Kim loại kiềm kiềm thổ và nhôm có thể được điều chế bằng phương pháp nào sau đây

Câu hỏi: Kim loại kiềm thổ và nhôm có thể được điều chế bằng phương pháp nào sau đây:

A. Thủy luyện.                                                            

B. Nhiệt luyện.

C. Điện phân nóng chảy.                                            

D. Điện phân dung dịch.

Đáp án: C

- Kim loại kiềm kiềm thổ và nhôm có thể được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy.

Giải thích: 

- Các kim loại kiềm và kiềm thổ được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy muối halogen.

Mời bạn đọc hãy cùng với Top lời giải tìm hiểu chi tiết về kim loại kiềm thổ và nhôm qua bài viết dưới đây.

I. Kim loại kiềm thổ

1. Định nghĩa

     - Kim loại kiềm thổ là những kim loại có tính khử mạnh (chỉ kém kim loại kiềm). Trong các phản ứng các kim loại kiềm thổ đều thể hiện hóa trị 2. Chúng tác dụng dễ dàng với các phi kim như oxi, clo, lưu huỳnh tạo thành oxit hoặc muối. Chúng cũng dễ dàng phản ứng với các dung dịch axit. Với nước Mg được coi là không phản ứng ở nhiệt độ thường còn Ca và Ba phản ứng mạnh tạo thành dung dịch kiềm và khí Hidro. Chính vì vậy khi cho vào dung dịch muối Mg đẩy các kim loại đứng sau còn Ca và Ba thì phản ứng tương tự như các kim loại kiềm.

     - Kim loại kiềm là những kim loại có tính khử mạnh nhất. Kim loại kiềm tác dụng mạnh với nước, với hầu hết các phi kim thường gặp: với oxi tạo oxit hoặc peoxit (tùy điều kiện), với phi kim khác tạo muối, với dung dịch axit thì phản ứng với axit trước - nước sau, với các dung dịch khác thì phản ứng với nước, ...

2. Điều chế 

- Trong tự nhiên, kim loại kiềm thổ chỉ tồn tại dạng ion M²⁺ trong các hợp chất.

     - Phương pháp cơ bản là điện phân muối nóng chảy của chúng.

CaCl_2đpnc→→_đpncCa + Cl₂↑

MgCl_2đpnc→→_đpncMg + Cl₂↑

- Một số phương pháp khác:

     - Dùng than cốc khử MgO; CaO từ đolomit bằng febositic (hợp chất Si và Fe) ở nhiệt độ cao và trong chân không.

MgO + C → Mg + CO

CaO + 2MgO + Si → 2Mg + CaO.SiO₂

     - Dùng nhôm hay magie khử muối của Ca, Sr, Ba trong chân không ở 1100⁰C → 1200⁰C.

2Al + 4CaO → CaO.Al₂O₃ + 3Ca

3. Ứng dụng 

     - Kim loại Be: làm chất phụ gia để chế tạo hợp kim có tính đàn hồi cao, bền, chắc, không bị ăn mòn.

     - Kim loại Ca: dùng làm chất khử để tách oxi, lưu huỳnh ra khỏi thép, làm khô 1 số hợp chất hữu cơ.

     - Kim loại Mg có nhiều ứng dụng hơn cả: tạo hợp kim có tính cứng, nhẹ, bền để chế tạo máy bay, tên lửa, ôtô… Mg còn được dùng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ. Bột Mg trộn với chất oxi hóa dùng để chế tạo chất chiếu sáng ban đêm dùng trong pháo sáng, máy ảnh.

II. Nhôm

1. Định nghĩa

     - Nhôm (bắt nguồn từ tiếng Pháp: aluminium, phiên âm tiếng Việt: a-luy-mi-nhôm) là tên của một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13.

     - Nhôm thuộc kim loại, có màu sắc trắng ánh bạc, mềm và nhẹ. Nhôm có độ phản chiếu cao cũng như có tính dẫn nhiệt và dẫn điện lớn. Nhôm là kim loại không độc và có tính chống mài mòn. Nhôm cũng là kim loại có nhiều thành phần nhất.

     - Trong tự nhiên rất khó để tìm được nhôm nguyên chất, thông thường kim loại này được tìm thấy khi được kết hợp cùng oxygen cùng với những nguyên tố khác. Người ta vẫn thường gọi là hợp kim nhôm trong cuộc sống hàng ngày.

2. Đặc điểm của nhôm

     - Trong bảng tuần hoàn hóa học, nhôm ở vị trí số 13, chu kỳ 3 và thuộc nhóm IIIA. Đây là một chất thường thấy trong tự nhiên. Vậy ở trạng thái tự nhiên, nhôm thường ở những dạng nào và tính chất vật lý của nó ra sao?

Trạng thái tự nhiên của nhôm

     - Nhôm là kim loại thường thấy phía bên trong vỏ trái đất (chiếm khoảng 8%). Trong tự nhiên, nhôm thường có trong các hợp chất như đất sét, boxit hay criolit.

Cụ thể:

     - Trong đất sất sét, nhôm thuộc hợp chất: Al₂O₃.2Sio₂.2H₂O.

     - Trong mica: K₂O.Al₂O₃.6Sio₂.2H₂O.

     - Trong Boxit: Al₂O₃.nH₂O.

     - Trong criolit Criolit: 3NaF.AlF₃ hay (Na₃AlF₆).

Tính chất vật lý của nhôm

     - Đặc điểm của nhôm là có cấu trúc mạng lập phương tâm diện. Ngoài ra, khi nhắc tới tính chất của nhôm, và cụ thể là tính chất vật lý, ta không thể không nhắc tới tính dẫn điện của nhôm hay dẫn nhiệt tốt của hợp chất này. Nhôm nóng chảy ở nhiệt độ 660^oC.

     - Bằng mắt thường, ta có thể thấy nhôm có màu trắng bạc, cứng, bền và dai. Người ta có thể dễ dàng kéo sợi hay dát mỏng nhôm. Khối lượng riêng của nhôm là 2,7 g/cm³.

Tính chất hóa học và hợp chất có trong nhôm

     - Những tính chất hóa học của nhôm cơ bản dưới đây sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nhôm phản ứng được với chất nào và trong nhôm có những hợp chất nào nhé.

Tác dụng với các phi kim

     - Trên thực tế, các vật liệu được làm từ nhôm đều có một lớp oxit bảo vệ trên bề mặt. Nhôm phản ứng được với oxi trên bề mặt. Vì khi phản ứng, nhôm sẽ tạo ra một lớp màng oxit bao phủ bề mặt. Qua đó bảo vệ và ngăn cản nhôm tác dụng với oxi để tạo ra oxit.

2Al + 3O₂ => Al₂O₃

     - Al₂O₃ là một oxit lưỡng tính, vì thế tính chất hóa học của Al₂O₃ sẽ thuộc dạng một oxit lưỡng tính. Tức là nó có thể phản ứng với cả axit và bazơ.

     - Bên cạnh đó, nhôm còn phản ứng được với các phi kim khác để tạo ra muối.

Ví dụ:

2Al + 3Cl₂ => 2AlCl₃

​2Al + 3S => Al₂S₃

Tác dụng với nước

     - Trên thực tế, Al sẽ không phản ứng được với nước vì được bảo vệ bởi lớp oxit mỏng. Khi lớp oxit được phá bỏ, nguyên tố al phản ứng trực tiếp với nước.

2Al + 6H₂O => 2Al(OH)₃ + 3H₂

Tác dụng với oxit của kim loại kém hoạt động hơn (phản ứng nhiệt nhôm)

     - Al có thể khử được oxit của các kim loại đứng sau nó trong dãy hoạt động hóa học: 

2Al + 3FeO => Al₂O₃ + 3Fe

Tác dụng với dung dịch axit

     - Với các axit khác nhau, nhôm sẽ có phản ứng khác nhau.

Cụ thể:

     - Với các axit HCl và H₂SO₄ loãng, nhôm có thể dễ dàng phản ứng và tạo ra muối và hidro:

 2Al + 6HCl => 2AlCl₃ + 3H₂

     - Với H2SO4 loãng: 

2Al + 3H₂SO₄ => Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

     - Với các axit có tính oxi hóa mạnh như HNO₃ hoặc H₂SO₄ đậm đặc:

Al + 4HNO₃ => Al(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

Al + 6HNO₃ => Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

2Al + 6H₂SO₄ => Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Tác dụng với dung dịch bazơ

     - Al có thể dễ dàng tham gia những phản ứng với các dung dịch kiềm: 

Al + NaOH + H₂O => NaAlO₂ + 1,5 H₂

     - Trước tiên, Al tham gia phản ứng với nước sau đó sẽ sinh ra Al(OH)₃. Đây là một hidroxit lưỡng tính có thể tan được trong dung dịch kiềm.

Tác dụng với dung dịch muối

     - Al có thể đẩy được kim loại đứng sau trong dãy hoạt động kim loại ra khỏi dung dịch muối của chúng:

 2Al + 3CuSO₄ => Al₂(SO₄)₃ + 3Cu

Phản ứng nhiệt nhôm

     - Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học toả nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở nhiệt độ cao. Ví dụ nổi bật nhất là phản ứng nhiệt nhôm giữa oxit sắt III và nhôm:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

Một số phản ứng khác như:

3CuO+ 2Al → Al₂O3 + 3Cu

8Al + 3Fe₃O₄ → 4Al₂O₃ + 9Fe

3Mn₃O₄ + 8 Al → 4Al₂O₃ + 9Mn

Cr₂O₃ + 2Al→ Al₂O₃ + 2Cr

     - Phản ứng này lần đầu tiên được sử dụng để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon. Phản ứng này toả nhiệt rất cao, nhưng nó có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn phải được phá vỡ trước. Oxit kim loại được đun nóng với nhôm trong một lò đun. Phản ứng này chỉ có thể sử dụng để sản xuất số lượng nhỏ vật liệu.

     - Phản ứng nhiệt nhôm còn được sử dụng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm hay Von farm). Do tính chất thụ động với H₂SO₄ đặc nguội và HNO₃ đặc nguội, người ta sẽ sử dụng thùng nhôm để chuyên chở hai loại axit này.

     - Người ta thường sử dụng các phản ứng này để hàn đường sắt tại chỗ, hữu ích cho việc cài đặt phức tạp hoặc sửa chữa tại chỗ mà không thể được thực hiện bằng cách sử dụng cách hàn đường sắt liên. Phản ứng nhiệt nhôm cũng được sử dụng để sản xuất phần lớn hợp kim sắt, ví dụ như ferroniobium từ niobium pentoxit và ferrovanadium từ Vanadi oxit. Các kim loại khác cũng được sản xuất bằng phương pháp này.

III. Điều chế

 Để điều chế nhôm thường chỉ dùng phương pháp điện phân nóng chảy. Do trong tự nhiên nhôm tồn tại chủ yếu ở dạng nhôm oxit nên điện phân nóng chảy nhôm oxit là cách hiệu quả nhất:

     - Nguyên liệu: Quặng boxit Al₂O₃ (thường bị lẫn SiO₂ và Fe₂O₃).

- Các giai đoạn điều chế:

1. Tinh chế quặng boxit (làm sạch nguyên liệu)

     - Đây là giai đoạn quan trọng vì nếu không làm sạch nguyên liệu nhôm điều chế ra có lẫn tạp chất sẽ dễ bị ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.

     - Nguyên liệu được cho tác dụng với dung dịch xút nóng:

2NaOH + Al₂O₃ → 2NaAlO₂ + H­₂O

2NaOH + SiO₂ → Na₂SiO₃ + H₂O

     - Sau đó sục khí CO₂ dư vào dung dịch:

NaAlO₂ + CO₂ + 2H₂O → NaHCO₃ + Al(OH)₃

NaOH + CO₂ → NaHCO₃

     - Lọc lấy kết tủa nung ở 900⁰C sẽ thu được oxit nhôm tinh khiết

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

2. Điện phân Al₂O₃ nóng chảy

     - Điện phân nóng chảy Al₂O₃ có mặt criolit Na₃AlF₆ (giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ từ 2050⁰C xuống 900⁰C; tăng độ dẫn điện do tạo thành nhiều ion hơn; tạo lớp bảo vệ không cho O₂ phản ứng với Al nóng chảy):                       

2Al₂O₃ → 4Al + 3O­₂

     -  Quá trình điện phân thường dùng điện cực bằng than chì nên có phản ứng phụ giữa điện cực và oxi ở cực dương (tạo khí CO và CO₂) vì vậy trong quá trình điện phân phải thường xuyên hạ thấp điện cực.