Nhôm – Những điều bạn chưa biết Nhôm ppsx

Nhôm – Những điều bạn chưa biết

Nhôm (tiếng Latinh: alumen, alum) là tên nguyên tố hóa
học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số
nguyên tử bằng 13. Từ “nhôm” trong tiếng Việt có nguồn
gốc từ aluminium trong tiếng Pháp. Nhôm là một kim loại
mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có một lớp
mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài
không khí.
Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay
đồng; nó rất mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và
dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó có khả năng
chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ. Nó cũng
không nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí.
Nên có nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống và công
nghệ. Nhưng có những điều về nhôm mà chúng ta chưa
biết.
1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
“Có một ngày một người thợ vàng ở Roma được phép cho
hoàng đế Tiberius xem một chiếc đĩa ăn làm từ một kim
loại mới. Chiếc đĩa rất nhẹ và có màu sáng như bạc Người
thợ vàng nói với hoàng đế rằng ông đã sản xuất kim loại từ
đất sét thô. Ông cũng cam đoan với hoàng đế rằng chỉ có
ông ta và chúa Trời biết cách sản xuất kim loại này từ đất
sét. Hoàng đế rất thích thú, và như một chuyên gia về tài
chính ông đã quan tâm tới nó. Tuy nhiên ông nhận ngay ra
là mọi tài sản vàng, bạc của ông sẽ mất giá trị nếu như
người dân bắt đầu sản xuất kim loại màu sáng này từ đất
sét. Vì thế, thay vì cảm ơn người thợ vàng, ông đã ra lệnh
chặt đầu ông ta”.
Những người Hy Lạp và La Mã cổ đại đã sử dụng các loại

muối của kim loại này như là thuốc cẩn màu (nhuộm) và
như chất làm se vết thương, và phèn chua vẫn được sử
dụng như chất làm se. Năm 1761 Guyton de Morveau đề
xuất cách gọi gốc của phèn chua là alumine. Năm 1808,
Humphry Davy xác định được gốc kim loại của phèn chua
(alum), mà theo đó ông đặt tên cho nhôm là aluminium.
Tên tuổi của Friedrich Wohler nói chung được gắn liền với
việc phân lập nhôm vào năm 1827. Tuy nhiên, kim loại này
đã được sản xuất lần đầu tiên trong dạng không nguyên
chất hai năm trước bởi nhà vật lý và hóa học Đan Mạch
Hans Christian Orsted
Nhôm được chọn làm chóp cho đài kỷ niệm Washington
vào thời gian khi một aoxơ (28,35g) có giá trị bằng hai lần
ngày lương của người lao động. Charles Martin Hall nhận
được bằng sáng chế (số 400655) năm 1886, về quy trình
điện phân để sản xuất nhôm. Henri Saint-Claire Deville
(Pháp) đã hoàn thiện phương pháp của Wohler (năm 1846)
và thể hiện nó trong cuốn sách năm 1859 với hai cải tiến
trong quy trình là thay thế kali thành natri và hai thay vì
một (chlorure)?. Phát minh của quy trình Hall-Heroult năm
1886 đã làm cho việc sản xuất nhôm từ khoáng chất trở
thành không đắt tiền và ngày nay nó được sử dụng rộng rãi
trên thế giới.
Nước Đức trở thành nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới
sau khi Adolf Hitler lên nắm quyền. Tuy nhiên, năm 1942,
những nhà máy thủy điện mới như Grand Coulee Dam đã
cho phép Mỹ những thứ mà nước Đức quốc xã không thể
hy vọng cạnh tranh: khả năng sản xuất đủ nhôm để có thể
sản xuất 60.000 máy bay chiến đấu trong bốn năm.
2. ỨNG DỤNG

Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt
tất cả các kim loại khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan
trọng trong nền kinh tế thế giới. Nhôm nguyên chất có sức
chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên
tố như đồng, kẽm, magiê, mangan và silic. Khi được gia
công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ
học tăng lên đáng kể.
Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng
trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng
khối lượng
Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp
bao phủ phản xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt. Các lớp bao
phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó
không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị. Trên
thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản
xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy
tinh. Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp
mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên
trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với
các tổn thương.
Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng
để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho
chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ của Mặt
Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp.
Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi
tiết của phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe,
tàu hỏa, tàu biển, v.v.)
Đóng gói (can, giấy gói, v.v), Xử lý nước.
Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v; tuy nhiên nó đã đánh mất
vai trò chính dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các

mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng.)
Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu
bếp, v.v)
Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ
bằng 60% của đồng, nó nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng
và rẻ tiền hơn)
Chế tạo máy móc.
Mặc dù tự bản thân nó là không nhiễm từ, nhôm được sử
dụng trong thép MKM và các nam châm Alnico.
Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980%-99,999% nhôm
được sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa
CD.
Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc
trong sơn. Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn
lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ — khi khô đi, các bông nhôm
sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt.
Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa, và
nó được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của xây
dựng.
Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện
đại được sản xuất từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và
độ dẫn nhiệt cao.
Ôxít nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới
dạng corunđum, emery, ruby và saphia và được sử dụng
trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng hợp được sử
dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả
năng giao thoa.
Sự ôxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm
nguyên liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhôm và các thành phần
của pháo.

3. SẢN SUẤT NHÔM
Mặc dù nhôm là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất
(8,1%), nó lại hiếm trong dạng tự do và đã từng được cho
là kim loại quý có giá trị hơn vàng (Người ta nói rằng
Napoleon III của Pháp có các bộ đồ ăn bằng nhôm dự
phòng cho những người khách quý nhất của ông. Những
người khách khác chỉ có bộ đồ ăn bằng vàng). Vì thế nhôm
là kim loại tương đối mới trong công nghiệp và được sản
xuất với số lượng công nghiệp chỉ khoảng trên 100 năm.
Nhôm khi mới được phát hiện là cực kỳ khó tách ra khỏi
các loại đá có chứa nó. Vì toàn bộ nhôm của Trái Đất tồn
tại dưới dạng các hợp chất nên nó là kim loại khó nhận
được nhất. Lý do là nhôm bị ôxi hóa rất nhanh và ôxít
nhôm là một hợp chất cực kỳ bền vững, không giống như
gỉ sắt, nó không bị bong ra.
Sự tái chế nhôm từ các phế thải đã trở thành một trong
những thành phần quan trọng của công nghiệp luyện nhôm.
Việc tái chế đơn giản là nấu chảy kim loại, nó rẻ hơn rất
nhiều so với sản xuất từ quặng. Việc tinh chế nhôm tiêu
hao nhiều điện năng; việc tái chế chỉ tiêu hao khoảng 5%
năng lượng để sản xuất ra nó trên cùng một khối lượng sản
phẩm. Mặc dù cho đến đầu thập niên 1900, việc tái chế
nhôm không còn là một lĩnh vực mới. Tuy nhiên, nó là lĩnh
vực hoạt động trầm lắng cho đến tận những năm cuối thập
niên 1960 khi sự bùng nổ của việc sử dụng nhôm để làm vỏ
của các loại đồ uống, kể từ đó việc tái chế nhôm được đưa
vào trong tầm chú ý của cộng đồng. Các nguồn tái chế
nhôm bao gồm ô tô cũ, cửa và cửa sổ nhôm cũ, các thiết bị
gia đình cũ, contenơ và các sản phẩm khác.
Trong một nhà máy sản xuất nhôm

Nhôm là một kim loại hoạt động và rất khó phân lập nó ra
từ quặng, ôxít nhôm (Al2O3). Việc khử trực tiếp, ví dụ với
cacbon, là không kinh tế vì ôxít nhôm có điểm nóng chảy
cao (khoảng 2.000°C). Vì thế, nó được tách ra bằng cách
điện phân – ôxít nhôm được hòa tan trong cryôlit nóng
chảy và sau đó bị khử bởi dòng điện thành nhôm kim loại.
Theo công nghệ này, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp chỉ
còn khoảng 950-980°C. Cryôlit nguyên thủy được tìm thấy
như một khoáng chất ở Greenland, nhưng sau đó được thay
thế bằng cryôlit tổng hợp. Cryôlit là hỗn hợp của các florua
nhôm, natri và canxi (Na3AlF6). Ôxít nhôm trong dạng bột
màu trắng thu được từ quặng bôxít tinh chế, quặng này có
màu đỏ vì chứa khoảng 30-40% ôxít sắt. Nó được tinh chế
theo công nghệ Bayer. Trước khi có công nghệ này, công
nghệ được sử dụng là công nghệ Deville.
Công nghệ điện phân thay thế cho công nghệ Wohler, là
công nghệ khử clorua nhôm khan với kali. Các điện cực
trong điện phân ôxít nhôm làm từ cacbon. Khi quặng bị
nóng chảy, các ion của nó chuyển động tự do. Phản ứng tại
catốt mang điện âm là:
Al3+ + 3e- → Al
Ở đây các ion nhôm bị biến đổi (nhận thêm điện tử). Nhôm
kim loại sau đó chìm xuống và được đưa ra khỏi lò điện
phân.
Tại cực dương (anốt) ôxy dạng khí được tạo thành:
2O2- → O2 + 4e-
Cực dương cacbon bị ôxi hóa bởi ôxy. Cực dương bị hao
mòn dần và phải được thay thế thường xuyên, do nó bị tiêu
hao do phản ứng:
O2 + C → CO2

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-Heroult 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 này 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 Quebec ở Canada. Trung Quốc hiện là nhà sản xuất
nhôm lớn nhất thế giới (năm 2004)
4. ĐỒNG VỊ CỦA NHÔM
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, t1/2 =
7,2 × 105 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. Trong tạp chí Science ngày 14 tháng 1 năm 2005 đã
thông báo rằng các cụm 13 nguyên tử nhôm (Al13) được
tạo ra có tính chất giống như nguyên tử iốt; và 14 nguyên
tử nhôm (Al14) có tính chất giống như nguyên tử kim loại
kiềm thổ. Các nhà nghiên cứu còn liên kết 12 nguyên tử iốt
với cụm Al13 để tạo ra một lớp mới của pôlyiotua. 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).
5, CÁC HỢP CHẤT CỦA NHÔM
AlH được điều chế khi nhôm bị nung nóng ở nhiệt độ
1500°C trong hiđrô.
Al2O được điều chế bằng cách nung nóng ôxít thông
thường, Al2O3, với silic ở nhiệt độ 1800°C trong chân
không.
Al2S được điều chế bằng cách nung nóng Al2S3 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.
Subôxít nhôm, AlO có thể được tồn tại khi bột nhôm cháy
trong ôxy.
Hiđrua nhôm, (AlH3)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, Al4C3 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, Al2(C2)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 (PH3).

Ôxít nhôm, Al2O3, 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(Al(OH)3) 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
Al2S3, có thể điều chế bằng cách cho sulfua hiđrô đi qua
bột nhôm. Nó là một chất đa hình.
Florua nhôm, AlF3, 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 AlR3
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[AlH4]. 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 [AlR4] có cấu trúc tương tự.
6. LƯU Ý KHI SỬ DỤNG NHÔM

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.