Nhôm là gì? 

Nhôm bắt nguồn từ tiếng Pháp: aluminium, phiên âm tiếng Việt: a-luy-mi-nhôm là một kim loại rắn có màu trắng bạc, có tính mềm và trọng lượng nhẹ, tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Mặc dù nhôm khá phổ biến trong tự nhiên nhưng chúng ít khi được tìm thấy ở dạng nguyên chất. Thay vào đó, aluminum thường được tìm thấy trong các chất như đất sét, boxit…

Nhôm có kí hiệu hóa học là Al, nguyên tử khối là 27, với số nguyên tử bằng 13, là một trong ba nguyên tố phổ biến nhất trên Trái đất là Oxy, Sillic, Aluminum. Nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 660,32°C, đạt điểm sôi ở 2519°C

Lịch sử và quy trình sản xuất nhôm: Từ khám phá ban đầu đến công nghệ hiện đại

Nhôm, nguyên tố kim loại nhẹ và bền, đã có một hành trình lịch sử phong phú từ khi được phát hiện đến khi trở thành một trong những kim loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Khám phá và sử dụng ban đầu

Nhôm không tồn tại tự nhiên dưới dạng kim loại mà thường được tìm thấy dưới dạng hợp chất. Người Mesopotamia cổ đại đã sự dụng hợp chất của nhôm để làm gốm sứ khoảng 5000 năm trước Công Nguyên. Vào thế kỷ 18, nhôm được nhận diện như một nguồn kim loại tiềm năng từ alumina.

Phát triển công nghệ sản xuất

Sử phát triển quan trọng trong lịch sử sản xuất nhôm là việc phát minh ra quy trình Hall-Héroult vào năm 1886. Một phương pháp điện phân để tinh chế alumina thành nhôm kim loại. Quy trình này cùng với quy trình Bayer phát triển vào năm 1889 để tinh chế bauxite thành alumina. Đã đặt nền móng cho sản xuất nhôm công nghiệp.

Quy trình sản xuất hiện đại

Ngày này, sản xuất nhôm bắt đầu từ khai thác bauxite, một khoáng chất giàu nhôm. Bauxite sau đó được chế biến thành alumina thông qua quy trình Bayer. Cuối cùng alumina được chuyển đổi thành nhôm kim loại qua quy trình Hall-Héroult

Ứng dụng và tác động

Nhôm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ đóng gói, xây dựng, đến hàng không vũ trụ do tính chất nhẹ, bền và khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên sản xuất nhôm cũng đặt ra những thách thức tác động về môi trường đặc biệt là trong việc tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2.

Nhôm đã trải qua một chặng đường dài từ khi được phát hiện. Đến khi trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ, quy trình sản xuất nhôm ngày càng hiệu quả. Và thân thiện với môi trường hơn. Mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp này.

Tính chất và ứng dung của nhôm

Nhôm, một nguyên tố hóa học với biểu tượng Al và số nguyên tử 13. Là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất. Được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của nhôm. Làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng. Từ hàng tiêu dùng đến công nghệ cao.

Tính chất vật lý của nhôm

Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nóng chảy ở 660^oC, khá mềm, dễ kéo sợi, dễ dát mỏng. Có thể dát được những lá aluminum mỏng 0,01 mm dùng làm giấy gói kẹo, gói thuốc lá,…

Nhôm là kim loại nhẹ (D = 2,7 g/cm³), dẫn điện tốt (gấp 3 lần sắt, bằng 2/3 lần đồng) và dẫn nhiệt tốt (gấp 3 lần sắt).

• Trọng lượng nhẹ: Nhôm nổi tiếng với trọng lượng nhẹ, giúp giảm trọng lượng tổng thể và tăng hiệu quả năng trong các ứng dụng như ô tô và máy bay.
• Độ bền cao: Mặc dù nhẹ, aluminum có độ bề cao, đặc biệt khi được hợp kim hóa với các nguyên tố khác.
• Khả năng chống ăn mòn: Nhôm tự nhiên tạo ra một lớp oxit bảo vệ trên bề mặt giúp nó chống lại sự ăn mòn.

Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

Nhôm (Al) ở ô số 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3 của bảng tuần hoàn.

Cấu hình electron nguyên tử: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹; viết gọn là [Ne]3s²3p¹.

Nhôm dễ nhường cả 3 electron hóa trị nên có số oxi hóa +3 trong các hợp chất.

Tính chất hóa học của nhôm

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

• Tính chất kháng oxy hóa: Lớp oxit mỏng bảo vệ aluminum khỏi sự oxy hóa. Giữ cho nó không bị gỉ sét ngay cả khi tiếp xúc với môi trường ẩm ướt.
• Phản ứng với axit và kiềm: Nhôm phản ứng với cả axit và kiềm.Nhưng lớp oxit bảo vệ giúp giảm thiểu sự phản ứng này.

Ứng dụng quan trọng của nhôm

• Giao thông vận tải: Aluminum được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ô tô, máy bay và tàu thủy do tính chất nhẹ và bền
• Đóng gói: Nhôm là lựa chọn hàng đầu cho việc đóng gói thực phẩm và đồ uống nhờ vào khả năng chống ăn mòn và dễ tái chế.
• Xây dựng: Aluminum được sử dụng trong cửa sổ, cửa ra vào và các cấu trúc khác trong ngành xây dựng do độ bền và tính thẩm mỹ.
• Điện và điện tử: Nhôm là một chất dẫn điện tốt và được sử dụng trong dây cáp và thiết bị điện tử.
• Ngành biển: Aluminum có tính chống mài mòn tốt nên thường được sử dụng để sản xuất những bộ phận trong công nghiệp tàu biển như ống thủy lực và các phụ kiện tiếp xúc dưới biển hay phục vụ cho ngành dầu khí biển.
• Ngành hàng không vũ trụ: Nhờ trọng lượng nhẹ và độ bền, sự thẫm mỹ, chúng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy bay (vỏ máy bay, một số bộ phận trên thân máy bay) và cũng như các thiết bị, máy móc cho ngành hàng không vũ trụ.
• Ngành cơ khí: Nhôm được uốn, ép đùn… tạo thành các bộ phận cho máy móc ngành cơ khí sản xuất, xây dựng, các băng chuyền tải hàng, vỏ máy, khung máy
• Ngành dân dụng: Nhôm và hợp kim aluminum đúc thường được ứng dụng sản xuất cửa, cổng, cầu thang… Ngoài ra, aluminum còn được dùng để làm vỏ ngoài cho các thiết bị điện tử như laptop, điện thoại, máy nghe nhạc, đồng hồ, máy tính bảng …
• Ngành bếp: Ứng dụng sản xuất các thiết bị bếp như nồi, chảo, rổ, rá… Chúng vừa sáng bóng sang trọng, vừa có giá thành phù hợp.

Nhôm là một nguyên tố đa năng với nhiều tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, giúp nó trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp. Từ việc sử dụng trong giao thông vận tải đến đóng gói và xây dựng. Aluminum tiếp tục đóng góp vào sự tiến bộ của công nghệ. Cải thiện chất lượng cuộc sống hàng ngày.

Đặc tính của nhôm

• Thẫm mỹ: aluminum có màu trắng ánh bạc đẹp, sáng láng, ngoại hình nổi bật.
• Trọng lượng nhẹ: Nhôm và các hợp kim của nhôm khá nhẹ so với các kim loại khác và chỉ nặng khoảng bằng 1/3 so với sắt.
• Độ bền cao: Nhôm có đặc tính độ bền cao và có thể điều chỉnh độ bền theo nhiệt độ. Nhiệt độ càng giảm, độ bền aluminum càng cao. Ngoài ra, khi kết hợp với các kim loại khác, hợp kim aluminum có độ bền cao hơn. Tùy thuộc vào tính chất và tỉ lệ của thành phần được kết hợp. Những kim loại thường được kết hợp với aluminum là kẽm, crom, mangan, magie, silicon, đồng…
• Tính dẫn nhiệt: Nhôm có tính dẫn nhiệt cao nên thường được sử dụng cho các ứng dụng làm mát hoặc dẫn nhiệt.
• Tính dẫn điện: Cũng như đồng, nhôm có tính dẫn điện cao. Với giá thành rẻ hơn đồng nên chúng cũng được ứng dụng khá rộng rãi với mục đích dẫn điện. Hợp kim khác nhau sẽ có độ dẫn điện khác nhau, nhìn chung vẫn cao hơn nhiều kim loại khác.
• Chống mài mòn: Nhờ lớp màng oxit bên ngoài, aluminum có khả năng chống mài mòn tốt. Nếu lớp màng oxit này mỏng, độ chống mài mòn sẽ giảm hơn. Người ta thường sơn bên ngoài hoặc xi. Để gia tăng thời gian cũng như khả năng chống mài mòn của aluminum
• Từ tính: Nhôm không có từ tính
• Khả năng chống cháy: Nhôm là kim loại chống cháy dù ở nhiệt độ cao.
• Khả năng định hình: Nhôm dễ gia công, cắt, uốn, ép, kéo… Vì thế chúng dễ tạo hình thành nhiều sản phẩm có hình dạng phong phú, thích hợp cho nhiều lĩnh vực.
• Khả năng tái chế: Nhôm có thể được tái chế nhiều lần giúp tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

Sản xuất aluminum

Trong công nghiệp, aluminum được sản xuất bằng phương pháp điện phân nhôm oxit nóng chảy.

Nguyên liệu

Nguyên liệu là quặng boxit Al₂O₃.2H₂O. Boxit thường lẫn tạp chất là Fe₂O₃ và SiO₂. Sau khi loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hóa học thu được Al₂O₃ gần nguyên chất.

Điện phân nhôm oxit nóng chảy

Nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ rất cao (2050^oC), vì vậy phải hòa tan Al₂O₃ trong criolit nóng chảy để hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống 900^oC.

– Quá trình điện phân:

Cực âm (catot) của thùng điện phân là một tấm than chì nguyên chất được bố trí ở đáy thùng. Ở catot xảy ra quá trình khử ion Al³⁺ thành Al.

Aluminum nóng chảy được định kì tháo ra từ đáy thùng.

Cực dương (anot) cũng là những khối than chì lớn. Ở anot xảy ra quá trình oxi hoá ion O^2- thành khí O₂.

Khí O₂ ở nhiệt độ cao đốt cháy C thành khí CO và CO₂. Vì vậy, sau một thời gian phải thay thế điện cực dương.

Các loại hợp kim nhôm phổ biến hiện nay

• Hợp kim nhôm 5052 (biến dạng không hóa bền): Là sự kết hợp giữa aluminum và crom, magie. Nhờ hai thành tố này, aluminum 5052 nhẹ, có khả năng chống oxy hóa cao, độ bền tốt. Dễ tạo hình và có thể hàn tốt với kĩ thuật hàn cơ bản. Chúng được ứng dụng khá nhiều trong chế tạo các bộ phận của tàu thuyền. Một số chi tiết hoặc sản phẩm được lắp đặt ngoài trời hoặc gần biển.
• Hợp kim nhôm 6061 (biến dạng hóa bền): Là sự kết hợp giữa aluminum và crom, magie, silicon. Chúng có độ bền cao, chống oxy hóa, có tính hàn tốt. Được ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống.
• Hợp kim nhôm 6063: Với những đặc tính tốt như bền, khả năng chống mài mòn, dễ gia công và định hình, cứng… nên là hợp kim được sử dụng nhiều nhất trên thị trường hiện nay.
• Hợp kim nhôm 7075 (biến dạng hóa bền): Là sự kết hợp giữa nhôm và kẽm, magie… Có độ bền tốt, chịu được tác động lực cao, chi phí giá thành tiết kiệm hơn.
• Hợp kim dựa trên đồng (series 2000): Các hợp kim này được biết đến với độ cứng và sức mạnh cao. Thường được sử dụng trong ngành hàng không và quốc phòng.
• Hợp kim dựa trên magie (series 5000): Chúng có khả năng chống ăn mòn tốt và thường được sử dụng trong xây dựng và ngành công nghiệp biển.
• Hợp kim dựa trên kẽm (series 7000): Đây là những hợp kim nhôm cực kỳ cứng và nhẹ. Phù hợp cho các ứng dụng cần độ bền cao như trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.

Cấu trúc và tính chất của hợp kim nhôm: Hợp kim aluminum được tạo ra bằng cách thêm các nguyên tố khác như đồng, magiê, mangan, silicon, kẽm và niken vào nhôm. Việc này không chỉ cải thiện độ bền và độ cứng. Mà còn tăng cường khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt của nhôm. Mỗi hợp kim có một cấu trúc tinh thể đặc trưng. Quyết định các tính chất vật lý và hóa học của nó