Nhôm

Bản mẫu:1000 bài cơ bản Bản mẫu:Hộp thông tin nhôm Nhôm là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Al và số nguyên tử 13. Nhôm có khối lượng riêng thấp hơn các kim loại thông thường khác, khoảng một phần ba so với thép. Nhôm có ái lực cao với oxy, từ đó tạo thành một lớp oxide bảo vệ trên bề mặt khi tiếp xúc với không khí. Nhôm có màu giống bạc và có khả năng phản xạ ánh sáng rất tốt. Nhôm là kim loại mềm, dẻo và không có từ tính. Nhôm có một đồng vị ổn định, Bản mẫu:Chem2; đồng vị này rất phổ biến nên nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 12 trong vũ trụ. Tính phóng xạ của đồng vị kém bền Bản mẫu:Chem2 khiến nó được sử dụng trong phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ.

Về hóa học, nhôm là kim loại hậu chuyển tiếp trong nhóm bor; như thường thấy trong nhóm, nhôm chủ yếu tạo hợp chất ở trạng thái oxy hóa +3. Cation nhôm Bản mẫu:Chem2 nhỏ và có điện tích lớn; do đó, tính phân cực của nhôm lớn hơn và các liên kết do nhôm tạo thành có tính chất cộng hóa trị nhiều hơn. Ái lực mạnh của nhôm đối với oxy dẫn đến sự phổ biến của các oxide nhôm trong tự nhiên. Nhôm được tìm thấy chủ yếu ở đá trong lớp vỏ Trái Đất, nơi nó là nguyên tố phổ biến thứ ba chỉ sau oxy và silic, thay vì lớp phủ, và gần như không bao giờ xuất hiện dưới dạng kim loại tự do. Nhôm được sản xuất trong công nghiệp bằng cách khai thác bô xít, một loại đá trầm tích giàu nhôm.

Nhôm được phát hiện vào năm 1825 bởi nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Ørsted. Nhà hóa học người Pháp Henri Étienne Sainte-Claire Deville là người khởi xướng quá trình sản xuất nhôm công nghiệp đầu tiên vào năm 1856. Nhôm trở nên dễ tiếp cận hơn với công chúng nhờ quy trình Hall–Héroult do kỹ sư người Pháp Paul Héroult và kỹ sư người Mỹ Charles Martin Hall phát triển vào năm 1886, và việc sản xuất nhôm hàng loạt đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống hàng ngày. Trong Chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai, nhôm là nguồn tài nguyên chiến lược quan trọng cho ngành hàng không. Năm 1954, nhôm vượt đồng để trở thành kim loại màu được sản xuất nhiều nhất. Vào thế kỷ 21, phần lớn nhôm tại Hoa Kỳ, Tây Âu và Nhật Bản được tiêu thụ trong vận tải, kỹ thuật, xây dựng và đóng gói.

Mặc dù phổ biến trong môi trường nhưng các muối nhôm không được chuyển hóa bởi bất kỳ sinh vật sống nào đã biết. nhưng nhôm dưới dạng này được thực vật và động vật dung nạp tốt. Do sự phong phú của các loại muối nhôm, tiềm năng về vai trò sinh học của chúng đang là chủ đề được quan tâm và nghiên cứu đến.

Tính chất vật lý

Kim loại nhôm có bề ngoài từ trắng bạc đến xám xỉn tùy thuộc vào độ nhám bề mặt.Bản mẫu:Efn Gương nhôm là loại gương phản chiếu tốt nhất trong số tất cả các gương kim loại đối với tia cận cực tím và tia hồng ngoại xa. Nhôm cũng là một trong những chất phản xạ ánh sáng mạnh nhất trong quang phổ khả kiến, gần ngang bằng với bạc về mặt này, nên về ngoại hình cả hai kim loại nhìn giống nhau. Nhôm cũng phản xạ tốt bức xạ Mặt Trời, mặc dù việc tiếp xúc lâu với ánh nắng mặt trời trong không khí sẽ làm mài mòn bề mặt kim loại; điều này có thể được ngăn chặn nếu nhôm được anod hóa, bổ sung thêm một lớp oxide bảo vệ trên bề mặt.

Khối lượng riêng của nhôm là 2,70 g/cm³, khoảng một phần ba so với thép và thấp hơn đáng kể so với các kim loại thường gặp khác, từ đó có thể phân biệt các bộ phận bằng nhôm nhờ độ nhẹ của chúng.Bản mẫu:Sfn Khối lượng riêng thấp của nhôm so với phần lớn các kim loại khác xuất phát từ hạt nhân nhẹ hơn của nhôm, trong khi sự khác biệt về kích thước ô đơn vị không bù đắp được sự khác biệt này. Chỉ các kim loại thuộc nhóm 1 và 2 nhẹ hơn nhôm; các kim loại trong nhóm này, ngoại trừ beryli và magnesi, đều quá dễ phản ứng để sử dụng trong kết cấu (còn beryli rất độc hại). Nhôm không bền hoặc cứng như thép, nhưng khối lượng riêng thấp cho phép nhôm được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và những ứng dụng khác yêu cầu trọng lượng nhẹ và độ bền tương đối cao.Bản mẫu:Sfn

Nhôm nguyên chất khá mềm và không bền. Trong hầu hết các ứng dụng, nhiều hợp kim nhôm khác được sử dụng thay thế vì độ bền và độ cứng cao hơn.Bản mẫu:Sfn Độ bền dẻo của nhôm tinh khiết là 7–11 MPa, trong khi hợp kim nhôm có độ bền dẻo từ 200 MPa đến 600 MPa. Nhôm có tính dẻo, với độ giãn dài là 50-70%, và dễ uốn, cho phép việc kéo và ép đùn nhôm.Bản mẫu:Sfn Nhôm cũng có thể được gia công và đúc một cách dễ dàng.Bản mẫu:Sfn

Nhôm là chất dẫn nhiệt và dẫn điện rất tốt, có độ dẫn điện và nhiệt bằng khoảng 60% so với đồng, trong khi khối lượng riêng chỉ bằng 30% so với đồng.Bản mẫu:Sfn Nhôm có khả năng siêu dẫn, với nhiệt độ siêu dẫn tới hạn là 1,2 kelvin và từ trường tới hạn khoảng 100 gauss (10 millitesla). Nó có tính thuận từ và do đó về cơ bản không bị ảnh hưởng bởi từ trường tĩnh.Bản mẫu:Sfn Tuy nhiên, độ dẫn điện cao khiến nhôm chịu nhiều ảnh hưởng bởi từ trường xen kẽ thông qua cảm ứng từ dòng điện xoáy.Bản mẫu:Sfn

Vỏ electron

Một nguyên tử nhôm có 13 electron, sắp xếp theo cấu hình electron Bản mẫu:Nowrap,Bản mẫu:Sfn với ba electron nằm ngoài cấu hình khí hiếm ổn định. Tổng của ba năng lượng ion hóa đầu tiên của nhôm thấp hơn nhiều so với năng lượng ion hóa thứ tư.Bản mẫu:Sfn Cấu hình electron như trên được là điểm chung của các nguyên tố nổi bật khác trong nhóm của nhôm, bor, gali, indi và thali; điều tương tự cũng có thể áp dụng với nihoni. Nguyên tử nhôm có thể nhường 3 electron ngoài cùng trong nhiều phản ứng hóa học (xem bên dưới). Độ âm điện của nhôm là 1,61 (thang Pauling).Bản mẫu:Sfn

Ảnh STEM-HAADF của nguyên tử nhôm với độ phân giải cao, xem ở hướng [001].

Một nguyên tử nhôm tự do có bán kính 143 pm.Bản mẫu:Sfn Khi loại bỏ 3 electron ngoài cùng, bán kính giảm xuống còn 39 pm đối với nguyên tử có 4 tọa độ 4 hoặc 53,5 chiều 53,5 pm đối với nguyên tử có 6 tọa độ.Bản mẫu:Sfn Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, các nguyên tử nhôm (khi không bị ảnh hưởng bởi nguyên tử của các nguyên tố khác) tạo thành hệ tinh thể lập phương tâm mặt được liên kết bởi liên kết kim loại tạo bởi các electron ngoài cùng của nguyên tử; do đó nhôm (ở điều kiện này) là một kim loại. Hệ tinh thể này là điểm chung của nhiều kim loại khác như chì và đồng; kích thước của một ô đơn vị nhôm tương xứng với kích thước của các kim loại khác. Tuy nhiên, hệ thống này không áp dụng đối với các nguyên tố khác trong cùng nhóm: bor có năng lượng ion hóa quá cao cho sự kim loại hóa, thali có cấu trúc lục giác xếp chặt, còn gali và indi có cấu trúc bất thường mà không xếp chặt như nhôm và thali. Một số ít electron có sẵn để liên kết kim loại trong nhôm có thể lý giải cáu trúc mềm, điểm nóng chảy và điện trở suất thấp của nhôm.Bản mẫu:Sfn

Đồng vị

Trong số các đồng vị nhôm, chỉ đồng vị Bản mẫu:Chem2 là ổn định. Điều này thường thấy ở các nguyên tố có số nguyên tử lẻ.Bản mẫu:Efn Đây là đồng vị nguyên thủy duy nhất của nhôm, tức là đồng vị duy nhất tồn tại trên Trái đất ở dạng hiện tại kể từ khi Trái đất hình thành. Do đó, nhôm là một nguyên tố đơn nhân và trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn hầu như giống với trọng lượng nguyên tử của đồng vị. Điều này nhôm là nguyên tố rất hữu ích trong cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), vì đồng vị ổn định duy nhất của nhôm có độ nhạy NMR cao.Bản mẫu:Sfn Trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn của nhôm thấp so với nhiều kim loại khác.Bản mẫu:Efn

Tất cả các đồng vị còn lại của nhôm đều có tính phóng xạ. Đồng vị ổn định nhất trong số này là Bản mẫu:Chem2: trong khi tồn tại cùng Bản mẫu:Chem2 ổn định trong môi trường giữa các vì sao mà Hệ Mặt trời hình thành, cũng được tạo ra bởi quá trình tổng hợp hạt nhân sao, chu kỳ bán rã của Bản mẫu:Chem2 chỉ kéo dài 717.000 năm và do đó, một lượng có thể phát hiện được đã không còn tồn tại kể từ khi Trái đất hình thành. Tuy nhiên, một lượng nhỏ Bản mẫu:Chem2 được tạo ra từ argon trong khí quyển do sự phá vỡ gây ra bởi proton từ tia vũ trụ. Tỷ lệ Bản mẫu:Chem2 so với Bản mẫu:Chem2 đã được sử dụng để xác định niên đại phóng xạ của các quá trình địa chất trong khoảng thời gian từ 10⁵ to 10⁶ năm, đặc biệt là quá trình vận chuyển, lắng đọng, lưu trữ trầm tích, thời gian chôn vùi và xói mòn. Hầu hết các nhà khoa học nghiên cứu thiên thạch tin rằng năng lượng giải phóng từ quá trình phân rã của Bản mẫu:Chem2 chịu trách nhiệm cho sự tan chảy và phân hóa của một số tiểu hành tinh sau khi chúng hình thành cách đây 4,55 tỷ năm.

Các đồng vị nhôm còn lại, với số khối từ 21 đến 43, đều có chu kỳ bán rã dưới một giờ. Ba trạng thái bán ổn định với chu kỳ bán rã dưới một phút cũng được biết đến.

Hóa học

Nhôm kết hợp các đặc điểm của kim loại tiền và hậu chuyển tiếp. Vì có ít electron tham gia liên kết kim loại, tương tự các nguyên tố nhóm bor nặng hơn, nên nhôm có các tính chất vật lý đặc trưng của kim loại hậu chuyển tiếp, với khoảng cách giữa các nguyên tử dài hơn dự kiến.Bản mẫu:Sfn Hơn nữa, vì Bản mẫu:Chem2 là một cation nhỏ và có điện tích lớn, nên ion nhôm có tính phân cực mạnh và tạo liên kết cộng hóa trị trong các hợp chất của nhôm;Bản mẫu:Sfn hành vi này tương tự ion beryli (Bản mẫu:Chem2) và cả hai nguyên tố thể hiện đặc trưng của mối quan hệ chéo.

Lõi của nhôm có cấu hình electron của khí hiếm liền trước, trong khi lõi của các nguyên tố trong cùng nhóm dưới nhôm gali, indi, thali và nihoni bao gồm một phân lớp d đã lấp đầy và trong một số trường hợp là một phân lớp f đã lấp đầy. Do đó, các electron trong cùng của nhôm che chắn các electron hóa trị gần như hoàn toàn, không giống như các electron của các đồng loại nặng hơn nhôm. Như vậy, nhôm là kim loại có độ dương điện cao nhất trong nhóm của nó; trên thực tế, hydroxide của nhôm có tính kiềm cao hơn so với hydroxide của gali.Bản mẫu:SfnBản mẫu:Efn Nhôm cũng có một vài điểm tương đồng với á kim boron trong cùng nhóm: Các hợp chất Bản mẫu:Chem2 là hợp chất dãy đẳng electron hóa trị của Bản mẫu:Chem2 (chúng có cùng cấu trúc electron hóa trị) và cả hai đều hoạt động như acid Lewis và dễ dàng tạo thành sản phẩm cộng.Bản mẫu:Sfn Ngoài ra, một trong những mô típ chính của hóa học bo là cấu trúc hình nhị thập diện đều, và nhôm tạo thành một phần quan trọng của nhiều hợp kim tựa tinh thể hình nhị thập diện, bao gồm hệ hợp kim Al–Zn–Mg. Bản mẫu:Sfn

Vì tính ái lực cao với oxy, nên có thể dùng nhôm làm chất khử trong phản ứng nhiệt nhôm. Bột nhôm mịn phản ứng mãnh liệt khi tiếp xúc với oxy lỏng; nhưng trong điều kiện bình thường, nhôm tạo thành một lớp oxide mỏng (khoảng 5 nm ở nhiệt độ phòng) giúp kim loại không bị ăn mòn thêm bởi oxy, nước hoặc acid loãng. Quá trình này được gọi là sự thụ động hóa.Bản mẫu:Sfn Do khả năng chống ăn mòn nói chung, nhôm là một trong số ít kim loại giữ được khả năng phản xạ ánh bạc ở dạng bột mịn, khiến nhôm trở thành nguyên liệu quan trọng trong sơn màu bạc. Vì sự thụ động hóa, nên nhôm không phản ứng với acid có tính oxy hóa mạnh. Nhờ vậy, nhôm có thể được dùng để lưu trữ các hóa chất như acid nitric, acid sulfuric đậm đặc và một số acid hữu cơ.Bản mẫu:Sfn

Trong acid hydrochloric đặc nóng, nhôm phản ứng với nước và giải phóng khí hydro; trong dung dịch natri hydroxide hoặc kali hydroxide ở nhiệt độ phòng thì nhôm phản ứng để tạo muối aluminate – sự thụ động hóa để bảo vệ nhôm trong những điều kiện này không đáng kể. Nước cường toan cũng có thể hòa tan nhôm.Bản mẫu:Sfn Nhôm bị ăn mòn bởi chloride hòa tan, chẳng hạn như natri chloride; vì lý do này mà hệ thống ống nước gia dụng không bao giờ được làm bằng nhôm. Lớp oxide trên nhôm cũng có thể bị phá hủy khi tiếp xúc với thủy ngân do quá trình tạo hỗn hống hoặc khi tiếp xúc với muối của một số kim loại có độ dương điện cao.Bản mẫu:Sfn Vì vậy, các hợp kim nhôm khỏe nhất có tính chống ăn mòn kém do phản ứng điện với hợp kim đồng và tính chống ăn mòn của nhôm bị giảm đáng kể khi có sự xuất hiện của muối trong nước, đặc biệt là khi cũng xuất những kim loại khác.Bản mẫu:Sfn

Nhôm phản ứng với phần lớn các phi kim ở nhiệt độ cao, tạo thành các hợp chất như nhôm nitride (AlN), nhôm sulfide (Bản mẫu:Chem2) và các nhôm halide (Bản mẫu:Chem2). Nhôm cũng tạo nhiều hợp chất liên kim loại với các kim loại từ mọi nhóm trong bảng tuần hoàn.Bản mẫu:Sfn

Hợp chất vô cơ

Đa số các hợp chất nhôm, bao gồm các chất khoáng chứa nhôm và hợp chất nhôm dùng trong thương mại, có nhôm hóa trị 3+. Số phối trí của các hợp chất có thể thay đổi, nhưng nhìn chung Bản mẫu:Chem2 có số phối trí là 6 hoặc 4. Hầu như mọi hợp chất nhôm (III) không có màu.Bản mẫu:Sfn

Đồ thị thể hiện quá trình thủy phân nhôm theo hàm số của độ pH. Các phân tử có phối tử nước bị loại bỏ.

Trong dung dịch nước, Bản mẫu:Chem2 tồn tại dưới dạng cationBản mẫu:Chem2; với giá trị hằng số điện li acid K_a là 10⁻⁵.Bản mẫu:Sfn Các dung dịch như vậy có tính acid bởi vì cation này có thể cho proton và thủy phân liên tục cho đến khi hình thành kết tủa nhôm hydroxide (Bản mẫu:Chem2). Điều này đóng vai trò hữu ích trong quá trình làm trong nước, vì kết tủa hình thành trên các hạt huyền phù trong nước, do đó giúp loại bỏ chúng. Tăng độ pH sẽ làm hòa tan hydroxide trở lại dưới dạng aluminat (Bản mẫu:Chem2).

Nhôm hydroxide tạo muối và aluminate, đồng thời hòa tan trong acid và base.Bản mẫu:Sfn Đặc tính như trên của Bản mẫu:Chem2 được gọi là lưỡng tính; đây là đặc trưng của các cation base yếu tạo thành hydroxide không tan và các loài ngậm nước của chúng cũng có thể cho proton. Một hậu quả là muối nhôm trong acid yếu bị thủy phân trong nước thành hydroxide ngậm nước và hydride phi kim tương ứng. Ví dụ: nhôm sulfide tạo ra hydro sulfide. Tuy nhiên, một số muối như nhôm carbonat tồn tại trong dung dịch nước nhưng lại không ổn định; và chỉ xảy ra thủy phân không hoàn toàn đối với các muối có tính acid mạnh như các muối halide, nitrat và sulfat. Vì những lý do tương tự, các muối nhôm khan không thể được tạo ra bằng cách đun nóng "hydrat" của chúng: nhôm clorua ngậm nước thực tế không phải là Bản mẫu:Chem2 mà là Bản mẫu:Chem2. Các liên kết Al–O rất khỏe nên việc đun nóng không đủ để làm đứt gãy liên kết; thay vào đó tạo thành các liên kết Al–Cl:Bản mẫu:Sfn

$2[\mathrm{A}\mathrm{l}(\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}){\phantom{A}}_6]\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{t}{\phantom{A}}^o}{\to }\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+6\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+9\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

Số phối trí của nhôm sẽ thấp hơn đối với các halide nặng hơn. Các trihalide khác là dimer hoặc polymer với các tâm nhôm bốn phối trí hình tứ diện.Bản mẫu:Efn Nhôm(III) chloride (Bản mẫu:Chem2) có cấu trúc polyme phân lớp dưới điểm nóng chảy của nó là 192,4 °C nhưng khi nóng chảy biến đổi thành các dimer Al₂Cl₆. Ở nhiệt độ cao hơn, chúng ngày càng phân ly thành các monome AlCl₃ phẳng ba phương tương tự như cấu trúc của BCl₃. Nhôm(III) bromide và nhôm(III) triiodide tạo thành các dimer Al₂X₆ trong cả ba pha và do đó không thể hiện những thay đổi đáng kể về tính chất khi thay đổi pha.Bản mẫu:Sfn Các vật liệu này được chế tạo bằng cách xử lý nhôm với halogen. Các muối halide của nhôm tạo thành nhiều sản phẩm cộng hoặc phức chất; bản chất acid Lewis của các hợp chất này chúng trở thành chất xúc tác hiệu quả cho phản ứng Friedel–Crafts. Nhôm(III) chloride có những ứng dụng công nghiệp chính liên quan đến phản ứng này, chẳng hạn như trong sản xuất anthraquinone và styren. Nhôm(III) chloride cũng thường được dùng làm tiền chất cho nhiều hợp chất nhôm khác và làm thuốc thử để chuyển đổi fluoride phi kim thành chlorideương ứng (một phản ứng halogen hóa).Bản mẫu:Sfn

Cả bốn muối halide của nhôm đều được biết đến rộng rãi. Không giống như cấu trúc của ba muối halide nặng hơn, nhôm fluoride (Bản mẫu:Chem2) có số phối trí là 6, giúp giải thích tính không bay hơi, không hòa tan và nhiệt hình thành cao của nó. Mỗi nguyên tử nhôm được bao quanh bởi sáu nguyên tử fluor trong cấu trúc bát diện bị méo mó, với mỗi nguyên tử fluor được chia sẻ giữa các góc của hai khối bát diện. Các đơn vị Bản mẫu:Chem2 như trên cũng tồn tại trong các hợp chất flouride phức hợp như cryolit, Bản mẫu:Chem2.Bản mẫu:Efn Bản mẫu:Chem2 nóng chảy ở nhiệt độ 1290 °C và được điều chế bằng phản ứng giữa nhôm oxide và khí hydro fluoride ở nhiệt độ 700 °C.Bản mẫu:Sfn

Nhôm tạo một oxide bền với công thức hóa học Bản mẫu:Chem2, hay còn gọi là alumina. Có thể tìm thấy alumina trong chất khoáng corundum, α-alumina; pha γ-alumina cũng xuất hiện.Bản mẫu:Sfn Dưới dạng tinh thể, corundum là chất trơ rất cứng (với độ cứng Mohs 9), có nhiệt độ nóng chảy cao (2045°C), có khả năng bay hơi thấp và là chất cách điện tốt. Nó thường được dùng làm chất mài mòn (như kem đánh răng), vật liệu chịu lửa, và trong gốm sứ, cũng như là vật liệu đầu vào cho quá trình sản xuất nhôm bằng phương pháp điện phân. Sapphire và ruby là corundum kèm theo một lượng nhỏ các kim loại khác.Bản mẫu:Sfn Hai oxide-hydroxide chính, AlO(OH), là boehmite và diaspore. Có ba loại trihydroxide chính: bayerite, gibbsite và nordstrandite, chúng khác nhau về cấu trúc tinh thể (Đa hình). Nhiều cấu trúc trung gian và liên quan khác cũng được biết đến.Bản mẫu:Sfn Hầu hết được sản xuất từ quặng bằng nhiều quy trình ướt sử dụng acid và base. Khi đun nóng, các hydroxide chuyển thành corundum. Những vật liệu này có tầm quan trọng cốt lõi đối với quá trình sản xuất nhôm và bản thân chúng cực kỳ hữu ích. Một số pha oxide hỗn hợp cũng rất hữu ích, chẳng hạn như spinel (Bản mẫu:Chem2), Na-β-alumina (Bản mẫu:Chem2) và tricalci aluminate (Bản mẫu:Chem2, một pha khoáng quan trọng trong xi măng Portland).Bản mẫu:Sfn

Các muối chalcogenide ổn định trong điều kiện bình thường là nhôm sulfide (Bản mẫu:Chem2), selenide (Bản mẫu:Chem2), và telluride (Bản mẫu:Chem2). Cả ba đều được điều chế bằng phản ứng trực tiếp giữa các nguyên tố cấu thành ở khoảng 1000 °C và sự thủy phân hoàn toàn trong nước để tạo ra nhôm hydroxide và hydro chalcogenide tương ứng. Vì nhôm là một nguyên tử nhỏ so với các chalcogen này, nên chúng có nhôm tứ diện bốn phối trí với nhiều dạng đa hình có cấu trúc liên quan đến wurtzit, với hai phần ba các vị trí kim loại có thể chiếm theo cách có trật tự (α) hoặc ngẫu nhiên (β). Nhôm sulfide cũng có dạng γ liên quan đến γ-alumina, và dạng lục giác bất thường ở nhiệt độ cao, trong đó một nửa các nguyên tử nhôm có phối trí tứ diện bốn và một nửa còn lại có phối trí lưỡng tháp ba phương năm.Bản mẫu:Sfn

Bốn muối pnictide – nhôm nitride (AlN), nhôm phosphide (AlP), nhôm arsenide (AlAs), và nhôm antimonide (AlSb) – đã được biết đến. Tất cả đều là chất bán dẫn III-V đẳng điện tử với silicon và germani, tất cả đều có cấu trúc giống sphalerit. Cả bốn muối trên đều có thể được điều chế bằng cách phản ứng trực tiếp các cấu thành của hợp chất ở nhiệt độ cao (và có thể là áp suất cao).Bản mẫu:Sfn

Nhôm tạo hợp kim với nhiều kim loại khác (ngoại trừ phần lớn kim loại kiềm và kim loại thuộc nhóm 13) và có hơn 150 hợp chất liên kim loại được biết đến. Quá trình sản xuất bao gồm việc nung nóng các kim loại với nhau theo tỷ lệ nhất định, sau đó làm nguội dần và ủ. Liên kết giữa các phân tử chủ yếu là liên kết kim loại và cấu trúc tinh thể dựa vào hiệu suất xếp chặt.

Hợp chất nhôm với hóa trị thấp hơn rất ít không tồn tại phổ biến. Một vài hợp chất nhôm(I) tồn tại: AlF, AlCl, AlBr và AlI tồn tại ở dạng khí khi halogen tương tự được đun nóng với nhôm ở nhiệt độ rất thấp. Một dẫn xuất bền của nhôm monoiodide là Bản mẫu:Chem2, sản phẩm cộng vòng được hình thành với triethylamine. Bản mẫu:Chem2 và Bản mẫu:Chem2 cũng tồn tại nhưng cực kỳ kém bền. Các hợp chất nhôm(II) rất đơn giản được sử dụng hoặc quan sát thấy trong các phản ứng của kim loại Al với chất oxy hóa. Ví dụ, nhôm monoxide, AlO, đã được phát hiện trong pha khí sau khi nổ và trong quang phổ hấp thụ của sao. Hợp chất với công thức Bản mẫu:Chem2, chứa một liên kết Al–Al và một phối tử hữu cơ lớn R, được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.

Hợp chất cơ nhôm và các hydride

Trimethyl nhôm, một hợp chất có carbon năm phối trí.

Có nhiều hợp chất có công thức thực nghiệm Bản mẫu:Chem2 và Bản mẫu:Chem2. Các trialkyl và triaryl nhôm là chất lỏng dễ phản ứng, dễ bay hơi và không màu hoặc chất rắn có nhiệt độ nóng chảy thấp. Chúng tự bốc cháy trong không khí và phản ứng với nước, do đó cần phải có các biện pháp phòng ngừa khi sử dụng. Chúng thường tạo thành các dimer, không giống như các chất tương tự boron của chúng, nhưng xu hướng này giảm đối với các alkyl mạch nhánh (ví dụ như Prⁱ, Buⁱ, Bản mẫu:Chem2); ví dụ, triisobutyl nhôm tồn tại dưới dạng hỗn hợp cân bằng của monome và dimer.Bản mẫu:Sfn Những dimer này, chẳng hạn như trimethyl nhôm (Bản mẫu:Chem2), thường có các trung tâm Al tứ diện được hình thành bằng phản ứngdimer hóa với một số nhóm alkyl bắc cầu giữa cả hai nguyên tử nhôm. Chúng là các acid cứng và phản ứng dễ dàng với các phối tử để tạo thành các sản phẩm cộng. Trong công nghiệp, chúng chủ yếu được sử dụng trong các phản ứng chèn alken, như được Karl Ziegler phát hiện, quan trọng nhất là trong "phản ứng tăng trưởng" tạo thành alken và rượu bậc một không phân nhánh chuỗi dài, và trong quá trình trùng hợp áp suất thấp giữa ethylen và propylen. Ngoài ra còn có một số hợp chất cơ nhôm dị vòng và cụm liên quan đến liên kết Al–N.Bản mẫu:Sfn

Hợp chất nhôm hydride quan trọng nhất trong công nghiệp là lithi nhôm hydride (Bản mẫu:Chem2), được dùng làm chất khử trong hóa hữu cơ. Có thể điều chế hợp chất trên dùng lithi hydride và nhôm (III) chloride.Bản mẫu:Sfn Hydride đơn giản nhất, nhôm hydride hay còn gọi là alane, không quan trọng bằng LiAlH₄. Chất này là polymer với công thức hóa học Bản mẫu:Chem2, trái ngược với bor hydride, một dimer với công thức Bản mẫu:Chem2.Bản mẫu:Sfn

Lịch sử

Friedrich Wöhler, nhà hóa học đầu tiên mô tả kỹ lưỡng về nguyên tố nhôm

Tham chiếu đầu tiên tới nhôm (mặc dù chưa thể chứng minh) là trong Naturalis Historia của Gaius Plinius Secundus:

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 chất làm se vết thương, 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 aluminum.

Tên tuổi của Friedrich Wöhler 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 Ørsted.

Nhôm được chọn làm chóp cho đài kỷ niệm Washington vào thời gian khi một ounce (28,35 g) có giá trị bằng hai lần ngày lương của người lao động.

Trước năm 1880, nhôm có giá trị rất cao, hơn cả vàng và bạc. Nguyên do của việc này chính là và thời điểm đó, khoa học chỉ mới có cách tách những mẫu nhôm rất nhỏ. Một vài dẫn chứng cụ thể là việc Napoleon III - tổng thống Pháp cho dùng dụng cụ ăn uống bằng nhôm khi tiếp đón các vị khác quan trọng nhất; vua Đan Mạch đội vương miện bằng nhôm và các quý bà ở Paris thường đeo trang sức và sử dụng ống nhòm bằng nhôm nhằm thể hiện sự giàu có.

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 Wöhler (năm 1846) và thể hiện nó trong cuốn sách năm 1859 với hai cải tiến trong quy trình. Phát minh của quy trình Hall-Héroult 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.

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.

Sự phổ biến

Vũ trụ

Độ phổ biến của nhôm trên mỗi hạt trong Hệ Mặt trời là 3,15 ppm (phần triệu).Bản mẫu:Efn Nhôm là nguyên tố phong phú thứ 12 trong số tất cả các nguyên tố và là nguyên tố phong phú thứ 3 trong số các nguyên tố có số nguyên tử lẻ, chỉ sau hydro và nitơ. Đồng vị ổn định duy nhất của nhôm, Bản mẫu:Chem2, là hạt nhân phổ biến thứ 18 trong vũ trụ. Đồng vị này được tạo ra gần như hoàn toàn từ quá trình tổng hợp carbon trong các ngôi sao lớn mà sau này sẽ trở thành siêu tân tinh loại II: quá trình tổng hợp này tạo ra Bản mẫu:Chem2, khi bắt giữ các proton và neutron tự do, sẽ trở thành nhôm. Một lượng nhỏ Bản mẫu:Chem2 được tạo ra trong các lớp vỏ đốt cháy hydro của các ngôi sao đã tiến hóa, nơi Bản mẫu:Chem2 có thể bắt giữ các proton tự do. Về cơ bản, tất cả nhôm hiện đang tồn tại là Bản mẫu:Chem2. Bản mẫu:Chem2 có mặt trong Hệ Mặt trời ban đầu với độ phong phú là 0,005% so với 27Al nhưng chu kỳ bán rã 728.000 năm quá ngắn để bất kỳ hạt nhân ban đầu nào tồn tại lâu dài; do đó Bản mẫu:Chem2 đã tuyệt chủng. Không giống như Bản mẫu:Chem2, quá trình đốt cháy hydro là nguồn chính của Bản mẫu:Chem2, với nuclide xuất hiện sau khi hạt nhân Bản mẫu:Chem2 bắt được một proton tự do. Tuy nhiên, lượng vết Bản mẫu:Chem2 tồn tại là chất phát tia gamma phổ biến nhất trong môi trường liên sao; nếu Bản mẫu:Chem2 ban đầu tồn tại đến bây giờ, bản đồ tia gamma của dải ngân hà Milky Way sẽ sáng hơn.

Trái Đất

Quặng bô xít chứa nhôm.

Nhìn chung, Trái Đất có khoảng 1,59% nhôm theo khối lượng (nguyên tố phổ biến thứ bảy theo khối lượng). Nhôm xuất hiện với tỷ lệ lớn hơn trong lớp vỏ Trái Đất so với trong vũ trụ nói chung. Điều này là do nhôm dễ dàng tạo thành oxide và liên kết với đá và nằm trong lớp vỏ Trái Đất, trong khi các kim loại ít phản ứng hơn chìm xuống lõi. Trong vỏ Trái Đất, nhôm là nguyên tố kim loại phổ biến nhất (8,3% theo khối lượngBản mẫu:Sfn) và là nguyên tố phổ biến thứ ba (chỉ sau oxy và silic).Bản mẫu:Sfn Một lượng lớn silicat trong lớp vỏ Trái Đất chứa nhôm. Ngược lại, lớp phủ của Trái Đất chỉ có 2,38% nhôm theo khối lượng. Nhôm cũng có trong nước biển với nồng độ 2 μg/kg.

Do có tính ái lực cao với oxy, nhôm hầu như không bao giờ được tìm thấy ở trạng thái nguyên tố; thay vào đó, nó được tìm thấy trong các oxide hoặc silicate. Felspat, nhóm khoáng chất phổ biến nhất trong lớp vỏ Trái đất, là tập hợp các aluminosilicat. Nhôm cũng xuất hiện trong các khoáng chất beryl, cryolit, garnet, spinel, và ngọc lam. Các tạp chất trong Bản mẫu:Chem2, chẳng hạn như crom và sắt, tạo ra các loại đá quý lần lượt là hồng ngọc và saphir. Kim loại nhôm tự nhiên cực kỳ hiếm và chỉ có thể được tìm thấy dưới dạng pha phụ trong môi trường có độ bay hơi oxy thấp, chẳng hạn như bên trong một số núi lửa. Nhôm tự nhiên đã được phát hiện trong các lỗ phun lạnh ở sườn lục địa đông bắc của Biển Đông. Các mỏ này có thể là kết quả của quá trình khử tetrahydroxoaluminate Bản mẫu:Chem2 nhờ vi khuẩn.

Mặc dù nhôm là một nguyên tố phổ biến và rộng rãi, nhưng không phải tất cả các khoáng chất nhôm đều là nguồn kim loại khả thi về mặt kinh tế. Hầu như tất cả nhôm kim loại đều được sản xuất từ quặng bô xít Bản mẫu:Chem2. Bô xít xuất hiện như một sản phẩm phong hóa của nền đá có hàm lượng sắt và silic thấp trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Năm 2017, phần lớn bô xít được khai thác ở Úc, Trung Quốc, Guinea và Ấn Độ.

Ứng dụng

Xe Austin A40 Sports có vỏ làm bằng nhôm (Bản mẫu:Circa)

Kim loại

Sản lượng nhôm toàn cầu đạt 58,8 triệu tấn vào năm 2016. Con số này lớn hơn mọi kim loại trừ sắt (1.231 triệu tấn).

Nhôm hầu như luôn được hợp kim, điều này cải thiện đáng kể tính cơ học của nó, đặc biệt là khi được rèn nhiệt. Ví dụ, các loại bạc nhôm thông thường và lon đựng đồ uống là hợp kim từ 92% đến 99% nhôm. Các tác nhân hợp kim chính là đồng, kẽm, magnesi, mangan và silic (ví dụ như duralumin) với mức độ của các kim loại khác là vài phần trăm theo trọng lượng. Nhôm, cả rèn và đúc, đã được hợp kim với mangan, silic, , đồng và kẽm, và còn nhiều hợp kim khác nữa. Ví dụ, nhóm hợp kim Kynal được phát triển bởi công ty hóa chất Anh Quốc Imperial Chemical Industries.

Lon nhôm

Các ứng dụng chính của kim loại nhôm bao gồm:Bản mẫu:Sfn

• Giao thông (ô tô, máy bay, xe tải, xe lửa, tàu biển, xe đạp, tàu vũ trụ, v.v.). Nhôm được sử dụng vì khối lượng riêng thấp;
• Đóng gói (lon nhôm, bìa nhôm, khung, v.v.). Nhôm được sử dụng vì nó không độc hại (xem phần dưới đây), không thấm nước và không gây vết thương;
• Xây dựng và công trình (cửa sổ, vật liệu bao phủ, dây điện, mái nhà, v.v.). Vì thép rẻ hơn, nhôm được sử dụng khi độ nhẹ, kháng ăn mòn hoặc các tính năng kỹ thuật quan trọng;
• Các ứng dụng liên quan đến điện (hợp kim dẫn, động cơ và máy phát điện, biến áp, tụ điện, v.v.). Nhôm được sử dụng vì giá thành thấp, độ dẫn điện tốt, có độ cứng cơ học đủ và khối lượng riêng thấp, cũng như khả năng kháng ăn mòn;
• Một loạt các vật dụng trong gia đình, từ dụng cụ nấu ăn đến nội thất. Nhôm được sử dụng vì khối lượng riêng thấp, diện mạo đẹp, dễ gia công và có độ bền tốt;
• Máy móc và thiết bị (thiết bị chế biến, ống, công cụ). Nhôm được sử dụng vì khả năng chống ăn mòn, không cháy và độ cứng cơ học.

Hợp chất

Hầu hết nhôm oxide (khoảng 90%) được chuyển đổi thành nhôm kim loại.Bản mẫu:Sfn Nhôm oxide có độ cứng cao (độ cứng Mohs 9), nên được sử dụng rộng rãi như một chất mài; và rất bền hóa học, nên hữu ích trong môi trường có tính chất phản ứng cao như đèn natri ánh sáng cao áp. Nhôm oxide thường được sử dụng làm chất xúc tác trong các quy trình công nghiệp;Bản mẫu:Sfn một số ví dụ gồm quá trình Claus chuyển đổi hydro sunfua thành lưu huỳnh trong nhà máy lọc dầu và để alkyl hoá amine. Nhiều chất xúc tác công nghiệp được hỗ trợ bằng nhôm oxide, có nghĩa là chất xúc tác đắt tiền được phân tán trên bề mặt của nhôm oxide không hoạt động. Một ứng dụng chính khác của nhôm oxide là làm chất hấp thụ hoặc chất chống ẩm.Bản mẫu:Sfn

Lắng đọng laser của nhôm oxi trên một chất nền

Một số sulfate của nhôm có ứng dụng công nghiệp và thương mại. Nhôm sulfat (dưới dạng hydrat) được sản xuất hàng triệu tấn mỗi năm. Khoảng hai phần ba được sử dụng trong xử lý nước. Ứng dụng chính tiếp theo là trong sản xuất giấy. Nó cũng được sử dụng làm chất mordant trong quá trình nhuộm, trong việc muối hạt hạt giống, khử mùi dầu khoáng, trong quá trình nhuộm da, và trong sản xuất các hợp chất nhôm khác. Hai loại muối đá, muối đá ammonium và muối đá kali, trước đây được sử dụng làm chất mordant và trong quá trình nhuộm da, nhưng việc sử dụng của chúng đã giảm đáng kể sau khi có sẵn nhôm sulfate tinh khiết cao. Aluminium clorexit không hydrat được sử dụng làm chất xúc tác trong ngành hóa và petro, trong ngành nhuộm và trong quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ và vô cơ khác. Nhôm hydroxyclorexit được sử dụng trong việc làm sạch nước, trong ngành giấy và như chất chống mồ hôi. Natri aluminat được sử dụng trong việc xử lý nước và là một chất tăng tốc quá trình đông cứng của xi măng.

Nhiều hợp chất nhôm có ứng dụng đặc biệt, ví dụ:

• Nhôm acetat trong dung dịch được sử dụng như một chất cái gắt.
• Nhôm phosphate được sử dụng trong sản xuất kính, gốm sứ, giấy gỗ và sản phẩm giấy, mỹ phẩm, sơn, véc ni và trong chứng nhận.
• Nhôm hydroxide được sử dụng như một chất trợ tiêu hóa, và chất mordant; nó cũng được sử dụng trong việc lọc nước, sản xuất kính và gốm sứ, và trong việc chống thấm các loại vải.
• Lithi nhôm hydride là một chất chống oxy hóa mạnh được sử dụng trong hoá học hữu cơ.
• Hợp chất cơ nhôm được dùng làm acid Lewis và chất đồng xúc tác.
• Methylaluminoxane là một cộng tác viên cho quá trình polymer hóa olefin Ziegler–Natta để sản xuất các polyme vinyl như polyethen.
• Các ion nhôm trong dung dịch (như sunfat nhôm trong nước) được sử dụng để điều trị chống lại các tác nhân gây bệnh cho cá như Gyrodactylus salaris.
• Trong nhiều loại vaccine, các muối nhôm cụ thể được sử dụng như một adjuvant miễn dịch (tăng cường phản ứng miễn dịch) để cho phép protein trong vaccine đạt đủ hiệu quả làm kích thích miễn dịch. Cho đến năm 2004, hầu hết các adjuvant được sử dụng trong vaccine đều được gắn nhôm.

Sản xuất

Các quốc gia sản xuất nhôm lớn nhất thế giới, 2023

Quốc gia	Sản lượng (nghìn tấn)
Bản mẫu:Flagu	45,000
Bản mẫu:Flagu	4,080
Bản mẫu:Flagu	4,060
Bản mẫu:Flagu	3,270
Bản mẫu:Flagu	2,790
Bản mẫu:Flagu	1,730
Bản mẫu:Flagu	1,600
Bản mẫu:Flagu	1,460
Bản mẫu:Flagu	1,360
Bản mẫu:Flagu	1,280
Bản mẫu:Flagu	1,080
Bản mẫu:Flagu	880
Các quốc gia khác	10,000
Tổng	79,000

Quá trình sản xuất nhôm bắt đầu bằng việc khai thác đá bô xít từ lòng đất. Bô xít được xử lý và chuyển thành alumina bằng công nghệ Bayer, sau đó được xử lý bằng công nghệ Hall-Héroult để tạo ra nhôm.

Sản xuất nhôm tiêu thụ rất nhiều năng lượng, nên các nhà sản xuất có xu hướng đặt lò luyện ở những nơi có nguồn điện dồi dào và giá thành thấp. Sản xuất 1 kilogram nhôm cần 7 kilogram dầu tính theo năng lượng, so với 1,5 kilogram cho thép và 2 kilogram cho nhựa. Tính đến năm 2023, các nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới là Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, Canada và Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất. trong khi Trung Quốc là nước sản xuất nhôm hàng đầu thế giới với thị phần toàn cầu trên 55%.

Theo báo cáo Metal Stocks in Society của International Resource Panel, lượng nhôm bình quân tính theo đầu người toàn cầu được sử dụng trong xã hội (tức là trong ô tô, tòa nhà, đồ điện tử, v.v.) là 80 kg. Phần lớn trong này nằm ở các nước phát triển hơn (350–500 kg bình quân đầu người) thay vì các nước kém phát triển hơn (35 kg bình quân đầu người).

Công nghệ Bayer

Công nghệ Bayer giúp biến đổi Bauxite thành alumina. Bauxite được pha trộn để cho đồng nhất và được nghiền nhỏ. Hỗn hợp bùn sau đó được trộn với dung dịch natri hydroxide nóng; hỗn hợp sau đó được xử lý trong bình nghiền ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, hòa tan nhôm hydroxide trong bauxite đồng thời chuyển tạp chất thành các hợp chất không tan:Bản mẫu:Sfn

Sau phản ứng này, bùn sẽ ở nhiệt độ cao hơn điểm sôi của nó. Nó được làm lạnh bằng cách loại bỏ hơi nước khi áp suất giảm. Cặn bauxite được tách ra khỏi dung dịch và loại bỏ. Dung dịch, lúc này không có chất rắn, được gieo hạt bằng các tinh thể nhôm hydroxide nhỏ; điều này làm phân hủy các ion Bản mẫu:Chem2 thành nhôm hydroxide. Sau khi khoảng một nửa lượng nhôm đã kết tủa, hỗn hợp được đưa máy phân loại. Các tinh thể nhôm hydroxide nhỏ được thu thập để làm tác nhân gieo hạt; các hạt thô được chuyển thành alumina bằng cách đun nóng; dung dịch thừa được loại bỏ bằng cách bay hơi (nếu cần thiết), tinh chế và tái chế.Bản mẫu:Sfn

Công nghệ Hall-Héroult

Phôi nhôm đã ép

Bản mẫu:Main Quá trình chuyển đổi alumina sang nhôm được thực hiện bởi quy trình Hall–Héroult. Trong quá trình tiêu hao nhiều năng lượng này, dung dịch alumina trong hỗn hợp cryolite (Bản mẫu:Chem2) và calci fluoride nóng chảy (ở nhiệt độ 955°C và 965°C)Bản mẫu:Sfn được điện phân để sản sinh nhôm kim loại. Nhôm lỏng chìm xuống đáy dung dịch và được khai thác,Bản mẫu:Sfn và thường được đúc thành những khối lớn gọi là phôi nhôm để chế biến thêm.Bản mẫu:Sfn

Các anode của bình điện phân được làm bằng carbon, là vật liệu chống ăn mòn fluoride tốt nhất. Anode được nung trong quá trình này hoặc được nung trước. Loại ban đầu, còn được gọi là anode Söderberg, có hiệu suất tiết kiệm điện năng thấp hơn và việc thu gom khói thải trong quá trình nung tốn kém. Vì thế, chúng được thay thế bằng anode đã nung trước.Bản mẫu:Sfn Carbon dùng cho anode nên có độ tinh khiết cao để nhôm hoặc chất điện phân không bị nhiễm tro. Mặc dù carbon có khả năng chống ăn mòn, nhưng 0,4–0,5 kg cathode vẫn bị tiêu thụ trong quá trình sản xuất một kilogram nhôm. Cathode được làm bằng anthracit không yêu cầu độ tinh khiết cao vì các tạp chất rửa trôi rất chậm. Cathode bị tiêu thụ ở mức 0,02–0,04 kg cho mỗi kilogram nhôm sản xuất. Một bình điện phân thường sẽ ngừng hoạt động sau 4–6 năm kể từ khi cực âm bị hư hại.Bản mẫu:Sfn

Quy trình Hall–Héroult sản xuất nhôm với độ tinh khiết từ 99% trở lên. Nhôm có thể được làm tinh khiết hơn nhờ quy trình Hoopes. Trong quy trình nay, nhôm nóng chảy được điện phân cùng chất điện phân natri, bari và nhôm fluoride. Sản phẩm thu được là nhôm với độ tinh khiết 99,99%.Bản mẫu:Sfn

Năng lượng điện chiếm khoảng 20-40% trong giá thành của sản xuất nhôm, phụ thuộc vào nơi đặt lò nhôm. Sản xuất nhôm tiêu thụ khoảng 5% lượng điện được sản xuất tại Hoa Kỳ. Vì lý do này, các công nghệ thay thế quy trình Hall–Héroult đã được nghiên cứu, nhưng không có công nghệ nào đạt khả thi về mặt kinh tế.Bản mẫu:Sfn

Tái chế

Thùng rác thông thường dành cho rác thải tái chế cùng với thùng đựng rác thải không thể tái chế. Thùng có nắp màu vàng được ghi chữ "aluminium" (từ tiếng Anh của "nhôm"). Rhodes, Hy Lạp

Thu hồi nhôm bằng cách tái chế đã trở thành một nhiệm vụ quan trọng của ngành công nghiệp luyện nhôm. Hoạt động tái chế nhôm ít được chú ý cho đến cuối những năm 1960, khi việc sử dụng ngày càng nhiều lon đồ uống bằng nhôm bằng nhôm khiến công chúng chú ý đến việc tái chế nhôm. Tái chế bao gồm việc nấu chảy phế liệu, một quá trình chỉ cần 5% năng lượng dùng để sản xuất nhôm từ quặng, mặc dù một phần đáng kể (lên tới 15% nguyên liệu đầu vào) bị mất dưới dạng cặn (oxide giống tro). Máy nấu chảy nhôm xếp chồng tạo ra ít xỉ hơn nhiều, với giá trị được ghi là thấp hơn 1%.

Xỉ trắng từ quá trình sản xuất nhôm sơ cấp và từ các hoạt động tái chế thứ cấp vẫn chứa một lượng nhôm hữu ích có thể được chiết xuất trong công nghiệp. Quá trình này tạo ra nhôm dưới dạng phôi cùng với một loại vật liệu phế thải có độ phức tạp cao. Chất thải này rất khó quản lý.Nó phản ứng với nước, giải phóng hỗn hợp khí gồm acetylen, hydro sulfide, một lượng lớn khí amonia và nhiều loại khí khác. Bất chấp những thách thức này, chất thải vẫn được sử dụng làm chất độn trong nhựa đường và bê tông. Tiềm năng sản xuất hydro của xỉ nhôm cũng được xem xét và nghiên cứu.

Vai trò sinh học

Sơ đồ thẩm thấu nhôm qua da người.

Mặc dù phổ biến rộng rãi trong vỏ Trái Đất, nhưng nhôm không có vai trò sinh học nào được biết đến.Bản mẫu:Sfn Ở độ pH 6–9 (liên quan đến phần lớn nguồn nước tự), nhôm kết tủa dưới dạng hydroxide và không còn tồn tại; phần lớn các nguyên tố có tính chất như vậy không có vai trò sinh học hoặc là chất độc. Nhôm sulfat có giá trị LD₅₀ là 6207 mg/kg (đường miệng, chuột), tương đương với 435 gram đối với một con chuột nặng 70kg.

Độc tính

Nhôm được Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ phân loại là chất không gây ung thư.Bản mẫu:Efn Một bài đánh giá năm 1988 cho rằng có rất ít bằng chứng cho việc nguy hại tới sức khỏe từ việc tiếp xúc nhôm thông thường, và một bài đánh giá độc tính của nhiều nguyên tố năm 2014 không tìm thấy tác động có hại của nhôm khi tiêu thụ dưới 40 mg/ngày với mỗi 1 kg khối lượng cơ thể. Phần lớn lượng nhôm tiêu thụ sẽ được đào thải ra khỏi cơ thể qua phân; phần lớn lượng nhôm nhỏ đi vào máu sẽ được bài tiết qua nước tiểu; tuy nhiên, một lượng nhôm vẫn vượt qua được hàng rào máu não và lưu trú chủ yếu lưu trú ở não của bệnh nhân Alzheimer. Bằng chứng được công bố năm 1989 chỉ ra rằng đối với bệnh nhân Alzheimer, nhôm có thể hoạt động bằng cách liên kết chéo tĩnh điện giữa các protein, từ đó làm giảm biểu hiện gen ở hồi thái dương trên.

Tác động

Mặc dù hiếm gặp, nhưng nhôm có thể gây loãng xương kháng vitamin D, thiếu máu hồng cầu nhỏ kháng erythropoietin và những thay đổi ở hệ thần kinh trung ương. Những người bị suy thận có nguy cơ đặc biệt cao. Việc tiêu thụ nhôm silicat ngậm nước trong thời gian dài (để kiểm soát acid dạ dày cao) có thể tạo liên kết nhôm với các chất trong ruột và tăng đào thải các kim loại khác, chẳng hạn như sắt hoặc kẽm; thiếu máu có thể xảy ra ở liều đủ cao (>50 g/ngày).

Có năm dạng nhôm chính được cơ thể con người hấp thụ: cation tự do hòa tan có hóa trị 3+(Bản mẫu:Chem2); phức hợp trung tính hòa tan có khối lượng phân tử thấp (LMW-Al⁰_(aq)); phức hợp trung tính hòa tan có khối lượng phân tử cao (HMW-Al⁰_(aq)); phức hợp tích điện hòa tan có khối lượng phân tử thấp (LMW-Al(L)_n^+/−_(aq)); các hạt nano và vi mô (Al(L)_n(s)). Chúng được vận chuyển qua màng tế bào hoặc tế bào biểu mô và nội mô qua năm con đường chính: (1) paracellular; (2) transcellular; (3) vận chuyển chủ động; (4) qua các kênh; (5) nhập bào hấp phụ hoặc qua trung gian thụ thể.

Trong sự cố ô nhiễm nước Camelford năm 1988, nguồn nước uống của người dân tại Camelford, Anh đã bị nhiễm nhôm sulfat trong nhiều tuần. Một báo cáo cuối cùng về sự cố này vào năm 2013 đã kết luận rằng việc này không có khả năng gây ra các vấn đề lâu dài về sức khỏe.

Nhôm bị nghi ngờ là nguyên nhân có thể gây bệnh Alzheimer, nhưng Bản mẫu:As of, sau 40 năm nghiên cứu, không có bằng chứng rõ ràng về mối liên quan này.

Nhôm làm gia tăng biểu hiện gen liên quan đến estrogen trong các tế bào ung thư vú ở người được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Ở liều rất cao, nhôm có liên quan đến sự thay đổi chức năng của hàng rào máu não. Một số ít người có thể bị dị ứng khi tiếp xúc với nhôm, gây ra các triệu chứng như phát ban ngứa, đau đầu, đau cơ, đau khớp, suy giảm trí nhớ, mất ngủ, trầm cảm, hen suyễn, hội chứng ruột kích thích hoặc các vấn đề khác khi sử dụng các sản phẩm chứa nhôm.

Tiếp xúc với nhôm dưới dạng bột hoặc khói hàn có thể gây xơ phổi. Bột nhôm mịn có thể gây cháy hoặc nổ, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn tại nơi làm việc.

Con đường tiếp xúc

Thức ăn là nguồn cung cấp nhôm chính. Nước uống chữa nhiều nhôm hơn đồ ăn rắn; tuy nhiên, nhôm trong thức ăn có thể được hấp thụ nhiều hơn nhôm từ nước. Các nguồn tiếp xúc với nhôm qua đường miệng của người bao gồm thực phẩm (do nhôm được sử dụng trong phụ gia thực phẩm, bao bì thực phẩm và đồ uống, và dụng cụ nấu ăn), nước uống (do sử dụng trong xử lý nước đô thị) và thuốc chứa nhôm (đặc biệt là thuốc trung hòa acid/thuốc chống loét và các chế phẩm aspirin đệm). Mức phơi nhiễm qua chế độ ăn uống ở người châu Âu trung bình là 0,2–1,5 mg/kg/tuần nhưng có thể lên đến 2,3 mg/kg/tuần. Mức phơi nhiễm nhôm cao hơn chủ yếu giới hạn ở thợ mỏ, công nhân sản xuất nhôm và bệnh nhân chạy thận nhân tạo.

Việc tiêu thụ thuốc trung hòa acid, chất chống mồ hôi, vắc-xin và mỹ phẩm là những con đường tiếp xúc tiềm ẩn. Tiêu thụ thực phẩm hoặc chất lỏng có tính acid kèm nhôm làm tăng khả năng hấp thụ nhôm, và maltol đã được chứng minh là làm gia tăng sự tích tụ nhôm trong các mô thần kinh và xương.

Điều trị

Trong trường hợp bị nghi hấp thụ đột ngột một lượng lớn nhôm, phương pháp điều trị duy nhất là sử dụng deferoxamine mesylate để đào thải nhôm ra khỏi cơ thể bằng liệu pháp chelation. Tuy nhiên, cần thận trọng khi áp dụng phương pháp này vì nó không chỉ làm giảm nồng độ nhôm trong cơ thể mà còn làm giảm nồng độ các kim loại khác như đồng hoặc sắt.

Tác động môi trường

Cơ sở lưu trữ "Bùn đỏ" tại Stade, Đức. Ngành công nghiệp nhôm tạo ra 70 triệu tấn chất thải như trên mỗi năm.

Các tác động môi trường bao gồm việc xảy ra mức độ cao về nhôm gần các khu vực khai thác; một lượng nhỏ nhôm được thải ra môi trường tại các nhà máy nhiệt điện chạy bằng than hoặc các nhà đốt cháy rác. Nhôm trong không khí được rửa sạch bởi mưa hoặc thường lắng xuống nhưng các hạt nhôm nhỏ vẫn còn trong không khí trong một thời gian dài.

Mưa acid là yếu tố tự nhiên chủ yếu gây di chuyển nhôm từ nguồn tự nhiên, và cũng là lý giải cho tác động môi trường tiêu cực của nhôm; Tuy nhiên, yếu tố chính gây hiện diện nhôm trong nước mặn và nước ngọt là quá trình công nghiệp cũng thải nhôm vào không khí.

Trong nước, nhôm hoạt động như một chất độc đối với các sinh vật hô hấp qua mang như cá khi nước có tính acid, trong đó nhôm có thể kết tủa trên màng mang, gây mất các ion trong huyết tương và hemolymph dẫn đến sự mất cân bằng trong quá trình tự điều hòa nước. Các hợp chất hữu cơ của nhôm có thể dễ dàng được hấp thụ và can thiệp vào quá trình chuyển hóa trong động vật và chim, mặc dù điều này hiếm khi xảy ra trong thực tế.

Nhôm là một trong những yếu tố chính làm giảm sự phát triển của cây trên đất chua. Mặc dù nó không gây hại đến sự phát triển cây trên đất có pH trung tính, nhưng trên đất acid, nồng độ các ion nhôm Bản mẫu:Chem2 độc hại tăng lên và làm xáo trộn sự phát triển và chức năng của rễ. Lúa mì đã phát triển cơ chế kháng nhôm bằng việc giải phóng các hợp chất hữu cơ kết hợp với các ion nhôm gây hại. Cơ chế này cũng có thể tồn tại trong cao lương.

Sản xuất nhôm gặp các thách thức riêng về môi trường ở từng giai đoạn trong quá trình sản xuất. Thách thức chính là khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Các khí này là kết quả từ sự tiêu thụ điện của các nhà luyện kim và các sản phẩm phụ quá trình chế biến. Khí nhà kính mạnh nhất trong số này là các perfluorocarbon như Bản mẫu:Chem2 và Bản mẫu:Chem2 từ quá trình nấu luyện.

Quá trình phân hủy sinh hủy nhôm kim loại rất hiếm; hầu hết các sinh vật gây ăn mòn nhôm không tấn công hoặc tiêu thụ trực tiếp nhôm, mà thay vào đó tạo ra chất thải gây ăn mòn. Nấm Geotrichum candidum có thể tiêu thụ nhôm trong các đĩa CD. Vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa và nấm Cladosporium resinae thường được phát hiện trong bình nhiên liệu máy bay sử dụng nhiên liệu kerosene (khác với xăng máy bay), và các mẫu nuôi cấy trong phòng thí nghiệm có thể làm suy yếu nhôm.

Từ nguyên

Các từ "aluminium" và "aluminum" xuất phát từ từ "alumine", một thuật ngữ đã cũ để chỉ "alumina",Bản mẫu:Efn một oxide nhôm tự nhiên. "Alumine" được mượn từ tiếng Pháp, từ đó xuất phát từ "alumen", từ tiếng La-tinh cổ điển để chỉ alum, khoáng chất mà từ đó nó được thu thập. Từ tiếng La-tinh "alumen" bắt nguồn từ nguyên âm gốc Tiếng Ấn-Âu nguyên thủy *alu- có nghĩa là "đắng" hoặc "bia".

Quảng cáo Mỹ năm 1897 với cách viết "aluminum"

Xuất xứ

Nhà hóa học người Anh Humphry Davy, người đã thực hiện một số thí nghiệm nhằm tách riêng kim loại này, được ghi nhận là người đã đặt tên cho nguyên tố này. Tên đầu tiên được đề xuất cho kim loại được tách riêng từ alum là "alumium", mà Davy đề xuất trong một bài viết năm 1808 về nghiên cứu điện hóa của mình, được đăng trên tạp chí Philosophical Transactions of the Royal Society. Dường như tên này được tạo từ từ "alum" tiếng Anh và hậu tố "-ium" tiếng La-tinh; tuy nhiên, vào thời điểm đó, thường quy ước đặt tên các nguyên tố bằng tiếng Latinh, do đó tên này không được áp dụng rộng rãi. Tên này đã bị chỉ trích bởi những nhà hóa học đương thời từ Pháp, Đức và Thụy Điển, người đã yêu cầu kim loại này được đặt theo tên của oxide, alumina, từ đó nó được tách riêng. Tên tiếng Anh "alum" không xuất phát trực tiếp từ tiếng La-tinh, trong khi "alumine"/"alumina" rõ ràng xuất phát từ từ tiếng La-tinh "alumen" (khi biến hóa, "alumen" trở thành "alumin-").

Một ví dụ là Essai sur la Nomenclature chimique (tháng 7 năm 1811), được viết bằng tiếng Pháp bởi nhà hóa học Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius, trong đó tên gọi aluminium được đặt cho nguyên tố sẽ được tổng hợp từ alum.Bản mẫu:Efn (Một bài viết khác trong cùng số báo cũng đặt tên aluminium cho kim loại có oxide là cơ sở của sapphire). Một tóm tắt của một bài giảng của Davy tại Royal Society vào tháng Một năm 1811 cũng đề cập đến tên aluminium như một khả năng. Năm sau đó, Davy đã xuất bản một sách giáo trình hóa học trong đó ông sử dụng cách viết aluminum. Cả hai cách viết đã tồn tại song song kể từ đó. Cách viết aluminum phổ biến ở Hoa Kỳ và Canada còn cách viết aluminium phổ biến ở các nước nói tiếng Anh khác.

Chính tả

Năm 1812, nhà khoa học người Anh Thomas Young đã viết một bài đánh giá ẩn danh về cuốn sách của Davy, trong đó ông đề xuất tên aluminium thay vì aluminum, ông cho rằng tên này có "âm thanh ít cổ điển hơn". Tên này đã trở nên phổ biến: mặc dù chính tả Bản mẫu:Nobreak được sử dụng đôi khi ở Anh, ngôn ngữ khoa học của Mỹ sử dụng Bản mẫu:Nobreak từ đầu.

Ludwig Wilhelm Gilbert đã đề xuất tên Thonerde-metall (dựa trên từ tiếng Đức "Thonerde")Bản mẫu:Efn cho alumina trong cuốn Annalen der Physik của ông nhưng tên này chưa bao giờ được phố biến kể cả ở Đức. Joseph W. RichardsBản mẫu:Efn chỉ tìm thấy một lần từ argillium xuất hiện trong tiếng Thụy Điển vào năm 1891, dựa trên từ "argilleBản mẫu:Efn có nghĩa là đất sét trong tiếng Pháp. Người Pháp vốn dĩ đã sử dụng tên aluminium ngay từ đầu. Tuy nhiên, ở Anh và Đức, cách viết aluminum của Davy ban đầu được sử dụng cho đến khi nhà hóa học người Đức Friedrich Wöhler công bố tài liệu về quy trình Wöhler vào năm 1827, trong đó ông dùng cách viết aluminium.Bản mẫu:Efn Điều này khiến cách viết aluminium trở nên phổ biến ở Anh và Đức, mặc dù vẫn có một số người đôi khi sử dụng aluminum. Richards gọi họ là những nhà hóa học "yêu nước" người Anh, "những người không thích tiếp nhận cải tiến từ nước ngoài".

Hầu hết các nhà khoa học trên toàn thế giới đã sử dụng Bản mẫu:Nobreak trong thế kỷ 19; và nó đã được củng cố trong nhiều ngôn ngữ châu Âu khác, như tiếng Pháp, tiếng Đức, và tiếng Hà Lan.Bản mẫu:Efn

Năm 1828, một từ điển gia người Mỹ, Noah Webster, chỉ ghi lại chính tả aluminum trong cuốn Từ điển Anh ngữ của Mỹ của ông. Vào những năm 1830, chính tả Bản mẫu:Nobreak được sử dụng ở Hoa Kỳ; đến những năm 1860, nó đã trở thành chính tả phổ biến hơn ở đó ngoài lĩnh vực khoa học. Năm 1892, Hall sử dụng chính tả Bản mẫu:Nobreak trong tờ rơi quảng cáo phương pháp điện phân mới của ông để sản xuất kim loại này, mặc dù ông đã liên tục sử dụng chính tả Bản mẫu:Nobreak trong tất cả các bằng sáng chế mà ông nộp từ năm 1886 đến 1903: không biết liệu việc chính tả này đã được giới thiệu do lỗi hay cố ý; nhưng Hall ưa thích aluminum kể từ khi nó được giới thiệu vì nó giống với platinum, tên của một kim loại danh giá. Đến năm 1890, cả hai cách viết đã phổ biến ở Hoa Kỳ, nhưng chính tả Bản mẫu:Nobreak lại phổ biến hơn một chút; đến năm 1895, tình hình đã đảo ngược; đến năm 1900, aluminum đã trở nên gấp đôi aluminium; trong thập kỷ tiếp theo, chính tả Bản mẫu:Nobreak đã thống trị việc sử dụng ở Mỹ. Năm 1925, Hội Hóa học Hoa Kỳ(ACS) chấp nhận chính tả này.

Vào năm 1990, Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng (IUPAC) đã chấp nhận tên tiếng Anh aluminium là tên tiêu chuẩn quốc tế cho nhôm. Năm 1993, họ công nhận aluminum là một biến thể chấp nhận được; phiên bản mới nhất phiên bản 2005 của IUPAC về tên hóa học không hữu cơ cũng công nhận cách viết này. Các xuất bản chính thức của IUPAC sử dụng chính tả Bản mẫu:Nobreak làm chính, và liệt kê cả hai cách khi phù hợp.Bản mẫu:Efn

Thư mục

• Bản mẫu:Cite book
• Bản mẫu:Cite book
• Bản mẫu:Ullmann
• Bản mẫu:Greenwood&Earnshaw2nd
• Bản mẫu:Chú thích sách
• Bản mẫu:Chú thích sách
• Bản mẫu:Ullmann
• Gitelman, H. J. "Physiology of Aluminum in Man", trong Aluminum and Strength, CRC Press, 1988, ISBN 0-8247-8026-4, p. 90
• Bản mẫu:Chú thích sách
• Bản mẫu:Cite book
• Bản mẫu:Cite book

Liên kết ngoài

• Bản mẫu:Thể loại Commons nội dòng
• Bản mẫu:Britannica
• Aluminium trên The Periodic Table of Videos (Đại học Nottingham)
• Toxic Substances Portal – Aluminum Bản mẫu:Webarchive – from the Agency for Toxic Substances and Disease Registry, United States Department of Health and Human Services
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Aluminum
• World production of primary aluminium, by country
• Price history of aluminum, according to the IMF
• History of Aluminium – from the website of the International Aluminium Institute
• Emedicine – Aluminium
• Bản mẫu:Internet Archive short film * Los Alamos National Laboratory – Aluminum Bản mẫu:Webarchive
• World Wide Words – history of the spelling of aluminumBản mẫu:Hợp chất nhôm