Bài học

Tính chất hóa học của nhôm

Mục tiêu và kiến thức nền

Sau bài học, em viết được phương trình thể hiện tính khử mạnh và tính lưỡng tính của nhôm, giải thích được vì sao nhôm bền trong thực tế dù đứng khá cao trong dãy hoạt động, và tính toán được theo phản ứng nhiệt nhôm.

Bài học dùng lại dãy hoạt động hóa học kim loại từ Course 7, và đối chiếu trực tiếp với hai chương trước: nhôm cũng có tính khử mạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ, nhưng tính chất vật lí và mức độ phản ứng với nước lại khác hẳn — đây chính là điều bài học này làm rõ.

Khởi động

Nhôm đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động hóa học, tức về lí thuyết có thể phản ứng với nước. Vậy vì sao xoong nồi bằng nhôm đựng nước hằng ngày lại không hề bị ăn mòn như khi ta bỏ một mẩu natri vào nước?

Cấu tạo nguyên tử và tính khử

Nhôm (Al) thuộc nhóm IIIA, có 3 electron hóa trị, cấu hình lớp ngoài cùng $3s^23p^1$ . Nhôm nhường cả 3 electron này khi phản ứng: $Al \to Al^{3+} + 3e$ , thể hiện tính khử mạnh, đứng ngay sau kim loại kiềm và kiềm thổ trong dãy hoạt động hóa học. Về tính chất vật lí, nhôm có màu trắng bạc, ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt (chỉ kém một vài kim loại như bạc, đồng), mềm và dễ dát mỏng, kéo sợi, nên còn được cán thành lá nhôm mỏng dùng trong bao gói thực phẩm.

Nhôm (Al) thuộc nhóm IIIA, có 3 electron hóa trị, cấu hình lớp ngoài cùng $3s^23p^1$. Nhôm nhường cả 3 electron này khi phản ứng: $Al \to Al^{3+} + 3e$, thể hiện tính khử mạnh, đứng ngay sau kim loại kiềm và kiềm thổ trong dãy hoạt động hóa học. Về tính chất vật lí, nhôm có màu trắng bạc, ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt (chỉ kém một vài kim loại như bạc, đồng), mềm và dễ dát mỏng, kéo sợi, nên còn được cán thành lá nhôm mỏng dùng trong bao gói thực phẩm.

Điểm đặc biệt của nhôm là bề mặt kim loại luôn được phủ một lớp $Al_2O_3$ cực mỏng nhưng rất bền, hình thành ngay khi nhôm tiếp xúc với oxygen trong không khí. Lớp oxide này bám chắc, không bong tróc, ngăn cách phần kim loại bên trong khỏi tiếp tục phản ứng với nước và oxygen ở điều kiện thường. Đây là lý do nhôm bền vững trong thực tế dù có tính khử mạnh — khác hẳn kim loại kiềm, nơi lớp oxide/hydroxide tạo thành không đủ bền để bảo vệ.

Tính chất hóa học

Với phi kim, nhôm phản ứng khi đốt nóng: $4Al + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Al_2O_3$ và $2Al + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2AlCl_3$ . Với acid, nhôm phản ứng với acid loãng (HCl, $H_2SO_4$ loãng) giải phóng khí $H_2$ : $2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$ ; tuy nhiên nhôm bị thụ động hóa trong $HNO_3$ đặc nguội và $H_2SO_4$ đặc nguội — lớp oxide bảo vệ được củng cố thêm bởi chính acid đặc, khiến nhôm không phản ứng tiếp, nên trong thực tế người ta dùng bồn nhôm để vận chuyển các acid đặc, nguội này. Với dung dịch kiềm, nhôm thể hiện tính lưỡng tính hiếm gặp ở kim loại: $2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2\uparrow$ — phản ứng này chỉ xảy ra được vì lớp $Al_2O_3$ bảo vệ bị hòa tan trước bởi NaOH, để lộ kim loại Al tiếp tục phản ứng với nước trong môi trường kiềm.

Với phi kim, nhôm phản ứng khi đốt nóng: $4Al + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Al_2O_3$ và $2Al + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2AlCl_3$. Với acid, nhôm phản ứng với acid loãng (HCl, $H_2SO_4$ loãng) giải phóng khí $H_2$: $2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$; tuy nhiên nhôm bị thụ động hóa trong $HNO_3$ đặc nguội và $H_2SO_4$ đặc nguội — lớp oxide bảo vệ được củng cố thêm bởi chính acid đặc, khiến nhôm không phản ứng tiếp, nên trong thực tế người ta dùng bồn nhôm để vận chuyển các acid đặc, nguội này. Với dung dịch kiềm, nhôm thể hiện tính lưỡng tính hiếm gặp ở kim loại: $2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2\uparrow$ — phản ứng này chỉ xảy ra được vì lớp $Al_2O_3$ bảo vệ bị hòa tan trước bởi NaOH, để lộ kim loại Al tiếp tục phản ứng với nước trong môi trường kiềm.

Phản ứng đặc trưng và quan trọng nhất của nhôm trong công nghiệp là phản ứng nhiệt nhôm — dùng Al làm chất khử để khử oxide của kim loại kém hoạt động hơn, tỏa nhiệt cực lớn: $2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 2Fe$ . Nhiệt tỏa ra đủ làm Fe sinh ra ở dạng nóng chảy, được ứng dụng để hàn nối đường ray xe lửa tại chỗ mà không cần lò nung cỡ lớn.

Phản ứng đặc trưng và quan trọng nhất của nhôm trong công nghiệp là phản ứng nhiệt nhôm — dùng Al làm chất khử để khử oxide của kim loại kém hoạt động hơn, tỏa nhiệt cực lớn: $2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 2Fe$. Nhiệt tỏa ra đủ làm Fe sinh ra ở dạng nóng chảy, được ứng dụng để hàn nối đường ray xe lửa tại chỗ mà không cần lò nung cỡ lớn.

Nhiệt tỏa ra từ phản ứng 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe đủ lớn để làm nóng chảy sắt ngay tại chỗ.

Ví dụ

Tính thể tích khí khi nhôm tác dụng với dung dịch kiềm

1
Cho 5,4 gam Al tác dụng hết với dung dịch NaOH dư. Tính thể tích khí $H_2$ thoát ra (đkc).
Cho 5,4 gam Al tác dụng hết với dung dịch NaOH dư. Tính thể tích khí $H_2$ thoát ra (đkc).
2
$n_{Al} = \dfrac{5{,}4}{27} = 0{,}2$ mol.
$n_{Al} = \dfrac{5{,}4}{27} = 0{,}2$ mol.
3
PTHH: $2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2\uparrow$ . Theo PT, $n_{H_2} = \dfrac{3}{2}n_{Al} = \dfrac{3}{2} \times 0{,}2 = 0{,}3$ mol.
PTHH: $2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2\uparrow$. Theo PT, $n_{H_2} = \dfrac{3}{2}n_{Al} = \dfrac{3}{2} \times 0{,}2 = 0{,}3$ mol.
4
$V_{H_2} = 0{,}3 \times 24{,}79 = 7{,}437$ lít. Vậy thể tích khí $H_2$ thoát ra là 7,437 lít.
$V_{H_2} = 0{,}3 \times 24{,}79 = 7{,}437$ lít. Vậy thể tích khí $H_2$ thoát ra là 7,437 lít.

Ví dụ

Tính khối lượng sắt thu được từ phản ứng nhiệt nhôm (dạng thi)

1
Trộn 10,8 gam Al với 32 gam $Fe_2O_3$ rồi thực hiện phản ứng nhiệt nhôm, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng Fe thu được.
Trộn 10,8 gam Al với 32 gam $Fe_2O_3$ rồi thực hiện phản ứng nhiệt nhôm, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng Fe thu được.
2
$n_{Al} = \dfrac{10{,}8}{27} = 0{,}4$ mol. $n_{Fe_2O_3} = \dfrac{32}{160} = 0{,}2$ mol. Theo PT $2Al + Fe_2O_3 \to Al_2O_3 + 2Fe$ , tỉ lệ cần là 2 : 1; ở đây $\dfrac{n_{Al}}{2} = 0{,}2 = \dfrac{n_{Fe_2O_3}}{1}$ , nên hai chất phản ứng vừa đủ với nhau theo lí thuyết, không có chất dư.
$n_{Al} = \dfrac{10{,}8}{27} = 0{,}4$ mol. $n_{Fe_2O_3} = \dfrac{32}{160} = 0{,}2$ mol. Theo PT $2Al + Fe_2O_3 \to Al_2O_3 + 2Fe$, tỉ lệ cần là 2 : 1; ở đây $\dfrac{n_{Al}}{2} = 0{,}2 = \dfrac{n_{Fe_2O_3}}{1}$, nên hai chất phản ứng vừa đủ với nhau theo lí thuyết, không có chất dư.
3
Theo PT, $n_{Fe} = 2n_{Fe_2O_3} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ mol (tính theo lí thuyết, ứng với hiệu suất 100%).
Theo PT, $n_{Fe} = 2n_{Fe_2O_3} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ mol (tính theo lí thuyết, ứng với hiệu suất 100%).
4
Vì hiệu suất phản ứng chỉ đạt 80%, lượng Fe thực tế thu được là $n_{Fe\ thực\ tế} = 0{,}4 \times 80\% = 0{,}32$ mol, suy ra $m_{Fe} = 0{,}32 \times 56 = 17{,}92$ gam. Vậy khối lượng Fe thu được là 17,92 gam.
Vì hiệu suất phản ứng chỉ đạt 80%, lượng Fe thực tế thu được là $n_{Fe\ thực\ tế} = 0{,}4 \times 80\% = 0{,}32$ mol, suy ra $m_{Fe} = 0{,}32 \times 56 = 17{,}92$ gam. Vậy khối lượng Fe thu được là 17,92 gam.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng thụ động hóa của nhôm

1
Giải thích vì sao nhôm không phản ứng với $HNO_3$ đặc, nguội và $H_2SO_4$ đặc, nguội, và vì sao tính chất này có ứng dụng thực tế.
Giải thích vì sao nhôm không phản ứng với $HNO_3$ đặc, nguội và $H_2SO_4$ đặc, nguội, và vì sao tính chất này có ứng dụng thực tế.
2
Khi tiếp xúc với acid đặc nguội, lớp $Al_2O_3$ mỏng có sẵn trên bề mặt nhôm không bị hòa tan mà ngược lại được củng cố, trở nên đặc khít và bền vững hơn, ngăn hoàn toàn acid tiếp xúc với kim loại Al bên trong — hiện tượng này gọi là thụ động hóa.
Khi tiếp xúc với acid đặc nguội, lớp $Al_2O_3$ mỏng có sẵn trên bề mặt nhôm không bị hòa tan mà ngược lại được củng cố, trở nên đặc khít và bền vững hơn, ngăn hoàn toàn acid tiếp xúc với kim loại Al bên trong — hiện tượng này gọi là thụ động hóa.
3
Với acid loãng, lớp oxide bị hòa tan dần và không được củng cố kịp, nên nhôm vẫn phản ứng bình thường giải phóng khí $H_2$ .
Với acid loãng, lớp oxide bị hòa tan dần và không được củng cố kịp, nên nhôm vẫn phản ứng bình thường giải phóng khí $H_2$.
4
Nhờ tính thụ động hóa này, thùng chứa và xe bồn bằng nhôm (hoặc thép không gỉ có cơ chế tương tự) được dùng an toàn để vận chuyển $HNO_3$ đặc, $H_2SO_4$ đặc ở nhiệt độ thường — nếu dùng bồn sắt thường, phản ứng ăn mòn sẽ xảy ra và phá hủy thùng chứa.
Nhờ tính thụ động hóa này, thùng chứa và xe bồn bằng nhôm (hoặc thép không gỉ có cơ chế tương tự) được dùng an toàn để vận chuyển $HNO_3$ đặc, $H_2SO_4$ đặc ở nhiệt độ thường — nếu dùng bồn sắt thường, phản ứng ăn mòn sẽ xảy ra và phá hủy thùng chứa.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến là nghĩ nhôm đứng trước H trong dãy hoạt động nên phải phản ứng mạnh với nước như kim loại kiềm — thực tế lớp oxide bảo vệ ngăn phản ứng này xảy ra ở điều kiện thường. Sai lầm khác là quên nhôm bị thụ động hóa trong acid đặc nguội, dẫn đến kết luận sai rằng nhôm không phản ứng với $HNO_3$ / $H_2SO_4$ trong mọi trường hợp — thực ra nhôm vẫn phản ứng mạnh với các acid này khi đun nóng.

Sai lầm phổ biến là nghĩ nhôm đứng trước H trong dãy hoạt động nên phải phản ứng mạnh với nước như kim loại kiềm — thực tế lớp oxide bảo vệ ngăn phản ứng này xảy ra ở điều kiện thường. Sai lầm khác là quên nhôm bị thụ động hóa trong acid đặc nguội, dẫn đến kết luận sai rằng nhôm không phản ứng với $HNO_3$/$H_2SO_4$ trong mọi trường hợp — thực ra nhôm vẫn phản ứng mạnh với các acid này khi đun nóng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Nhôm có tính khử mạnh ( $Al \to Al^{3+} + 3e$ ) nhưng bền trong thực tế nhờ lớp $Al_2O_3$ bảo vệ. Nhôm phản ứng với phi kim, acid loãng, và thể hiện tính lưỡng tính khi phản ứng với dung dịch kiềm. Nhôm bị thụ động hóa trong $HNO_3$ / $H_2SO_4$ đặc nguội. Phản ứng nhiệt nhôm ( $2Al + Fe_2O_3 \to Al_2O_3 + 2Fe$ ) tỏa nhiệt cực lớn, ứng dụng hàn đường ray.

Nhôm có tính khử mạnh ($Al \to Al^{3+} + 3e$) nhưng bền trong thực tế nhờ lớp $Al_2O_3$ bảo vệ. Nhôm phản ứng với phi kim, acid loãng, và thể hiện tính lưỡng tính khi phản ứng với dung dịch kiềm. Nhôm bị thụ động hóa trong $HNO_3$/$H_2SO_4$ đặc nguội. Phản ứng nhiệt nhôm ($2Al + Fe_2O_3 \to Al_2O_3 + 2Fe$) tỏa nhiệt cực lớn, ứng dụng hàn đường ray.

Cầu nối

Bài tiếp theo tìm hiểu hai hợp chất quan trọng của nhôm — Al2O3 và Al(OH)3 — cùng quy trình sản xuất nhôm trong công nghiệp từ quặng bauxite.