TIỂU LUẬN MÔN HỌC

HÓA VÔ CƠ
ĐỀ TÀI
NHÓM III TRONG BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN HÓA HỌC

Tp. Biên Hòa, ngày 30 tháng 05 năm 2015.

[1]


[2]


Mục lục
Mở đầu............................................................................................6
Nội dung...........................................................................................8
I.
Đặc điểm nguyên tử nguyên tố nhóm IIIA.........................8
1. Đơn chất...........................................................................................9
1.1.
Nguyên tố Bo...................................................................................9
1.1.1. Tính chất vật lý....................................................................................9
1.1.2. Tính chất hóa học...................................................................................9
1.2.
Nguyên tố nhôm..................................................................................11
1.2.1. Tính chất vật lý....................................................................................12
1.2.2. Tính chất hóa học...................................................................................12
1.3.
Các nguyên tố Gali, Indi, Tali.....................................................................17
1.3.1. Tính chất vật lý....................................................................................17

1.3.2. Tính chất hóa học...................................................................................17
2. Hợp chất.............................................................................18
2.1.
Hợp chất của Bo.............................................................................18
2.1.1. Nitrua Bo.............................................................................18
2.1.2. Boran.............................................................................19
2.1.3. Anhidrit boric.............................................................................19
2.1.4. Axit boric.............................................................................20
2.1.5. Muối borat.............................................................................20
2.2.
Hợp chất của nhôm.............................................................................21
2.2.1. Nhôm oxit.............................................................................21
2.2.2. Nhôm hidroxit.............................................................................22
2.3.
Các hợp chất của Gali, Indi, Tali....................................................22
II.
Các nguyên tố nhóm IIIB...................................................................23
1. Đơn chất.............................................................................24
2. Hợp chất.............................................................................25

[3]


Mở Đầu
Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hay bảng tuần hoàn Mendeleev, hay ngắn
gọn bảng tuần hoàn, là một phương pháp liệt kê các nguyên tố hóa học thành bảng,
dựa trên số hiệu nguyên tử (số proton trong hạt nhân), cấu hình electron và các tính
chất hóa học tuần hoàn của chúng. Các nguyên tố được biểu diễn theo trật tự số hiệu
nguyên tử tăng dần, thường liệt kê cùng với ký hiệu hóa học trong mỗi ô. Dạng tiêu
chuẩn của bảng gồm các nguyên tố được sắp xếp thành 18 cột và 7 dòng, với hai dòng

kép nằm riêng nằm bên dưới cùng.
Các hàng trong bảng gọi là các chu kỳ, trong khi các cột gọi là các nhóm, một số có
tên riêng như halogen hoặc khí hiếm. Bởi vì theo định nghĩa một bảng tuần hoàn thể
hiện những xu hướng tuần hoàn, bất kỳ bảng dưới dạng nào cũng có thể dùng để suy
ra mối quan hệ giữa các tính chất của nguyên tố và tiên đoán tính chất của những
nguyên tố mới, chưa được khám phá hoặc chưa tổng hợp được. Do đó, một bảng tuần
hoàn - dù ở dạng tiêu chuẩn hay các biến thể - cung cấp khuôn khổ hữu ích cho việc
phân tích thuộc tính hóa học, và các bảng như vậy được sử dụng rộng rãi trong hóa
học và các khoa học khác.
Mặc dù có những người tiên phong trước đó, Dmitri Ivanovich Mendeleev thường
được xem là người công bố bảng tuần hoàn phổ biến đầu tiên vào năm 1869. Ông đã
phát triển bảng tuần hoàn của mình để minh họa các xu hướng tuần hoàn trong thuộc
tính các nguyên tố đã biết khi đó. Mendeleev cũng tiên đoán một số thuộc tính của các
nguyên tố chưa biết mà ông hi vọng sẽ lấp vào những chỗ trống trong bảng này. Hầu
hết những tiên đoán của ông tỏ ra chính xác khi các nguyên tố đó lần lượt được phát
hiện. Bảng tuần hoàn của Mendeleev từ đó đã được mở rộng và hiệu chỉnh với sự
khám phá hoặc tổng hợp thêm những nguyên tố mới và sự phát triển của các mô hình
lý thuyết để giải thích thuộc tính hóa học.
Tất cả các nguyên tố có số nguyên tử từ 1 (hiđrô) đến 118 (ununocti) đã được phát
hiện hoặc ghi nhận tổng hợp được, trong khi các nguyên tố 113, 115, 117 và 118 vẫn
chưa được thừa nhận rộng rãi. 98 nguyên tố đầu tồn tại trong tự nhiên mặc dù một số
chỉ tìm thấy sau khi đã tổng hợp được trong phòng thí nghiệm và tồn tại với lượng
cực nhỏ. Các nguyên tố có số hiệu nguyên tử từ 99 đến 118 chỉ được tổng hợp ra, hoặc
[4]


được tuyên bố là đã tổng hợp được trong phòng thí nghiệm. Người ta hiện vẫn đang
theo đuổi việc tạo ra các nguyên tố có các số hiệu nguyên tử lớn hơn, cũng như tranh
cãi về câu hỏi rằng bảng tuần hoàn có thể cần phải hiệu chỉnh ra sao để tương thích
với những nguyên tố mới sẽ thêm vào.

Trên đây là vài nét sơ lược về bảng HTTH, sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu về nhóm
III trong bảng HTTH mà phổ biến nhất là 2 nguyên tố Bo và Nhôm.

[5]


Nội Dung

Đặc điểm nguyên tử các nguyên tố nhóm IIIA

I.

Nhóm IIIA gồm các nguyên tố: Bo (B), nhôm (Al), Gali (Ga), Indi (In) và Tali (Tl). Sau
đây là một số đặc điểm của các nguyên tố đó (bảng 1).
Thông số hóa lí

Bo

Al

Ga

In

Tl

Bán kính nguyên tử RK

0,9


1,43

1,39

1,66

1,71

Năng lượng ion hóa
(eV)

8,298

5,986

5,998

5,798

6,106

Khối lượng riêng
(g/cm3)

2,34

2,7

5,97


7,36

11,85

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

2300

660

29,8

156

304

Nhiệt độ sôi (0C)

2550

2270

2250

2040

1470

Hàm lượng trong vỏ
quả


6.10-4

6,6

4.10-4

1,5.10-6

3.10-5

đất (%)

Bảng 1. Đặc điểm nguyên tử các nguyên tố nhóm IIIA.
Nguyên tử của các nguyên tố nhóm này đều có chung một lớp electron hóa trị là
ns2np1. Các nguyên tố trong nhóm này không giống nhau nhiều như các nguyên tố
trong các nhóm kim loại kiềm và kiềm thổ.
Trong các hợp chất, các nguyên tố nhóm IIIA có số oxi hóa chủ yếu là +3. Ngoài ra
các nguyên tố Al, Ga, In và Tl còn có khả năng cho số oxi hóa +1. Độ bền của số oxi hóa
đó tăng lên dần từ Al đến Tl (ở Tl số oxi hóa +1 trội hơn +3).
Bo không tạo cation ở trong dung dịch nên thế điện cực của nó không xác định
được. Các nguyên tố còn lại có thế điện cực lớn hơn các kim loại kiềm thổ.
Về nhiều mặt, nói chung B giống nhiều với Si ở nhóm IVA hơn là giống với nhôm và
các nguyên tố khác trong cùng nhóm.
1. Đơn chất
1.1.

Nguyên tố Bo
[6]



Bo được nhà bác học người Anh là Đêvy và hai nhà hóa học người Pháp Gay-Luyxac
và Tena tìm ra năm 1808 khi dùng kali khử axit boric, nhưng đến đầu thế kỉ 20 mới
được nhà hóa học người Mỹ là Ventrau điều chế được ở dạng tinh khiết 99%.
-

Số nguyên tử : 5
Khối lượng nguyên tử chuẩn:
10,811(7)
Phân loại: Á kim
Chu kỳ:
Chu kỳ 2
Cấu hình electron: 1s2 2s2 2p1 hay [He] 2s2 2p1
Đồng vị: Bo có 2 đồng vị tự nhiên ổn định là 11B (80,1%) và 10B (19,9%). Hiệu ứng cuối
cùng chuyển đổi các ion B10(OH)4 trong đất sét thành B11(OH)3 có thể là nguyên nhân
của lượng lớn B11 trong nước biển, điều này có liên quan tới các lớp vỏ của các đại

-

dương và lục địa.
Bo là nguyên tố tương đối ít phổ biến trong thiên nhiên, khoáng vật chính là borac Na 2

B4O7.10H2O, kecnit (Na2B4O7.4H2O) và xaxolin (H3BO3).
1.1.1. Tính chất vật lí
- Màu sắc:
Đen nâu
- Trạng thái vật chất: Chất rắn
- Nhiệt độ nóng chảy: 2349 K (2076 °C, 3769 °F)
- Nhiệt độ sôi:
4200 K (3927 °C, 7101 °F)

- Là nguyên tố phi kim.
- Dạng vô định hình ở dạng bột màu nâu sẫm.
- Dạng tinh khiết: không màu, khi lẫn tạp chất có màu đen xám, ánh kim, cứng gần bằng
-

kim cương.
Ba dạng tinh thể của bo đã được nghiên cứu kĩ về kiến trúc là dạng mặt thoi α, dạng

mặt thoi β và dạng tứ phương.
1.1.2. Tính chất hóa học
- Ở điều kiện thường: trơ về mặt hóa học, chỉ phản ứng được với flo.
- Khi đun nóng:vừa có tính oxi hóa,vừa có tính khử :
• Ở to cao tác dụng được với hơi nước:
2B + 3H2O (k) → B2O3 + 3H2
•

Ở dạng bột, bo tan chậm trong axit đậm đặc như HNO 3, H2SO4, H2O2 và trong một số
chất oxi hóa mạnh khác, tạo thành axit boric:
B + 3HNO3 (đặc nóng) → B(OH)3 + 3NO2

•

Ở to cao B khử được phi kim mạnh hơn nó như O2, halogen, S, C, N2 :
2B + 3O2 → B2O3
2B + 3X2 → 2BX3 (X là các halogen)
[7]


2B + 3S → B2S3
•


Ở to cao khử được một số oxit :
4B + 3SiO2 → B2O3 + 3Si
2B + 3CO → B2O3 + 3C

•

Ở dạng bột mịn tan trong kiềm đặc, nóng hoặc trong kiềm nóng chảy :
B + NaOH(đặc,nóng)+ 4H2O → Na[B(OH)4] + 3H2

•

Ở trạng thái nóng chảy, Bo có thể oxi hóa một số kim loại tạo thành borua kim loại :
3Mg + 2B → Mg3B2 (đun nóng chảy)

•

Khi đun nóng trong khí quyển NH 3 hay NO, B cũng tạo thành BN :
2B + 2NH3 → 2BN + 3H2
5B + 3NO → 3BN + B2O3

•

Ứng dụng
Hợp chất có giá trị kinh tế nhất của bo là tetraborat decahydrat natri
Na2B4O7.10H2O, hay borax, được sử dụng để làm lớp vỏ cách nhiệt cho cáp quang hay

-

chất tẩy trắng perborat natri. Các ứng dụng khác là:

Vì ngọn lửa màu lục đặc biệt của nó, bo vô định hình được sử dụng trong pháo hoa.
Bo10 được sử dụng để hỗ trợ kiểm soát của các lò phản ứng hạt nhân, là lá chắn chống

-

bức xạ và phát hiện nơtron.
Các sợi bo là vật liệu nhẹ có độ cứng cao, được sử dụng chủ yếu trong các kết cấu tàu

-

vũ trụ.
Trong thực tế bo nguyên tố thường được sử dụng ở dạng hợp kim, người ta dùng bo
cho vào thép thay dần Mo, Ni và Cr. Chỉ cần thêm 0,001 – 0,003% bo vào thép, độ cứng

-

của thép đã tăng lên nhiều.
Để nâng cao độ bền hóa học của thép, người ta thường bo hóa bề mặt của những vật
bằng thép với lớp dày 0,1 – 0,5mm. Một số hợp kim của B được dùng để làm thanh

điều chỉnh trong lò phản ứng hạt nhân.
• Cảnh báo
Bo nguyên tố và các borat là không độc vì thế không có yêu cầu đặc biệt nào khi làm
việc với chúng. Tuy nhiên, một số hợp chất chứa hiđrô của bo là độc và có yêu cầu đặc
biệt khi tiếp xúc. Natri orthoborat có thể gây hại cho gan.
[8]


•
-


Điều chế
Bo tinh khiết không dễ điều chế. Phương pháp sớm nhất được sử dụng là khử ôxít bo
với các kim loại như magiê hay nhôm ở nhiệt độ cao:
B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO
Tuy nhiên sản phẩm thu được hầu như có chứa borua kim loại.

-

Bo nguyên chất có thể được điều chế bằng việc khử các hợp chất của bo với các
halôgen dễ bay hơi bằng hiđrô ở nhiệt độ cao. Hoặc có thể điều chế bằng cách dùng
kim loại natri khử kali tetrafloborat ở nhiệt độ cao:
KBF4 + 3Na → B + KF + 3NaF

Nguyên tố nhôm
- Số nguyên tử : 13
- Khối lượng nguyên tử chuẩn:
26,9815386(13)
- Phân loại: Kim loại
- Chu kỳ:
Chu kỳ 3
- Cấu hình electron : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 hay
[Ne] 3s2 3p1
- Mỗi lớp:
2, 8, 3
1.2.1. Tính chất vật lý
- Màu sắc:
Ánh kim trắng bạc
- Trạng thái vật chất:Chất rắn
- Nhiệt độ nóng chảy:933,47 K (660,32 °C, 1220,58 °F)

- Nhiệt độ sôi: 2792 K (2519 °C, 4566 °F)
1.2.

Nhôm rất phổ biến chiếm thứ 4 trên trái đất trong các khoáng alumo silicat.
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 Al27 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).
1.2.2. Tính chất hóa học

Nhôm là kim loại có tính khử mạnh,chỉ sau kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ, nên
dễ bị oxi hoá thành ion dương.
[9]


Al – 3e- → Al3+
•
-

Tác dụng với phi kim
Tác dụng với halogen:
2Al + 3Cl2 → 2AlCl3

-

Tác dụng với oxi:
4Al + 3O2 → Al2O3

Al bền trong không khí ở nhiệt độ thường do có lớp màng oxit Al 2O3 rất mỏng bảo
vệ.

•
-

Tác dụng với axit
Khử dễ dàng ion H+ trong dung dịch HCl và H2SO4 loãng thành H2:
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

-

Tác dụng mạnh với dung dịch HNO3 loãng, HNO3 đặc, nóng và H2SO4 đặc, nóng:
Al + 4HNO3(loãng) → Al(NO3)3 + NO + 2H2O
2Al + 6H2SO4 (loãng) → Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Chú ý: Nhôm bị thụ động hoá bởi dung dịch HNO3 đặc, nguội hoặc H2SO4 đặc nguội.

•
-

Tác dụng với oxit kim loại
Ở to cao, Al phản ứng với các oxit kim loại đứng sau nó trong dãy điện thế:
2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr

-

Các phản ứng này thường tỏa nhiều nhiệt nên gọi là phản ứng nhiệt nhôm.
Các phản ứng này thường dùng để điều chế các kim loại khó bị khử và khó nóng chảy

như Cr,Mn,Ti…

• Tác dụng với nước
- Phá bỏ lớp oxit trên bề mặt Al (hoặc tạo thành hỗn hống Al-Hg thì Al sẽ phản ứng với
nước ở niệt độ thường) :
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
-

Nhôm không phản ứng với nước ở nhiệt độ cao vì trên bề mặt của nhôm được phủ kín

một lớp Al2O3 rất mỏng, bền và mịn, không cho nước và khí thấm qua.
• Tác dụng với dung dịch kiềm
- Trước hết, lớp bảo vệ Al2O3 bị hoà tan trong dung dịch kiềm:
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O (1)
[10]


-

Al khử nước:
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2 (2)

-

Lớp bảo vệ Al(OH)3 bị hoà tan trong dung dịch kiềm:
Al(OH)3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2O (3)
Các phản ứng (2); (3) xảy ra xen kẽ nhau cho đến khi nhôm bị hoà tan hết.
2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2

•
-


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.
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 .
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.

[11]


-

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.
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 hoa.
Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như

crôm Cr, Vonfarm W...).
• Điều chế
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.
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
[12]


tinh chế theo công nghệ Bayer. Trước khi có công nghệ này, công nghệ được sử dụng
là công nghệ Deville.
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 (anode) ôxy dạng khí được tạo thành:
2O2- → O2 + 4eCực 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-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 100.000200.000 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.
•

Cảnh báo
[13]


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 tiêu 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 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.
1.3.
Các nguyên tố Gali, Indi, Tali
1.3.1. Tính chất vật lí

Ở trạng thái tự do, gali và indi là những kim loại có màu trắng bạc, tali có màu xám
xanh.
Gali cứng gần bằng chì, còn indi và tali mềm hơn. Tất cả đều có nhiệt độ nóng chảy
thấp, nhất là gali, nhưng đều có nhiệt độ sôi cao.
1.3.2. Tính chất hóa học

Ga, In, Tl là những kim loại hoạt động hóa học mạnh
•

Tác dụng với phi kim
[14]


Ga, In, Tl tác dụng mãnh liệt với Oxi và lưu huỳnh ở nhiệt độ cao:
2Ga + O2 → 2GaO ;

4In + 3O2 → 2In2O3,


4Tl + 2O2 → Tl2O +Tl2O3
2Ga + 3S → Ga2S3 (In tương tự) ;

2Tl + S → Tl2S

Ga, In, Tl phản ứng ngay với Clo, Brom, Iốt khi đun nóng (t 0 khoảng 80-150 oc):
2Ga +3Cl2 → 2GaCl3 (In tương tự);
•

Tác dụng với nước: chỉ có Ga và Tl phản ứng ở nhiệt độ cao
2Ga +6H2O → 2Ga(OH)3 +3H2 ;

•
•

2Tl +Cl 2 → 2TlCl2

4Tl + 2H2O + O2 → 4TlOH

Tác dụng với axit Tạo muối: Ga(III), In(III), Tl(III) với dd HCl, HNO 3 và Tl(II) với H2SO4
Tác dụng với kiềm: Ga tương tự như nhôm, In và Tl không phản ứng với kiềm nếu

không có chất oxi hóa.
• Ứng dụng
 Ứng dụng trong thực tế :
- In và các hợp chất của nó ứng dụng trong các phản ứng phóng xạ.
- Tl dùng trong dùng làm các thiết bị quang học sử dụng tia hồng ngoại, ví dụ các cửa sổ
trước máy thu hồng ngoại,trong chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao cho các ứng
dụng như chụp cộng hưởng từ, lưu giữ năng lượng từ, lực đẩy từ, sản xuất điện năng
-


và truyền điện.
Hợp kim của Ga và Au được dùng làm đồ trang sức, làm răng.
In được dùng điều chế hợp kim nhằm tăng độ bền, độ sáng của kim loại như Ag, Cu

-

hoặc phủ lên bề mặt của kim loại để kim loại khỏi bị ăn mòn.
Gali lỏng được dùng để nạp vào những nhiệt kế có vỏ bằng thạch anh và đo được nhiệt

-

độ cao từ 500 – 12000C.
Gali và indi phản chiếu tốt và đều ánh sáng nên được dùng để tráng gương, đặc biệt
indi là kim loại không thể thay thể được trong việc sản xuất các gương của kính thiên

văn chính xác.
 Ứng dụng trong y học và độc tính :
- Hợp kim có điểm eutecti lỏng thấp của gali, indi thiếc được sử dụng rộng rãi trong
-

một số nhiệt kế y học để thay thế cho nhiệt kế thủy ngân
Tl là một trong các chất độc nhất và được hấp thụ qua ruột, qua da tương tự asenic
nên hợp chất của nó được dùng làm chất diệt trùng.Nếu bị lạm dụng để làm mỹ phẩm
(thuốc làm rụng lông tóc) có thể gây chết người.

[15]


2. Hợp chất

2.1. Hợp chất của Bo (+3)
2.1.1. Nitrua Bo
Bo nitrua là hợp chất polime (BN)n dạng tinh thể, tồn tại hai dạng thù hình:
-

Dạng có cấu trúc tinh thể giống tinh thể than chì có màu trắng nên được gọi là chì

-

trắng
Dạng có cấu trúc tinh thể giống tinh thể kim cương có tên gọi là borazon.
2.2.2. Boran

-

Bo tạo với hidro những hợp chất hidrua có tên là boran. Người ta điều chế được các
boran gồm hai dãy BnHn+4 và BnHn+6.
Ví dụ:
B2H6, B4H10 : ở trạng thái khí
B5H9, B6H10 : ở trạng thái lỏng
B9H15, B10H14 : ở trạng thái rắn

-

Lần đầu tiên boran được điều chế bằng cách cho HCl tác dụng với một borua kim loại
chẳng hạn như MgB2 theo phản ứng:
6MgB2 + 12HCl → H2 + B4H10 + 6MgCl2 + 8B

-


Các boran đều là hợp chất kèm bền, khi nung nóng bị phân hủy thành nguyên tố. Khi
tiếp xúc với không khí đều bị đốt cháy và phát nhiệt lớn:
B2H6 + 3O2 → B2O3 + 3H2O

-

Bị nước phân hủy:
B2H6 + 6H2Onóng → 2H3BO3 + 6H2

-

Các boran đều có mùi và rất độc.
2.2.3. Anhidrit boric
- Là chất hút ẩm mạnh và tan trong nước tạo thành axit boric:
B2O3 + H2O → 2H3BO3
[16]


-

Khi nóng chảy hòa tan một số oxit kim loại tạo thành borat:
Na2O + B2O3 → Na2B4O7

2.2.4. Axit boric
Axit boric (hay axit orthoboric) là những tinh thể hình vảy nhỏ, màu trắng óng ánh
như xà cừ. Trong thiên nhiên tồn tại ở dạng khoáng xaxolin.
-

-


-

-

Axit boric có thể tan trong nước sôi. Khi nung trên 170 °C, nó tách nước tạo thành axit
metaboric (HBO2):
H3BO3 → HBO2 + H2O
Axit metaboric là chất rắn kết tinh theo hệ lập phương, có màu trắng và chỉ hòa tan ít
trong nước. Axit boric nóng chảy ở 236 °C, và khi nung trên 300 °C nó tiếp tục tách
nước tạo thành axit tetraboric hay axit pyroboric (H2B4O7):
4 HBO2 → H2B4O7 + H2O
Thuật ngữ axit boric đôi khi cũng được dùng để chỉ các hợp chất này. Nếu tiếp tục
tách nước, nó sẽ tạo ra boron trioxit.
H2B4O7 → 2 B2O3 + H2O
Axit boric có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ các sóng âm tần số thấp trong nước
biển.
2.2.5. Muối borat
Muối của axit boric được gọi là muối borat. Các borat có thành phần và cấu trúc
khác nhau, thông thường là những dẫn xuất của axit peboric có thành phần là
xB2O3.yH2O.
Ví dụ: Na2B4O7 là muối của tetreboric H2B4O7
Borac khan khi nóng chảy có khả năng hòa tan nhiều oxit kim loại tạo thành muối
borat ở dạng thủy tinh màu gọi là ngọc borat. Vì thế borac được dùng chế tạo thủy
tinh quang học, men đồ sứ, sắt và dùng đánh sạch bề mặt kim loai trước khi hàn
Na2B4O7 + CoO → [3NaBO2 + Co(BO)2] (màu xanh thẫm).
Na2B4O7 +Cr2O3 → [6NaBO2 + 2 Cr(BO2)3] (màu xanh lục).

•
-


Ứng dụng
Axít boric là hợp chất quan trọng sử dụng trong các sản phẩm may mặc.
Các hợp chất của bo được sử dụng nhiều trong tổng hợp các chất hữu cơ và sản xuất
các thủy tinh borosilicat.
[17]


-

Các hợp chất bo được sử dụng như thành phần trong các màng thấm đường, phần tử
nhạy cacbonhiđrat và tiếp hợp sinh học. Các ứng dụng sinh học được nghiên cứu bao
gồm liệu pháp giữ nơtron bằng bo và phân phối thuốc trong cơ thể. Các hợp chất khác

-

của bo có hứa hẹn trong điều trị bệnh viêm khớp, ung thư..
Hidrua bo là một chất bị ôxi hóa dễ dàng giải phóng ra một lượng đáng kể năng

-

lượng. Vì thế nó được nghiên cứu để sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa.
Các hợp chất khác được sử dụng như là chất bảo quản gỗ được ưa thích do có độc tính

-

thấp.
Borohiđrit natri (NaBH4), là chất khử hóa học thông dụng, được sử dụng trong khử
các alđêhit và kêton thành rượu.
2.2. Hợp chất của nhôm
2.2.1. Nhôm oxit (Al2O3)



Tính chất vật lí:
Chất rắn, màu trắng, không tan trong nước không tác dụng với nước, t nc > 20500C.



Tính chất hoá học:
Là oxit lưỡng tính.
Chỉ phản ứng khi ở đk trên 100 0C.

-

Tác dụng với dung dịch axit:
Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
Al2O3 + 6H+ → 2Al3+ + 3H2O

-

Tác dụng với dung dịch kiềm:
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
(natri aluminat)

-

Tác dụng với một số muối ở đk nóng chảy:
Al2O3 + Na2CO3 → 2NaAlO2 +CO2
Al2O3 + 3K2S2O7 → Al2(SO4)3 +3K2SO4
Al2O3 chủ yếu được dùng để điều chế Al, dùng làm vật liệu chịu lửa, Al 2O3 tinh khiết
còn được dùng làm xi-măng, trám răng 28,4%Al 2O3.

[18]


2.2.2. Nhôm hidroxit: ( Al(OH)3)


Tính chất vật lí:
Chất rắn, màu trắng, kết tủa ở dạng keo.



Tính chất hoá học:
Là hiđroxit lưỡng tính.

-

Tác dụng với dung dịch axit:
Al(OH)3 + 3 H2O+ → [Al(H2O)]3+

-

Tác dụng với dung dịch kiềm:
Al(OH)3 + OH- + 2H2O → [Al(OH)4(H2O)2]-.
(hydroxy aluminat)

Ứng dụng
Nhôm sunfat và nhóm phèn nhôm được dùng trong công nghiệp giấy, nhuộm, thuộc da
•

-


và làm trong nước do chúng thủy phân mạnh trong nước tạo Al(OH) 3: Phèn nhôm Kali,
-

phèn nhôm amoni phèn nhôm PAC.
Không có vai trò sinh học, ngược lại đã thấy độc tính mạnh của Al ảnh hưởng đến não

-

biểu hiện ở người cao tuổi.
Nhiều hợp chất của Al không tan được dùng làm thuốc kháng axit dạ dày.
Al(OH)3: làm dung dịch keo đông (gel) để trung hòa HCl của dịch vị trong trường hợp

-

tăng axit ở bệnh loét dạ dày.
Cao lanh Al2O3.2SiO3.2H2O có khả năng hút thấm nên được dùng làm bột rắc hoặc bột
nhão để chữa các bệnh ngoài da, loét bỏng.
2.3. Các hợp chất của Ga,Tl,In

-

Oxit của chúng thể hiện tính lưỡng tính như Al 2O3
Bị khử bởi H2, C, CO, H2O2 , tác dụng với một số phi kim.
Hidroxit của chúng tồn tại ở dạng vô định hình, tan trong nước, phân hủy khi đun
nóng, thể hiện tính lưỡng tính.
Ga(OH)3 + NaOH đặc nóng → Na[Ga(OH)4]
Ga(OH)3 + 3HCl → GaCl3 +3H2O
[19]



-

Riêng Tl hidroxit chỉ tồn tại 1 dạng duy nhất là TlOH có tính bazơ mạnh:
2TlOH loãng +Zn(NO3)2 → Zn(OH)2 +2TlNO3
2TlOH đặc +Zn(OH)2 → Ti2[Zn(OH)4]
2TlOH + 4NaOH +2Cl2 → Tl2O3 +4NaCl +3H2O

-

Muối của chúng có tính chất phụ thuộc vào gốc axit:
• Gốc Cl- đa số dễ bay hơi,ít tan trong nước.
• Gốc SO42- tan nhiều trong nước nóng,bền nhiệt.
• Gốc NO3- tan nhiều trong nước,dễ phân hủy khi đun nhẹ.
• Ứng dụng trong thực tế
Hợp chất của Ga,In,Tl dùng làm chất bán dẫn.
In và các hợp chất của nó ứng dụng trong các phản ứng phóng xạ.
• Ứng dụng trong y học và độc tính
Các muối của gali như citrat gali và nitrat galiđã từng được dùng như là tác nhân

-

dược phẩm phóng xạ trong chiếu chụp y học hạt nhân.
Một số hợp chất của Ga3+ dùng điểu trị chống tăng Ca máu có liên quan đến ung thư.
Tl là một trong các chất độc nhất và được hấp thụ qua ruột, qua da tương tự asenic

-

-


nên hợp chất của nó được dùng làm chất diệt trùng.Nếu bị lạm dụng để làm mỹ phẩm
(thuốc làm rụng lông tóc) có thể gây chết người.
II. Các nguyên tố nhóm IIIB
- Bao gồm Scandi (Sc), Ytri (Y), Lantan (La), Actini (Ac).
- Là những nguyên tố d đầu tiên trong các chu kỳ lớn.
- Cấu hình electron:

Sc

Y

La

Ac

3d1 4s2

4d1 5s2

5d1 6s2

6d1 7s2

-

Nhóm kim loại mạnh có trạng thái oxy hóa dương X(+3) tăng từ Sc đến Ac.
Trong thiên nhiên nó phân tán, khó tích ở trạng thái nguyên chất.
Các nguyên tố nhóm IIIB là các nguyên tố nhóm d, có 2e lớp ngoài cùng với cấu hình

-


(n-1)d1 ns2 và là các nguyên tố đứng đầu dãy các kim loại chuyển tiếp.
Từ Sc đến Ac bán kính nguyên tử tăng nên tính kim loại tăng.

[20]


1.
-

Đơn chất
Là những kim loại màu trắng bạc, tương đối khó nòng chảy và khá giòn.
Dẫn điện, dẫn nhiệt kém.
Sc và Y là những kim loại nhẹ, còn La và Ac là những kim loại nặng.
La tạo hợp kim với nhiều kim loại.
Hoạt động hóa học thua kim loại kiềm và kiềm thổ, hoạt tính hóa học tăng từ Sc đến

-

Ac.
Trong không khí Sc và Y không phản ứng vì có màng oxit bảo vệ, La và Ac nhanh chóng

-

bị mờ đục do tạo thành lớp hidroxit ở trên bề mặt.
La có tính tự cháy khi cọ xát hoặc va đập.
Khi đun nóng nhóm IIIB tác dụng với đa số các nguyên tố không kim loại như: O 2, H2,

-


halogen, S, N2, C, Si, Bo,...tạo sản phẩm M2O3, MH3, MX3, M2S3, M4C3, MSi2, MB6,...
Cacbua của nhóm IIIB giống CaC2.
Với nước Sc và Y chỉ tác dụng khi bị đun nóng vì có màng oxit bao phủ, còn La với Ac
tác dụng chậm
2 M + 6 H2O → M(OH)3 + 3 H2

-

Dễ tác dụng với axít loãng.
2M + 6 H+ → 2M3+ + 3 H2
8M + 30 HNO3 → 8M(NO3)3 + 3 NH4NO3 + 9H2O

-

Điều chế bằng điện phân clorua nóng chảy.
Nhóm IIIB là những nguyên tố rất phân tán trong tự nhiên, chúng lẫn trong khoáng
vật của các kim loại khác. Do vậy quá trình tách kim loại IIIB từ quặng khá phức tạp
như tuyển khoáng, chế hóa tinh quặng bằng nhiều phương pháp khác nhau để được
các sản phẩm trung gian rồi luyện kim loại từ những sản phẩm trung gian đó. Các sản
phẩm trung gian thường là M2O3, MF3, MCl3. Người ta dùng Ca, Mg hay K khử hợp chất
[21]


đó ở nhiệt độ cao hay điện phân muối halogenua nóng chảy cùng với halogenua kim
loại kiềm.
2. Hợp chất
Hợp chất X (+3) (Sc, Y và La)
 Oxit M2O3
- Là tinh thể trắng, rất khó nóng chảy.
- Sc2O3 thể hiện tính lưỡng tính như Al 2O3: tan trong dung dịch axit và dung dịch NaOH


đặc,dư tạo thành Na3[Sc(OH)6]
Sc2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2 Na3[Sc(OH)6]
-

Y2O3, La2O3, Ac2O3, giống CaO, hấp thụ hơi nước trong không khí tạo cacbonat, hidroxit
Y2O3 + 3CO2 → Y2(CO3)3
La2O3 + 3H2O → 2La(OH)3

-

M2O3 có thể được điều chế bằng tác dụng trực tiếp của kim loại với oxi hoặc bằng cách

nhiệt phân hidroxit, các muối nitrat, cacbonat, oxalat.
 Hidroxit M(OH)3
- Các M(OH)3 là kết tủa trắng nhầy (keo). Độ tan trong nước và tính bazơ tăng từ Sc đến
-

Ac.
Sc(OH)3 là chất lưỡng tính nhưng đến La(OH) 3 là bazo mạnh tương đương Ca(OH)2,

-

nó hấp thụ khí CO2 trong không khí, tác dụng với muối NH 4+ giải phóng khí NH3.
Các M(OH)3 mất dần nước thành oxit khi đun nóng.
Các M(OH)3 được điều chế bằng muối M3+ tác dụng với dung dịch kiềm hay dung dịch
NH3. Sc(OH)3 còn có thể điều chế bằng muối Sc3+ tác dụng với Na2S2O3.


-


Muối halogennua
Các muối tinh thể màu trắng.
Muối Florua: khó nóng chảy, không háo nước, không tan trong nước.
Muối Clorua, Bromua, Iotdua: dễ nóng chảy, tan tốt và dễ thủy phân.
Các đơn chất và hợp chất phân nhóm IIIB chưa được ứng dụng rộng rãi.

[22]


Tài liệu tham khảo
Hoàng Nhâm , hóa học vô cơ, tập 2, nhà xuất bản giáo dục, xuất bản năm 2005.
PGS. Nguyễn Đức Vận, Hóa học vô cơ, tập 1, các nguyên tố phi kim, nhà xuất bản
khoa học và kĩ thuật, xuất bản năm 2008.
/> />%2Fwww.mediafire.com%2F%3Flzzkdngznfa.
/>%2Fwww.mediafire.com%2F%3Fy0zmewwgyhm.
/> />next_slideshow=1.
/>
[23]