Bài 27: Nhôm và hợp chất của nhôm
Video bài giảng
1. NHÔM
1.1. Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử
- Cấu hình electron: 1s2 2s22p6 3s23p1. ⇒ Al: thuộc nhóm IIIA, chu kỳ 3.
- Nhôm dể nhường 3 e hoá trị, nên có số oxi hoá +3.
1.2. Tính chất vật lí của Nhôm
- Là kim loại nhẹ ,màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ không cao lắm.
- Rất dẻo, có thể dát được lá nhôm mõng 0,01 mm dùng để gói thực phẩm.
- Có cấu tạo mạng lập phương tâm diện ,có mật độ electron tự do tượng đối lớn. Do vậy nhôm có khả năng dẩn điện và nhiệt tốt.
1.3. Tính chất hóa học của Nhôm
Nhôm là kim loại có tính khử mạnh, nên nó bị oxi hoá dể dàng thành ion nhôm Al3+ . Ta có: Al → Al3+ + 3e
a. Tác dụng với Halogen
Thí nghiệm Nhôm tác dụng với khí Clo: 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 .
b. Tác dụng với oxi
Thí nghiệm của Nhôm và Oxi: 4Al + 3 O2 → 2Al2O3
c. Tác dụng với axit
- Thí nghiệm Nhôm tác dụng với Axit HCl: 2Al + 6 HCl → 2AlCl3 + 3 H2
- Thí nghiệm Nhôm phản ứng với axit HNO3 và H2SO4 đặc, nóng:
Al + 4HNO3 loãng → Al(NO3)3 + 2H2O + NO.
- Chú ý: Nhôm bị thụ động trong HNO3 và H2SO4 đặc nguội.
d. Tác dụng với oxit kim loại
Thí nghiệm của Nhôm vào Sắt (III) oxit:
2Al + Fe2O3 \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) Al2O3 + 2Fe
e. Tác dụng với nước
- Vật bằng nhôm không tác dụng với nước ở bất kỳ nhiệt độ nào vì trên bề mặt nhôm được phủ bởi một lớp Al2O3 rất bền. Nếu phá bỏ lớp bảo vệ này, thì nhôm tác dụng được với nước
- Phản ứng: 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
- Al(OH)3 là chất rắn, không tan trong nước là lớp bảo vệ không cho nhôm tiếp xúc với nước nên phản ứng nhanh chóng bị dừng lại.
f. Tác dụng với dung dịch kiềm
Al2O3 + 2 NaOH → 2NaAlO2 + H2O
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2 (2)
Al(OH)3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2O (3)
Phản ứng (2), (3) xảy ra xen kẽ nhau mãi cho đến khi nhôm bị tan hết .
2Al + 2NaOH + 2H2O → NaAlO2 + 3 H2
1.4. Ứng dụng và trạng thái tự nhiên
a. Ứng dụng
- Dùng chế tạo máy bay, ô tô, tên lửa …
- Trang trí nội thất, xây dựng nhà cửa.
- Dẫn điện, dẩn nhiệt tốt nên dùng làm dây cáp dẩn điện.
b. Trạng thái tự nhiên
- Nhôm là kim loại hoạt động mạnh nên trong tự nhiên chỉ tồn tại ở dạng hợp chất như: đất sét, mica, criolit …
1.5. Sản xuất Nhôm
a. Nguyên liệu
- Quặng boxit Al2O3 .2H2O quặng thường lẫn tạp chất là Fe2O3 và SiO2, nên ta phải làm sạch nguyên liệu
b. Nguyên tắc
- Khử ion Al3+ thành Al.
b. Phương pháp
- Vì sự khử ion Al3+ trong Al2O3 là rất khó khăn, không thể dùng các chất khử thông thường như CO, C, H2 … mà ta phải dùng phương pháp điện phân nóng chảy với xúc tác là criolit (Na3AlF6 ) nhằm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 (2050 oC → 900oC ) để tiết kiệm năng lượng, và tạo được chất lỏng có tính dẫn điện tốt hơn.
- Quá trình điện phân:
Cực (-) : Al3+ + 3e → Al
Cực ( +) :Xảy ra sự oxi hoá 2O2- → O2 + 4e
2. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NHÔM
2.1. Nhôm oxit Al2O3
a. Tính chất vật lí
- Al2O3 là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước và không tác dụng với nước, t0nc=20500C.
b. Tính chất hóa học
- Tính bền ⇒ Al2O3 khó bị khử à Al bằng C, H2, CO.
- Tính chất lưỡng tính:
Al2O3+6HCl → 2AlCl3 + 3 H2O
Al2O3+2NaOH → 2NaAlO2+H2O
c. Ứng dụng
- Thường tồn tại dưới dạng ngậm nước và dạng khan:
+ Dạng oxit ngậm nước là thành phần chủ yếu quặng boxit là nguyên liệu sản xuất nhôm.
+ Dạng oxit khan có cấu tạo tinh thể giống đá quý: Tinh thể corindon trong suốt, không màu, rất rắn, chế tạo đá mài, giấy nhám…
- Bột nhôm oxit xúc tác cho tổng hợp hữu cơ.
2.2. Nhôm hidroxit Al(OH)3
a. Tính chất vật lí
- Là chất kết tủa keo, màu trắng
- Không tan trong nước, trong dd CO2, NH3 nhưng tan được trong môi trường H+ và OH- mạnh.
b. Tính chất hóa học
- Tính chất kém bền nhiệt:
\(2Al(OH)_{3} \overset{t^{0}}{\rightarrow}Al_{2}O_{3} + 3H_{2}O\)
- Tính chất lưỡng tính:
Al(OH)3+ 3HCl → AlCl3 + 3H2O
Al(OH)3+NaOH → NaAlO2+ 2H2O
2.3. Nhôm Sunfat Al2(SO4)3
- Muối nhôm sunfat khan tan trong nước → tỏa nhiệt do bị hiđrat hóa.
- Phèn chua: K2SO4.Al2(SO4)3.24H2O hay viết gọn: KAl(SO4)2.12H2O.
- Dùng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong ngành dệt vải, làm trong nước…
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3 + 6NaCl + 3CO2
2.4. Nhận biết ion Al3+ trong dung dịch
- Cho từ từ dd NaOH dư vào dung dịch, nếu thấy có kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong dd NaOH thì chứng tỏ có ion Al3+:
Al3+ + 3OH- → Al(OH)3
Al(OH)3+OH-dư → AlO2- + 2H2O
3. Bài tập Nhôm và hợp chất của nhôm - Cơ bản
Bài 1:
Cho sơ đồ phản ứng sau:
Al4C3 → X (+O2) → Y → C2H4O2 (+ KHCO3) → Z
Các chất X, Y, Z, T lần lượt là:
Hướng dẫn:
Sơ đồ hoàn chỉnh: Al4C3 → CH4 → CH3OH → CH3COOH → CH3COOK
Bài 2:
Cho hỗn hợp 2 kim loại Al và Cu vào dung dịch hỗn hợp 2 muối AgNO3 và Ni(NO3)2. Kết thúc phản ứng được rắn X (tan một phần trong dung dịch HCl dư) và thu được dung dịch Y (phản ứng vừa đủ với dung dịch NaOH được tủa gồm 2 hydroxit kim loại). Chất rắn X gồm những chất nào?
Hướng dẫn:
Đầu tiên Al phản ứng với AgNO3 trước
(1) Nếu Al còn dư thì phản ứng với Ni(NO3)2; Cu không phản ứng
(2) Nếu Al hết và AgNO3 dư thì Cu phản ứng với AgNO3, Ni(NO3)2 giữ nguyên.
X tan 1 phần trong HCl ⇒ Chứng tỏ giả thuyết (1) đúng
⇒ Y gồm Al3+; Ni2+ (có thể)
Mà Y phản ứng với NaOH vừa đủ tạo 2 hydroxit ⇒ Y phải có Ni2+
⇒ Rắn X gồm Ag, Cu, Ni
Bài 3:
Khi nhỏ từ từ dung dịch AlCl3 cho tới dư vào dung dịch NaOH và lắc đều thì xảy ra hiện tượng gì?
Hướng dẫn:
Đầu tiên do OH- dư nên kết tủa tạo thành sẽ tan ngay:
Al3+ + 3OH- → Al(OH)3
Al(OH)3 + OH- → AlO2- + 2H2O
Khi OH- hết thì xảy ra phản ứng tạo kết tủa:
Al3+ + 3AlO2- + 6H2O → 4Al(OH)3
Bài 4:
Dùng 200 ml dung dịch NaOH 1M để hòa tan hết tối đa m gam Al2O3. Giá trị của m là:
Hướng dẫn:
2NaOH +Al2O3 → 2NaAlO2 +H2O
0,2 0,1
\(\Rightarrow m_{Al_{2}O_{3}} = 0,1. 102 = 10,2 \ g\)
4. Bài tập Nhôm và hợp chất của nhôm - Nâng cao
Bài 1:
Hoà tan hoàn toàn m gam bột Al vào 150 ml dung dịch HCl 2M thu được dung dịch X. Cho dung dịch X tác dụng với 320 ml dung dịch NaOH 1M thu được 4,68 gam kết tủa. Giá trị của m là:
Hướng dẫn:
nHCl = 0,3 mol; nNaOH = 0,32 mol;
\(n_{{Al(OH)_{{3}}}}\) = 0,06 mol
Vì nNaOH > nHCl ⇒ dư OH- sau khi phản ứng hết với AlCl3
⇒ có hiện tượng hòa tan kết tủa
⇒ nOH tan kết tủa = nNaOH – nHCl = 0,02 mol
⇒ \(n_{{Al(OH)_{{3}}}}\) max = 0,06 + 0,02 = 0,08 mol = nAl bđ
⇒ mAl = 2,16g
Bài 2:
Cho 12,6 gam hỗn hợp X gồm Al và Al4C3 vào dung dịch KOH dư, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được a mol hỗn hợp khí Y và dung dịch Z. Sục khí CO2 dư vào dung dịch Z thu được 31,2 gam kết tủa. Giá trị của a là:
Hướng dẫn:
Đặt số mol Al: Al4C3: y (mol) ta có: 27x + 144y = 12,6 (1)
Kết tủa thu được là Al(OH)3. Số mol Al(OH)3 = 0,4 mol → x + 4y = 0,4 (BTNT Al) (2)
Giải (1) và (2) ta được: x = 0,2 mol; y = 0,05 mol
Khí thu được gồm H2 và CH4; số mol H2 = 1,5x; số mol CH4 = 3y
⇒ Tổng số mol khí = 1,5x + 3y = 0,45 mol
1. NHÔM
1.1. Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử
- Cấu hình electron: 1s2 2s22p6 3s23p1. ⇒ Al: thuộc nhóm IIIA, chu kỳ 3.
- Nhôm dể nhường 3 e hoá trị, nên có số oxi hoá +3.
1.2. Tính chất vật lí của Nhôm
- Là kim loại nhẹ ,màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ không cao lắm.
- Rất dẻo, có thể dát được lá nhôm mõng 0,01 mm dùng để gói thực phẩm.
- Có cấu tạo mạng lập phương tâm diện ,có mật độ electron tự do tượng đối lớn. Do vậy nhôm có khả năng dẩn điện và nhiệt tốt.
1.3. Tính chất hóa học của Nhôm
Nhôm là kim loại có tính khử mạnh, nên nó bị oxi hoá dể dàng thành ion nhôm Al3+ . Ta có: Al → Al3+ + 3e
a. Tác dụng với Halogen
Thí nghiệm Nhôm tác dụng với khí Clo: 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 .
b. Tác dụng với oxi
Thí nghiệm của Nhôm và Oxi: 4Al + 3 O2 → 2Al2O3
c. Tác dụng với axit
- Thí nghiệm Nhôm tác dụng với Axit HCl: 2Al + 6 HCl → 2AlCl3 + 3 H2
- Thí nghiệm Nhôm phản ứng với axit HNO3 và H2SO4 đặc, nóng:
Al + 4HNO3 loãng → Al(NO3)3 + 2H2O + NO.
- Chú ý: Nhôm bị thụ động trong HNO3 và H2SO4 đặc nguội.
d. Tác dụng với oxit kim loại
Thí nghiệm của Nhôm vào Sắt (III) oxit:
2Al + Fe2O3 \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) Al2O3 + 2Fe
e. Tác dụng với nước
- Vật bằng nhôm không tác dụng với nước ở bất kỳ nhiệt độ nào vì trên bề mặt nhôm được phủ bởi một lớp Al2O3 rất bền. Nếu phá bỏ lớp bảo vệ này, thì nhôm tác dụng được với nước
- Phản ứng: 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
- Al(OH)3 là chất rắn, không tan trong nước là lớp bảo vệ không cho nhôm tiếp xúc với nước nên phản ứng nhanh chóng bị dừng lại.
f. Tác dụng với dung dịch kiềm
Al2O3 + 2 NaOH → 2NaAlO2 + H2O
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2 (2)
Al(OH)3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2O (3)
Phản ứng (2), (3) xảy ra xen kẽ nhau mãi cho đến khi nhôm bị tan hết .
2Al + 2NaOH + 2H2O → NaAlO2 + 3 H2
1.4. Ứng dụng và trạng thái tự nhiên
a. Ứng dụng
- Dùng chế tạo máy bay, ô tô, tên lửa …
- Trang trí nội thất, xây dựng nhà cửa.
- Dẫn điện, dẩn nhiệt tốt nên dùng làm dây cáp dẩn điện.
b. Trạng thái tự nhiên
- Nhôm là kim loại hoạt động mạnh nên trong tự nhiên chỉ tồn tại ở dạng hợp chất như: đất sét, mica, criolit …
1.5. Sản xuất Nhôm
a. Nguyên liệu
- Quặng boxit Al2O3 .2H2O quặng thường lẫn tạp chất là Fe2O3 và SiO2, nên ta phải làm sạch nguyên liệu
b. Nguyên tắc
- Khử ion Al3+ thành Al.
b. Phương pháp
- Vì sự khử ion Al3+ trong Al2O3 là rất khó khăn, không thể dùng các chất khử thông thường như CO, C, H2 … mà ta phải dùng phương pháp điện phân nóng chảy với xúc tác là criolit (Na3AlF6 ) nhằm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 (2050 oC → 900oC ) để tiết kiệm năng lượng, và tạo được chất lỏng có tính dẫn điện tốt hơn.
- Quá trình điện phân:
Cực (-) : Al3+ + 3e → Al
Cực ( +) :Xảy ra sự oxi hoá 2O2- → O2 + 4e
2. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NHÔM
2.1. Nhôm oxit Al2O3
a. Tính chất vật lí
- Al2O3 là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước và không tác dụng với nước, t0nc=20500C.
b. Tính chất hóa học
- Tính bền ⇒ Al2O3 khó bị khử à Al bằng C, H2, CO.
- Tính chất lưỡng tính:
Al2O3+6HCl → 2AlCl3 + 3 H2O
Al2O3+2NaOH → 2NaAlO2+H2O
c. Ứng dụng
- Thường tồn tại dưới dạng ngậm nước và dạng khan:
+ Dạng oxit ngậm nước là thành phần chủ yếu quặng boxit là nguyên liệu sản xuất nhôm.
+ Dạng oxit khan có cấu tạo tinh thể giống đá quý: Tinh thể corindon trong suốt, không màu, rất rắn, chế tạo đá mài, giấy nhám…
- Bột nhôm oxit xúc tác cho tổng hợp hữu cơ.
2.2. Nhôm hidroxit Al(OH)3
a. Tính chất vật lí
- Là chất kết tủa keo, màu trắng
- Không tan trong nước, trong dd CO2, NH3 nhưng tan được trong môi trường H+ và OH- mạnh.
b. Tính chất hóa học
- Tính chất kém bền nhiệt:
\(2Al(OH)_{3} \overset{t^{0}}{\rightarrow}Al_{2}O_{3} + 3H_{2}O\)
- Tính chất lưỡng tính:
Al(OH)3+ 3HCl → AlCl3 + 3H2O
Al(OH)3+NaOH → NaAlO2+ 2H2O
2.3. Nhôm Sunfat Al2(SO4)3
- Muối nhôm sunfat khan tan trong nước → tỏa nhiệt do bị hiđrat hóa.
- Phèn chua: K2SO4.Al2(SO4)3.24H2O hay viết gọn: KAl(SO4)2.12H2O.
- Dùng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong ngành dệt vải, làm trong nước…
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3 + 6NaCl + 3CO2
2.4. Nhận biết ion Al3+ trong dung dịch
- Cho từ từ dd NaOH dư vào dung dịch, nếu thấy có kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong dd NaOH thì chứng tỏ có ion Al3+:
Al3+ + 3OH- → Al(OH)3
Al(OH)3+OH-dư → AlO2- + 2H2O
3. Bài tập Nhôm và hợp chất của nhôm - Cơ bản
Bài 1:
Cho sơ đồ phản ứng sau:
Al4C3 → X (+O2) → Y → C2H4O2 (+ KHCO3) → Z
Các chất X, Y, Z, T lần lượt là:
Hướng dẫn:
Sơ đồ hoàn chỉnh: Al4C3 → CH4 → CH3OH → CH3COOH → CH3COOK
Bài 2:
Cho hỗn hợp 2 kim loại Al và Cu vào dung dịch hỗn hợp 2 muối AgNO3 và Ni(NO3)2. Kết thúc phản ứng được rắn X (tan một phần trong dung dịch HCl dư) và thu được dung dịch Y (phản ứng vừa đủ với dung dịch NaOH được tủa gồm 2 hydroxit kim loại). Chất rắn X gồm những chất nào?
Hướng dẫn:
Đầu tiên Al phản ứng với AgNO3 trước
(1) Nếu Al còn dư thì phản ứng với Ni(NO3)2; Cu không phản ứng
(2) Nếu Al hết và AgNO3 dư thì Cu phản ứng với AgNO3, Ni(NO3)2 giữ nguyên.
X tan 1 phần trong HCl ⇒ Chứng tỏ giả thuyết (1) đúng
⇒ Y gồm Al3+; Ni2+ (có thể)
Mà Y phản ứng với NaOH vừa đủ tạo 2 hydroxit ⇒ Y phải có Ni2+
⇒ Rắn X gồm Ag, Cu, Ni
Bài 3:
Khi nhỏ từ từ dung dịch AlCl3 cho tới dư vào dung dịch NaOH và lắc đều thì xảy ra hiện tượng gì?
Hướng dẫn:
Đầu tiên do OH- dư nên kết tủa tạo thành sẽ tan ngay:
Al3+ + 3OH- → Al(OH)3
Al(OH)3 + OH- → AlO2- + 2H2O
Khi OH- hết thì xảy ra phản ứng tạo kết tủa:
Al3+ + 3AlO2- + 6H2O → 4Al(OH)3
Bài 4:
Dùng 200 ml dung dịch NaOH 1M để hòa tan hết tối đa m gam Al2O3. Giá trị của m là:
Hướng dẫn:
2NaOH +Al2O3 → 2NaAlO2 +H2O
0,2 0,1
\(\Rightarrow m_{Al_{2}O_{3}} = 0,1. 102 = 10,2 \ g\)
4. Bài tập Nhôm và hợp chất của nhôm - Nâng cao
Bài 1:
Hoà tan hoàn toàn m gam bột Al vào 150 ml dung dịch HCl 2M thu được dung dịch X. Cho dung dịch X tác dụng với 320 ml dung dịch NaOH 1M thu được 4,68 gam kết tủa. Giá trị của m là:
Hướng dẫn:
nHCl = 0,3 mol; nNaOH = 0,32 mol;
\(n_{{Al(OH)_{{3}}}}\) = 0,06 mol
Vì nNaOH > nHCl ⇒ dư OH- sau khi phản ứng hết với AlCl3
⇒ có hiện tượng hòa tan kết tủa
⇒ nOH tan kết tủa = nNaOH – nHCl = 0,02 mol
⇒ \(n_{{Al(OH)_{{3}}}}\) max = 0,06 + 0,02 = 0,08 mol = nAl bđ
⇒ mAl = 2,16g
Bài 2:
Cho 12,6 gam hỗn hợp X gồm Al và Al4C3 vào dung dịch KOH dư, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được a mol hỗn hợp khí Y và dung dịch Z. Sục khí CO2 dư vào dung dịch Z thu được 31,2 gam kết tủa. Giá trị của a là:
Hướng dẫn:
Đặt số mol Al: Al4C3: y (mol) ta có: 27x + 144y = 12,6 (1)
Kết tủa thu được là Al(OH)3. Số mol Al(OH)3 = 0,4 mol → x + 4y = 0,4 (BTNT Al) (2)
Giải (1) và (2) ta được: x = 0,2 mol; y = 0,05 mol
Khí thu được gồm H2 và CH4; số mol H2 = 1,5x; số mol CH4 = 3y
⇒ Tổng số mol khí = 1,5x + 3y = 0,45 mol