NHÓM KIM LOẠI IIIA TRONG BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN

Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn các lò phản ứng là U235 hay Pu239. Để đảm bảo cho hệ số nhân nơtron k = 1, trong các lò phản ứng người ta dùng các thanh điều khiển có chứa Bo hay Cadmi, là các chất có tác dụng hấp thụ nơtron.Khi số notron trong lò tăng lên quá nhiều (k > 1), người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nhiên liệu phân hạch để hấp thụ số nơtron thừa. Năng lượng toả ra từ phản ứng không đổi theo thời gian.Nhiên liệu hạt nhân thường được chế tạo dưới dạng các thanh dài và việc bố trí các thanh nhiên liệu trong lò phản ứng phải được tính toán cẩn thận. Thanh nhiên liệu và chất là chậm nơtron (nước nặng D2O, nước thường, than chì, berili....) phài được sắp đặt sao cho mỗi lần phân hạch bao giờ cũng có ít nhất một nơtron tiếp tục gây ra một phân hạch khác. Ngoài ra cũng phải có cách điều khiển tốc độ các phân hạch xảy ra. Yêu cầu đặt ra là nhất thiết phải có khả năng khởi động từ từ phản ứng dây chuyền, điều chỉnh nó trong quá trình tiến triển và làm cho phản ứng dừng lại khi cần. Việc điều khiển này được thực hiện với các thanh điều khiển chế tạo bằng vật liệu hấp thụ nơtron như cađimi. Khi các thanh điều khiển được thả xen hoàn toàn vào vùng các thanh nhiên liệu, thì rất nhiều nơtron bị hấp thụ và phản ứng dây chuyền sẽ dừng lại. Khi rút từ từ các thanh điều khiển ra khỏi vùng hoạt động của lò phản ứng(vùng tâm lò phản ứng), thì phản ứng phân hạch lại bắt đâù và tiến dần đến mức tạo nên phản ứng dây chuyền tự duy trì. Động năng của các mảnh phân hạch và nơtron được biến đổi thành năng lượng nhiệt. Thành thử, lò phản ứng là một nguồn nhiệt khổng lồ có thể tạo ra những nhiệt độ rất cao. Nhiệt lượng tạo ra được một chất lỏng làm nguội (chất tải nhiệt) tải đi theo các ống dẫn chạy qua vùng trung tâm lò. Trong nhiều trường hợp người ta dùng nước để làm chậm, đồng thời làm chất tải nhiệt

GROUP IIIA BORON GROUP

Al Ga

∗ Lớp e hóa trị đều có cấu hình e là ns 2 np 1 nên chúng đều thể hiện số oxi hóa là +3.

∗ Đối với Al thì số oxi hóa +3 là bền, và giảm dần cho đến Tl

∗ Ng ợc lại số oxi hóa +1 là kém bền với Al và tăng dần độ bền cho đến Tl

? Tại sao số oxi hóa +3 giảm dần

độ bền, số oxi hóa +1 lại tăng

dần độ bền?

Al Ga In Tl

[Ne] 3s 2 3p 1 [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 [Kr]4d 10 5s 2 5p 1 [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 1

∗ Al: líp e ngoµi cïng ngay sau vá khÝ hiÕm, kho¶ng c¸ch s vµ p gÇn → dÔ t¸ch 3 e, nªn sè

oxi hãa +3 bÒn

∗ Ga vµ In: sau líp vá khÝ hiÕm cßn cã 10 e cña (n-1)d, l¹i bÞ ¶nh h ëng cña sù co d → khã t¸ch h¬n

∗ Tl: sau líp vá khÝ hiÕm cßn cã 14e cña (n-2)f

vµ 10e cña (n-1)d, l¹i bÞ ¶nh h ëng cña sù co f →

rÊt khã t¸ch c¶ 3 e, nªn sè oxi hãa +1 lµ bÒn

Tính kim loại các nguyên tố nhóm IIIA có giống với các kim loại kiềm thổ đã học bài

tr ớc không?

∀ ∗ Tính chất của nguyên tử các nguyên tố, tính chất của các

đơn chất, hợp chất của các Kl nhóm IIIA không giống nhau nhiều nh đối với các KL kiềm thổ

∀ ∗ Tính kim loại của các nguyên tố nhóm IIIA biến thiên

tuyến tính chứ không tăng dần từ trên xuống d ới nh KL kiềm thổ

E 0 (V)

(M 1+ + e M)

∗∗ Từ Ga đến In, tính kim loại tăng lên do I giảm xuống, nh ng từ In đến Tl tính kim loại lại giảm xuống do tổng I hơi tăng lên (vì Tl đứng sau các nguyên tố lantanoit nên đã chịu ảnh h ởng của sự

co f)

∗∗ Từ Ga đến In, tính kim loại tăng lên do I giảm xuống, nh ng từ In đến Tl tính kim loại lại giảm xuống do tổng I hơi tăng lên (vì Tl đứng sau các nguyên tố lantanoit nên đã chịu ảnh h ởng của sự

co f)

§Æc ®iÓm Al Ga In Tl

E 0 (V) (M 3+ + 3e M)

∗ C¸c ion hi®rat hãa cña c¸c ion Al 3+ , Ga 3+ vµ

In 3+ dÔ h×nh thµnh trong dung dÞch (ThÕ ®iÖn cùc chuÈn cña qu¸ tr×nh M 3+ + 3e → M kh¸

©m) Riªng Tl kh«ng dÔ mÊt 3e hãa trÞ trong

dd n íc (ThÕ ®iÖn cùc chuÈn d ¬ng + 0,71).

§Æc ®iÓm Al Ga In Tl

E 0 (V) (M 1+ + 1e M)

-0,25 -0,34

∗ C¸c ion hi®rat hãa cña c¸c ion In 1+ vµ Tl 1+ dÔ h×nh thµnh trong dung dÞch (ThÕ ®iÖn cùc

chuÈn cña qu¸ tr×nh M 1+ + 1e → M kh¸ ©m).

∗∗ Nguyªn tö Tl gi÷ chÆt c¸c e hãa trÞ nªn ®iÖn tÝch hiÖu dông cña nã cao h¬n h¼n ( 13 Al, 31 Ga,

49 In, 81 Tl ) V× vËy sè oxi hãa +1 lµ bÒn víi Tl.

ĐẶC ĐIỂM CHUNG

NHƯ TRONG IIA VÀ IA

2 TÍNH KIM LOẠI TĂNG TUY VẬY CÓ ẢNH HƯỞNG

CỦA CO d VÀ CO f

4 THẾ ĐIỆN CỰC LỚN HƠN TRONG IIA B KHÔNG

TẠO CATION NÊN KHÔNG XÁC ĐỊNH ĐƯỢC THẾ ĐIỆN CỰC

5 B GIỐNG NHIỀU VỚI Si TRONG IVA HƠN LÀ

GIỐNG VỚI Al

Trong tự nhiên các nguyên tố nhóm

IIIA tồn tại nh thế nào?

Nhôm rất phổ biến chiếm thứ 4 trên trái đất Chỉ có 1 đồng vị bền duy nhất 27Al

Gali, Inđi, Tali có rất ít, đ ợc phát hiện bằng ph ơng pháp phân tích phổ

Kho¸ng vËt crorindon Khai th¸c quÆng Nh«m

• Bauxit (hay Bô xít) l m t lo i à ộ ạ qu ng ặ nhôm tr m tích có m u h ng, nâu ầ à ồ đượ c hình th nh t à ừ quá trình phong hóa các á gi u nhôm ho c tích t t các qu ng có tr đ à ặ ụ ừ ặ ướ c b i quá trình xói mòn ở

Qu ng bô xít phân b ch y u trong v nh ai xung quanh xích ặ ố ủ ế à đ đạ đặ o c bi t trong môi tr ệ ườ ng

nhi t ệ đớ T bôxit có th tách ra i ừ ể alumina (Al203), nguyên li u chính ệ để luy n ệ nhôm trong các lò

i n

đ ệ phân, chi m 95% l ế ượ ng bôxít đượ c khai thác trên th gi i Tên g i c a lo i qu ng nhôm ế ớ ọ ủ ạ ặ

n y à đượ đặ c t theo tên g i l ng Les Baux-de-Provence mi n nam n ọ à ở ề ướ c Pháp, t i ây nó ạ đ đượ c

nh a ch t h c l à đị ấ ọ à Pierre Berthier phát hi n ra l n ệ ầ đầ u tiên n m 1821 ă

Đá saphia Đá saphia Đá rubi

Đá rubi Corinđon Quặng boxit

2 BO HÓA BỀ MẶT THÉP

0.1-0.5 mm ĐỂ BỀN HÓA

3 HỢP KIM B LÀM THANH

ĐIỀU CHỈNH TRONG LÒ HẠT NHÂN

4 SỢI B LÀM CỐT LIỆU

NHẸ-BỀN ĐỂ CHẾ TẠO MÁY BAY

1200 2

The most economically important compounds of boron are: (hợp chất quan trọng mang tính kinh tế nhất cuare

Bo là)

Sodium tetraborate pentahydrate (Na 2 B 4 O 7 · 5H 2 O),

which is used in large amounts in making insulating

fiberglass and sodium perborate bleach( được sử dụng kính nhựa cách ly, chất tẩy).

Orthoboric acid (H 3 BO 3 ) or boric acid, used in the

production of textile fiberglass and flat panel displays or eye drops, among many uses.(được sử dụng để sản

xuất kính sợi nhựa, tấm panel )

Sodium tetraborate decahydrate (Na 2 B 4 O 7 · 10H 2 O) or borax , used in the production of adhesives(dùng trong sản xuất chất dính), in anti-corrosion systems(chống ăn mòn) and many other uses.

5 10 -4 %

nguyên tử/vỏ trái đất

Orthoboric acid (H 3 BO 3 ) or boric acid

Tinh thể cấu tạo lớp song song:

liên kết trong lớp là liên kết

hidro, liên kết giữa các lớp là

lực Van de Van  tinh thể có

dạng vảy nhỏ, sờ thấy nhờn

Tan trong nước và thu nhiệt (0oC: 1.95 g/l; 100oC:

290 g/l) Dễ kết tinh lại trong nước Bản thân không bay hơi; bay hơi cùng hơi nước.

… Aluminium has only been produced commercially

for 146 years and is still a very young metal

Mankind has been using copper, lead and tin for thousands of years and yet today more aluminium is

produced than all other non-ferrous metals

combined Annual primary production in 1999 was about 24 million tonnes and secondary - recycled - production to some 7 million tonnes The total of some 31 million tonnes compares with 14.1 million tonnes of copper , 6.0 million tonnes of lead and 0.2

million tonnes of tin…

TÍNH CHẤT LÝ HỌC

1 Kim loại trắng bạc , cấu trúc lập phương tâm diện Có

màng oxit mỏng bảo vệ Mp 650 oC, Bp 2467 oC.

2 Nhiệt độ thường mềm, dễ kéo dài, dát mỏng làm dây

điện, tụ điện, gói thực phẩm và dược phẩm Từ 100-150

oC dẻo, dễ chế hóa cơ học Trên 600 oC ròn, dễ nghiền thành bột Lỏng rất nhớt, Mg, Cu làm giảm độ nhớt nên hay có trong hợp kim nhôm.

3 Dẫn điện và nhẹ bằng 0.6 và 3 lần so với Cu.

4 Bề mặt trơn bóng, phản xạ tốt ánh sáng và nhiệt  làm

gương kính phản chiếu, ống dẫn dầu thô, bể chứa cách nhiệt.

5 Tạo nhiều hợp kim quan trọng: duyra (94%Al, 4%Cu,

2%Mg, Mn, Fe, Si) cứng và bền như thép mềm, dùng trong SX otô, máy bay Silumin (85%Al, 10-14%Si, 0.1%Na) bền, dễ đúc để làm động cơ máy bay, tàu thủy.

CÊu h×nh nguyªn tö nh«m

Al kÕt tinh trong hÖ lËp ph ¬ng t©m diÖn

∗ Cấu trúc điển hình của nguyên tử Nhôm:

8 nguyên tử nhôm phân bố ở 8 đỉnh của hình lập

ph ơng

6 nguyên tử nhôm phân bố ở 6 mặt của hình lập

ph ơng

TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1 Là kim loại hoạt động do bán kính nguyên tử lớn

hơn B Ở điều kiện thường kém hoạt động do có lớp màng oxit 10 nm rất bền bao bọc.

Thụ động trong axit đặc.

ở điều kiện th ờng nhôm có lớp bề mặt oxit rất bền vững nên bền với n ớc và không khí Nếu mất lớp oxit đó thì Nhôm thể hiện tính chất đúng với vị trí của nó trong bảng

? VËy Al cßn t¸c dông víi phi kim nµo

Ph ơng pháp dùng bột Nhôm khử oxit kim loại để điều chế kim

loại gọi là gì?

Ph ơng pháp này dùng chủ yếu để điều chế kim loại dạng nh thế

nào?

Ph ¬ng ph¸p nhiÖt nh«m

Dïng ®iÒu chÕ kim lo¹i khã bÞ khö, khã nãng ch¶y nh Cr, Fe, Mn, Ni–

VÝ dô: 2Al + Cr 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Cr 2Al + Fe 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Fe

Al có phản ứng với axit H2SO4 đặc và HNO3

đặc nóng không? Sản phẩm khử là gì?

T ơng tự các kim loại khác, Al phản ứng với axit H2SO4 và HNO3 đặc nóng cho sản phẩm khử đa dạng

Ví dụ:

2Al+6H2SO4 → 2Al2(SO4)3 +6SO2 +6 H2O

Al + 4 HNO3 → Al(NO3)3 + NO + 2H2O

∗ Ngoài các sản phẩm khử trên, khi Al phản ứng với axit HNO3

đặc nóng còn sinh ra sản phẩm khử là: NH3, NH4NO3, NO2, N2O, N2

∗ Còn khi phản ứng với axit H2SO4 đặc nóng sinh ra S kết tủa hoặc H2S

Al có phản ứng với axit H2SO4 đặc và

Phản ứng với bazơ

Nhôm có một tính chất rất đặc biệt đó là phản ứng với dd kiềm.

Ga cũng td với dd kiềm giống nh Nhôm

In và Tl không phản ứng với kiềm nếu không có chất oxi hóa

2Al(r)+2OH-+6H2O(l) → 2[Al(OH)4]-+3H2(k)

2Ga(r)+2OH-+6H2O(l) → 2[Ga(OH)4]-+3H2(k)

Qóa tr×nh tinh chÕ Nh«m theo Bayer

QuÆng boxit ( Al 2 O 3 xH 2 O) + t¹p chÊt SiO 2 + Fe 2 O 3

nghiÒn nhá +NaOH, 150 0 C

5-6 at

SiO 2 d¹ng phøc , Fe 2 O 3 ko ph¶n øng

Al 2 O 3 + NaOH + 3H2O 2 Na[Al(OH) 4 ]

Natri hi®roxoaluminat läc, pha lo·ng

Na[Al(OH) 4 ] Al(OH) 3 + NaOH

C ực dương bằng than chì Hỗn hợp nóng chảy Al2O3 +criolit

(ChÊt ®iÖn gi¶i)

Chu tr×nh t¸i s¶n xuÊt Nh«m

Lùa chän nh«m r¸c cã thÓ t¸i sö dông

Ðp thµnh khu«n

NghiÒn

Nung KÐo sîi

Dµn máng T¸i sö dông

Nhµ m¸y s¶n xuÊt Nh«m

Aluminium in the Air - The commercial aviation industry would never have succeeded without aluminium The Wright brothers' first aeroplane, which flew in 1903, had a four-cylinder, 12-horsepower auto engine modified with

a 30-pound aluminium block to reduce weight Strong aluminium alloys take the extraordinary pressures and stresses involved in high altitude flying Wafer thin aluminium panels keep the cold out and the air in Today, there are around 5,300 commercial passenger aircraft flying in the world Aluminium comprises about 80 per cent of an aircraft's unladen weight A Boeing 747 jumbo jet contains around 75,000kg of aluminium The structure of the space shuttle is 90% aluminium.

Road Transport - Aluminium is very strong, it is used extensively for the rugged Hummer vehicle and the off-road Land Rover Aluminium absorbs kinetic energy In a vehicle crash involving a largely aluminium vehicle a high proportion of the shock is absorbed by the structure, not by the vehicle occupants Aluminium does not rust Over the vehicle's life, there will be a saving of from six to twelve times the energy it takes to produce the primary aluminium used in its construction, every tonne of aluminium which replaces a tonne of traditional heavier materials will save 20 tonnes of carbon dioxide equivalents over the lifetime of the automobile It is estimated that

90 per cent of trailer trucks and long distance buses have aluminium bodies Aluminium components can cut 1,800 kilograms from the weight of a tractor-trailer truck Thus such a truck can carry a bigger load without exceeding weight limits.

Rail and Sea Transport - Canada's LRC trains, France's TGV (high-speed) trains and the latest version the 700 series of the "Japanese Bullet Train" all have passenger cars made of aluminium Most modern subway cars and most rail freight cars are also made of aluminium Fast ferries, with speeds of 35-50 knots, built of aluminium are revolutionising transport over short sea routes.

Aluminium in Building - All kinds of aluminium products are used in new home construction and in residential renovation Aluminium's resistance to corrosion means it is virtually maintenance-free Its strength and lightness encourage its use in earthquake prone zones New technologies mean solar power captors can be inserted in aluminium frames, thus saving considerable amounts of energy and protecting the environment The majority of aluminium used in buildings will be recycled and can be used over and over again.

Aluminium in Cooking - Around half the cookware sold globally each year is made of aluminium It loses only about seven per cent of the heat it receives, leaving 93 percent of the heat to cook your food Using aluminium cookware, you only need a quarter of the energy required to heat stainless steel or cast iron, thus saving on energy bills.

Aluminium in Packaging - Aluminium is used extensively for the protection, storage and preparation of food and beverages Aluminium can be rolled into ultra-thin foils which are light, strong and have unique barrier and insulation qualities to preserve food, cosmetics, pharmaceutical products and protect from ultra-violet light, odours and bacteria Aluminium packages are secure, tamper-proof, hygienic, easy to open and recyclable Aluminium withstands both heat and cold It is easy to sterilise for food and medical applications It's an excellent barrier against liquids, vapours and light It transmits conducted heat, and reflects radiant heat That's why you can oven-bake a potato in foil or insulate your home with it Less than an ounce of aluminium sprayed on a polymer forms a thin insulating sheet that can keep a new born baby warm or save the life of someone on an exposed mountain top.

Aluminium in Water - WHO recognised the beneficial effects of the use of aluminium as a coagulant in water treatment to remove unwanted material including several organisms known to cause disease and make tap water drinkable.

1808 Sir Humphry Davy (Britain) established the existence of aluminium and named it.

1821 P Berthier (France) discovers a hard, reddish, clay-like material containing 52 per cent aluminium oxide near the village of Les Baux in southern France He called it bauxite, the most common ore of aluminium.

1825 Hans Christian Oersted (Denmark) produces minute quantities of aluminium metal by using dilute potassium amalgam to react with anhydrous aluminium chloride, and distilling the resulting mercury away

to leave a residue of slightly impure aluminium.

1827 Friedrich Wöhler (Germany) describes a process for producing aluminium as a powder by reacting potassium with anhydrous aluminium chloride.

1845 Wöhler establishes the specific gravity (density) of aluminium, and one of its unique properties - lightness.

1854 Henri Sainte-Claire Deville (France) improves Wöhler's method to create the first commercial process The metal's price, initially higher than that of gold and platinum, drops by 90% over the following 10 years The price is still high enough to inhibit its widespread adoption by industry.

1855 A bar of aluminium, the new precious metal, is exhibited at the Paris Exhibition.

1885 Hamilton Y Cassner (USA) improves on Deville's process Annual output 15 tonnes!

1886 Two unknown young scientists, Paul Louis Toussaint Héroult (France) and Charles Martin Hall (USA), working separately and unaware of each other's work, simultaneously invent a new electrolytic process, the Hall-Héroult process, which is the basis for all aluminium production today They discovered that if they dissolved aluminium oxide (alumina) in a bath of molten cryolite and passed a powerful electric current through it, then molten aluminium would be deposited at the bottom of the bath.

Smelting Technology

Switzerland and the USA

production of alumina from bauxite.

1900 Annual output 8 thousand tonnes.

1913 Annual output 65 thousand tonnes.

1920 Annual output 128 thousand tonnes.

1938 Annual output 537 thousand tonnes.

1946 Annual output 681 thousand tonnes.

The Bayer process is the principal industrial means of producing alumina, itself important in the Hall-Héroult process for producing aluminum.

Bauxite, the most important ore of aluminum, contains only 40-60% alumina, Al2O3, the rest being a mixture of silica, various iron oxides, and titanium dioxide The alumina must

be purified before it can be refined to aluminum metal In the Bayer process, bauxite is washed with a hot solution of sodium hydroxide, NaOH, at 250°C This converts the alumina

to aluminium hydroxide, Al(OH)3, which dissolves in the hydroxide solution according to the chemical equation

Al 2 O 3 + 2 OH - + 3 H 2 O → 2 [Al(OH) 4 ] The other components of bauxite do not dissolve and can be filtered out as solid impurities Next, the hydroxide solution is cooled, and the aluminium hydroxide dissolved in it precipitates out as a white, fluffy solid When then heated to 1050°C, the aluminium hydroxide decomposes to alumina, giving off water vapor in the process: