Tài liệu Nhôm và Những điều bạn chưa biết docx

Nhôm và 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 m
ột 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 ngườ
i 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 v
ết 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 t
ừ 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 xu
ất 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 tă
ng 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 c
ủa 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 bề
n 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 sả
n 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 (Al
2
O
3
).
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 h
ợp. Cryôlit là hỗn hợp của các florua nhôm, natri và canxi
(Na
3

AlF
6
). 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:
Al
3+
+ 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:
2O
2-
→ O
2
+ 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:
O
2
+ C → CO
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.
Điệ
n 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 vi
ệc 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, 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