nóng chảy ($Na_3AlF_6$), nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp giảm mạnh xuống còn khoảng 900 đến 980 °C, đồng thời criolit còn làm tăng độ dẫn điện của hỗn hợp, giúp quá trình điện phân diễn ra hiệu quả hơn.
4
Vậy dùng criolit làm dung môi nóng chảy vừa tiết kiệm năng lượng đáng kể, vừa giúp thiết bị vận hành ở nhiệt độ khả thi hơn nhiều so với điện phân trực tiếp Al2O3 nguyên chất — đây là lí do phương pháp Hall-Héroult trở thành công nghệ chuẩn trong sản xuất nhôm toàn cầu.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp nhất là nghĩ nhôm được điều chế bằng nhiệt luyện, dùng CO khử $Al_2O_3$ giống như khử $Fe_2O_3$ trong lò cao — điều này sai, vì tính khử của Al quá mạnh, CO không đủ khả năng khử ion $Al^{3+}$ . Nhôm, giống kim loại kiềm và kiềm thổ, bắt buộc phải điều chế bằng điện phân nóng chảy.

Sai lầm thường gặp nhất là nghĩ nhôm được điều chế bằng nhiệt luyện, dùng CO khử $Al_2O_3$ giống như khử $Fe_2O_3$ trong lò cao — điều này sai, vì tính khử của Al quá mạnh, CO không đủ khả năng khử ion $Al^{3+}$. Nhôm, giống kim loại kiềm và kiềm thổ, bắt buộc phải điều chế bằng điện phân nóng chảy.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

$Al_2O_3$ và $Al(OH)_3$ đều lưỡng tính, phản ứng được với cả acid và base; $Al(OH)_3$ không tan trong $NH_3$ (khác $Cu(OH)_2$ ). Sản xuất nhôm công nghiệp theo phương pháp Hall-Héroult: tinh chế bauxite thành $Al_2O_3$ , hòa tan trong criolit nóng chảy để hạ nhiệt độ điện phân, rồi điện phân nóng chảy thu Al ở catot và $O_2$ ở anot.

$Al_2O_3$ và $Al(OH)_3$ đều lưỡng tính, phản ứng được với cả acid và base; $Al(OH)_3$ không tan trong $NH_3$ (khác $Cu(OH)_2$). Sản xuất nhôm công nghiệp theo phương pháp Hall-Héroult: tinh chế bauxite thành $Al_2O_3$, hòa tan trong criolit nóng chảy để hạ nhiệt độ điện phân, rồi điện phân nóng chảy thu Al ở catot và $O_2$ ở anot.

Cầu nối

Chương tiếp theo đặt ba nhóm kim loại đã học — kiềm, kiềm thổ, nhôm — cạnh nhau để so sánh tính khử và lí giải vì sao mỗi nhóm lại có ứng dụng thực tế rất khác nhau.