Nhôm ( phần 2 ) doc

Nhôm ( phần 2 )
Ngược lại với anốt, các catốt gần như không bị tiêu hao trong quá trình
điện phân do không có ôxy ở gần nó. Catốt cacbon được bảo vệ bởi nhôm
lỏng trong lò. Các catốt bị ăn mòn chủ yếu là do các phản ứng điện hóa.
Sau 5-10 năm, phụ thuộc vào dòng điện sử dụng trong quá trình điện
phân, các lò điện phân cần phải sửa
chữa toàn bộ do các catốt đã bị ăn
mòn hoàn toàn.
Điện phân nhôm bằng công nghệ
Hall-Héroult tiêu hao nhiều điện
năng, nhưng các công nghệ khác
luôn luôn có khuyết điểm về mặt
kinh tế hay môi trường hơn công
nghệ này. Tiêu chuẩn tiêu hao
năng lượng phổ biến là khoảng
14,5-15,5 kWh/kg nhôm được sản
xuất. Các lò hiện đại có mức tiêu
thụ điện năng khoảng 12,8 kWh/kg. Dòng điện để thực hiện công việc
điện phân này đối với các công nghệ cũ là 100.000-200.000 A. Các lò
hiện nay làm việc với cường độ dòng điện khoảng 350.000 A. Các lò thử
nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 A.
Năng lượng điện chiếm khoảng 20-40% trong giá thành của sản xuất
nhôm, phụ thuộc vào nơi đặt lò nhôm. Các lò luyện nhôm có xu hướng
được đặt ở những khu vực mà nguồn cung cấp điện dồi dào với giá điện
rẻ, như Nam Phi, đảo miền nam New Zealand, Úc, Trung Quốc, Trung
Đông, Nga và Québec ở Canada.
Trung Quốc hiện là nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới (năm 2004).
Đồng vị
Nhôm có chín đồng vị, số Z của
chúng từ 23 đến 30. Chỉ có Al-27
(đồng vị ổn định) và Al-26 (đồng vị

phóng xạ, t
1/2
= 7,2 × 10
5
năm) tìm
thấy trong tự nhiên, tuy nhiên Al-27
có sự phổ biến trong tự nhiên là
100%. Al-26 được sản xuất từ agon
trong khí quyển do va chạm sinh ra
bởi các tia vũ trụ proton. Các đồng vị
của nhôm có ứng dụng thực tế trong
việc tính tuổi của trầm tích dưới biển,
các vết mangan, nước đóng băng,
thạch anh trong đá lộ thiên, và các
thiên thạch. Tỷ lệ của Al-26 trên
beryli-10 được sử dụng để nghiên
cứu vai trò của việc chuyển hóa, lắng
đọng, lưu trữ trầm tích, thời gian
cháy và sự xói mòn trong thang độ
thời gian 105 đến 106 năm (về sai
số).
Al-26 nguồn gốc vũ trụ đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu Mặt Trăng
và các thiên thạch. Các thành phần của thiên thạch, sau khi thoát khỏi
nguồn gốc của chúng, trong khi chu du trong không gian bị tấn công bởi
các tia vũ trụ, sinh ra các nguyên tử Al-26. Sau khi rơi xuống Trái Đất,
tấm chắn khí quyển đã bảo vệ cho các phần tử này không sinh ra thêm
Al-26, và sự phân rã của nó có thể sử dụng để xác định tuổi trên trái đất
của các thiên thạch này. Các nghiên cứu về thiên thạch cho thấy Al-26 là
tương đối phổ biến trong thời gian hình thành hệ hành tinh của chúng ta.
Có thể là năng lượng được giải phóng bởi sự phân rã Al-26 có liên quan

đến sự nấu chảy lại và sự sai biệt của một số tiểu hành tinh sau khi chúng
hình thành cách đây 4,6 tỷ năm.
Cụm
Trong tạp chí Science ngày 14 tháng 1 năm 2005 đã thông báo rằng các
cụm 13 nguyên tử nhôm (Al
13
) được tạo ra có tính chất giống như nguyên
tử iốt; và 14 nguyên tử nhôm (Al
14
) có tính chất giống như nguyên tử kim
loại kiềm thổ. Các nhà nghiên cứu còn liên kết 12 nguyên tử iốt với cụm
Al
13
để tạo ra một lớp mới của pôlyiốtua. Sự phát kiến này được thông
báo là mở ra khả năng của các đặc tính mới của bảng tuần hoàn các
nguyên tố: "các nguyên tố cụm". Nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Shiv N.
Khanna (Virginia Commonwealth University) và A. Welford Castleman
Jr (Penn State University). [7]
Cảnh báo
Nhôm là một trong ít các nguyên tố phổ biến nhất mà không có chức
năng có ích nào cho các cơ thể sống, nhưng có một số người bị dị ứng với
nó — họ bị các chứng viêm da do tiếp xúc với các dạng khác nhau của
nhôm: các vết ngứa do sử dụng các chất làm se da hay hút mồ hôi (phấn
rôm), các rối loạn tiêu hóa và giảm hay mất khả năng hấp thụ các chất
dinh dưỡng từ thức ăn nấu trong các nồi nhôm, nôn mửa hay các triệu
chứng khác của ngộ độc nhôm do ăn (uống) các sản phẩm như
Kaopectate® (thuốc chống ỉa chảy), Amphojel® và Maalox® (thuốc
chống chua). Đối với những người khác, nhôm không bị coi là chất độc
như các kim loại nặng, nhưng có dấu hiệu của ngộ độc nếu nó được hấp
thụ nhiều, mặc dù việc sử dụng các đồ nhà bếp bằng nhôm (phổ biến do

khả năng chống ăn mòn và dẫn nhiệt tốt) nói chung chưa cho thấy dẫn
đến tình trạng ngộ độc nhôm. Việc tiêu thụ qua nhiều các thuốc chống
chua chứa các hợp chất nhôm và việc sử dụng quá nhiều các chất hút mồ
hôi chứa nhôm có lẽ là nguồn duy nhất sinh ra sự ngộ độc nhôm. Người
ta cho rằng nhôm có liên quan đến bệnh Alzheimer, mặc dù các nghiên
cứu gần đây đã bị bác bỏ.
Cần cẩn thận để không cho nhôm tiếp xúc với một số chất hóa học nào đó
có khả năng ăn mòn nó rất nhanh. Ví dụ, chỉ một lượng nhỏ thủy ngân
tiếp xúc với bề mặt của miếng nhôm có thể phá hủy lớp ôxít nhôm bảo vệ
thông thường có trên bề mặt các tấm nhôm. Trong vài giờ, thậm chí cả
một một cái xà có cấu trúc nặng nề có thể bị làm yếu đi một cách rõ rệt.
Vì lý do này, các loại nhiệt kế thủy ngân không được phép trong nhiều
sân bay và hãng hàng không, vì nhôm là thành phần cấu trúc cơ bản của
các máy bay.
Hóa học
Trạng thái ôxi hóa 1
 AlH được điều chế khi nhôm bị nung nóng ở nhiệt độ 1500 °C
trong hiđrô.
 Al
2
O được điều chế bằng cách nung nóng ôxít thông thường,
Al
2
O
3
, với silic ở nhiệt độ 1800 °C trong chân không.
 Al
2
S được điều chế bằng cách nung nóng Al
2

S
3
với vỏ nhôm ở
nhiệt độ 1300 °C trong chân không. Nó nhanh chóng bị chuyển
thành các chất ban đầu. Selenua được điều chế tương tự.
 AlF, AlCl và AlBr tồn tại trong pha khí khi ba halua được nung
nóng cùng với nhôm.
Trạng thái ôxi hóa 2
 Subôxít nhôm, AlO có thể được tồn tại khi bột nhôm cháy trong
ôxy.
Trạng thái ôxi hóa 3
 Quy tắc Fajans chỉ ra rằng cation hóa trị ba Al
3+
là không được
mong chờ tìm thấy trong các muối khan hay trong các hợp chất nhị
phân như Al
2
O
3
. Hiđrôxít nhôm là một bazơ yếu và muối nhôm của
các axít yếu, chẳng hạn như cacbonat, không thể tạo ra. Muối của
các axít mạnh, chẳng hạn như nitrat, là ổn định và hòa tan trong
nước, tạo thành các hiđrat với ít nhất sáu phân tử nước kết tinh.
 Hiđrua nhôm, (AlH
3
)
n
, có thể sản xuất từ trimêthyl nhôm và hiđrô
dư thừa. Nó cháy kèm nổ trong không khí. Nó cũng có thể được
điều chế bằng phản ứng của clorua nhôm trên hiđrua liti trong dung

dịch ête, nhưng không thể cô lập thành dạng tự do từ dung dịch.
 Cacbua nhôm, Al
4
C
3
được sản xuất bằng cách nung nóng hỗn hợp
hai nguyên tố trên 1.000 °C. Các tinh thể màu vàng nhạt có cấu
trúc lưới phức tạp,và phản ứng với nước hay axít loãng tạo ra
mêtan. Axêtylua, Al
2
(C
2
)
3
, được điều chế bằng cách cho axêtylen
đi qua nhôm nóng.
 Nitrua nhôm, AlN, có thể được sản xuất từ các nguyên tố ở nhiệt
độ 800 °C. Nó bị thủy phân bởi nước tạo ra amôniắc và hiđrôxít
nhôm.
 Phốtphua nhôm, AlP, được sản xuất tương tự, và bị thủy phân
thành phốtphin (PH
3
).
 Ôxít nhôm, Al
2
O
3
, tìm thấy trong tự nhiên như là corunđum, và có
thể điều chế bằng cách đốt nóng nhôm với ôxy hay nung nóng
hiđrôxít, nitrat hoặc sulfat. Như là một loại đá quý, độ cứng của nó

chỉ thua có kim cương, nitrua bo và cacborunđum. Nó gần như
không hòa tan trong nước.
 Hiđrôxít nhôm có thể được điều chế như là một chất kết tủa dạng
gelatin bằng cách cho thêm amôniắc vào trong dung dịch của các
muối nhôm. Nó là lưỡng tính, vừa là bazơ yếu vừa là axít yếu, có
thể tạo ra các muối aluminat với kim loại kiềm. Nó tồn tại trong
các dạng tinh thể khác nhau.
 Sulfua nhôm, Al
2
S
3
, có thể điều chế bằng cách cho sulfua hiđrô đi
qua bột nhôm. Nó là một chất đa hình.
 Florua nhôm, AlF
3
, có thể điều chế bằng cách cho hai nguyên tố
tác dụng với nhau hay cho hiđrôxít nhôm tác dụng với HF. Nó tạo
thành phân tử lớn, bay hơi không qua pha nóng chảy ở nhiệt độ
1.291 °C (thăng hoa). Nó là một chất rất trơ. Các trihalua khác là
các chất dime, có cấu trúc cầu nối.
 Các hợp chất hữu cơ của nhôm có công thức chung AlR
3
tồn tại và
nếu không phải là các phân tử lớn, thì là các chất dime hay trime.
Chúng được sử dụng trong tổng hợp chất hữu cơ, ví dụ trimêtyl
nhôm.
 Các chất alumino-hyđrua của phần lớn các nguyên tố có khả năng
tích điện dương đã được biết, trong đó có giá trị nhất là hiđrua
nhôm liti, Li[AlH
4

]. Khi bị đốt nóng, nó phân hủy thành nhôm,
hiđrô và hiđrua liti, nó bị thủy phân trong nước. Nó có nhiều ứng
dụng trong hóa hữu cơ. Các alumino-halua [AlR
4
] có cấu trúc
tương tự.