Nhôm được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như kiến trúc xây dựng, năng lượng mặt trời, hàng không vũ trụ đến dân dụng. Vì những đặc tính, tính chất có sẵn trong nhôm như bền và nhẹ mà loại vật liệu này dần thay thế thép, đồng và những vật liệu cũ.
Trong ngành ô tô và xe máy nói riêng, ngành vận tải nói chung, nhôm giúp cấu tạo của bộ khung các loại xe trở nên cứng cáp, nhẹ hơn rất nhiều so với sắt và đồng.
Tính chất vật lý và hóa học của nhôm
Tính chất vật lý của nhôm
Đặc điểm của nhôm là có cấu trúc mạng lập phương tâm diện. Ngoài ra, khi nhắc tới tính chất của nhôm, và cụ thể là tính chất vật lý, ta không thể không nhắc tới tính dẫn điện của nhôm hay dẫn nhiệt tốt của hợp chất này. Nhôm nóng chảy ở nhiệt độ 6600C.
Bằng mắt thường, ta có thể thấy nhôm có màu trắng bạc, cứng, bền và dai. Người ta có thể dễ dàng kéo sợi hay dát mỏng nhôm. Khối lượng riêng của nhôm là 2,7g/ cm³.
Tính chất hóa học và hợp chất có trong nhôm
Những tính chất hóa học của nhôm cơ bản dưới đây sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nhôm phản ứng được với chất nào và trong nhôm có những hợp chất nào nhé.
Tác dụng với các phi kim
Trên thực tế, các vật liệu được làm từ nhôm đều có một lớp oxit bảo vệ trên bề mặt. Nhôm phản ứng được với oxi trên bề mặt. Vì khi phản ứng, nhôm sẽ tạo ra một lớp màng oxit bao phủ bề mặt. Qua đó bảo vệ và ngăn cản nhôm tác dụng với oxi để tạo ra oxit.
- 2Al + 3O2 => Al2O3
Al2O3 là một oxit lưỡng tính, vì thế tính chất hóa học của Al2O3 sẽ thuộc dạng một oxit lưỡng tính. Tức là nó có thể phản ứng với cả axit và bazơ.
Bên cạnh đó, nhôm còn phản ứng được với các phi kim khác để tạo ra muối.
Ví dụ:
- 2Al + 3Cl2 => 2AlCl3
- 2Al + 3S => Al2S3
Tác dụng với nước
Trên thực tế, Al sẽ không phản ứng được với nước vì được bảo vệ bởi lớp oxit mỏng. Khi lớp oxit được phá bỏ, nguyên tố al phản ứng trực tiếp với nước.
2Al + 6H2O => 2Al(OH)3 + 3H2
Tác dụng với oxit của kim loại kém hoạt động hơn (phản ứng nhiệt nhôm)
Al có thể khử được oxit của các kim loại đứng sau nó trong dãy hoạt động hóa học:
2Al + 3FeO => Al2O3 + 3Fe
Tác dụng với dung dịch axit
Với các axit khác nhau, nhôm sẽ có phản ứng khác nhau.
Cụ thể:
- Với các axit HCl và H2SO4 loãng, nhôm có thể dễ dàng phản ứng và tạo ra muối và hidro: 2Al + 6HCl => 2AlCl3 + 3H2
- Với H2SO4 loãng: 2Al + 3H2SO4 => Al2(SO4)3 + 3H2
- Với các axit có tính oxi hóa mạnh như HNO3 hoặc H2SO4 đậm đặc:
- Al + 4HNO3 => Al(NO3)3 + NO + 2H2O
- Al + 6HNO3 => Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
- 2Al + 6H2SO4 => Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Tác dụng với dung dịch bazơ
Al có thể dễ dàng tham gia những phản ứng với các dung dịch kiềm:
Al + NaOH + H2O => NaAlO2 + 1,5H2
Trước tiên, Al tham gia phản ứng với nước sau đó sẽ sinh ra Al(OH)3. Đây là một hidroxit lưỡng tính có thể tan được trong dung dịch kiềm.
Tác dụng với dung dịch muối
Al có thể đẩy được kim loại đứng sau trong dãy hoạt động kim loại ra khỏi dung dịch muối của chúng:
2Al + 3CuSO4 => Al2(SO4)3 + 3Cu
Phản ứng nhiệt nhôm
Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học tỏa nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở nhiệt độ cao. Ví dụ nổi bật nhất là phản ứng nhiệt nhôm giữa oxit sắt III và nhôm:
- Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3
Một số phản ứng khác như:
- 3CuO + 2Al → Al2O3 + 3Cu
- 8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe
- 3Mn3O4 + 8Al → 4Al2O3 + 9Mn
- Cr2O3 + 2Al→ Al2O3 + 2Cr
Phản ứng này lần đầu tiên được sử dụng để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon. Phản ứng này toả nhiệt rất cao, nhưng nó có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn phải được phá vỡ trước. Oxit kim loại được đun nóng với nhôm trong một lò đun. Phản ứng này chỉ có thể sử dụng để sản xuất số lượng nhỏ vật liệu.
Phản ứng nhiệt nhôm còn được sử dụng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm hay Von farm). Do tính chất thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội, người ta sẽ sử dụng thùng nhôm để chuyên chở hai loại axit này.
Người ta thường sử dụng các phản ứng này để hàn đường sắt tại chỗ, hữu ích cho việc cài đặt phức tạp hoặc sửa chữa tại chỗ mà không thể được thực hiện bằng cách sử dụng cách hàn đường sắt liên. Phản ứng nhiệt nhôm cũng được sử dụng để sản xuất phần lớn hợp kim sắt, ví dụ như ferro niobium từ niobium pentoxide và ferrovanadium từ Vanadi oxit. Các kim loại khác cũng được sản xuất bằng phương pháp này.
Ưu điểm của nhôm trong sản xuất ô tô
Ưu điểm khiến nhôm được sử dụng ngày càng nhiều trong xe thể thao là bởi nó nhẹ hơn thép 40%, điều này giúp xe tăng tốc nhanh hơn đồng thời quãng phanh ngắn hơn. Ngoài ra nhôm còn rất khó bị ăn mòn, có thể tái chế 100% và có thể chế tạo theo nhiều phương pháp.
Trong những mẫu xe công suất cao, lý do chính của việc sử dụng nhôm là độ an toàn. Do tốc độ chuyển động nhanh hơn, tai nạn đối với xe thể thao thường nghiêm trọng hơn. Ưu thế của nhôm nằm ở chỗ nó khả năng phản ứng lại với các lực va chạm nên rất dễ xác định ảnh hưởng khi lực va đập. Vì thế, các nhà thiết kế có thể dựa vào đặc tính này để thiết kế các khu vực hấp thụ xung lực hay tránh cho lực tác động lên vị trí của người ngồi trong xe, giúp hạn chế tai nạn.
Mặt khác, nhôm là một kim loại nhẹ có độ cứng khá tốt hiện nay, một trong các thế mạnh của hợp kim nhôm là độ chống xoắn cao. Ưu điểm này được đánh giá cao hơn trong quá trình đúc ép tạo hình đa ngăn. Một thanh nhôm được thiết kế với nhiều ngăn bên trong sẽ làm tăng độ chắc chắn và độ cứng. Điều này góp phần làm ổn định chiếc xe hơn khi vào cua và sự phân bổ sức mạnh đến các bánh xe đang vận hành hợp lý hơn.
Ứng dụng nhôm trong ngành ô tô, xe máy
Xe hơi là loại phương tiện phổ biến nhất trên thế giới. Vật liệu chính được sử dụng trong xe ô tô là thép. Tuy nhiên, khi ngành công nghiệp ô tô bắt đầu quan tâm nhiều hơn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm lượng phát thải khí CO2, nhôm đóng vai trò ngày càng quan trọng trong những chiếc xe ô tô hiện đại.
Ngành công nghiệp ô tô toàn cầu (ngoại trừ Trung Quốc) tiêu thụ 2.87 triệu tấn nhôm năm 2014 và tăng lên khoảng 4.49 triệu tấn vào năm 2020. Các nguyên nhân chính của sự tăng trưởng này bao gồm gia tăng sản xuất ô tô và việc sử dụng nhôm rộng rãi hơn trong sản xuất ô tô.
Mỗi ki-lô-gam nhôm được sử dụng trong ô tô giảm 1 ki-lô-gam trọng lượng chung của xe. Vì lý do này, ngày càng nhiều bộ phận xe ô tô được làm từ nhôm: bộ tản nhiệt động cơ xe, bánh xe, hệ thống treo, khối xi-lanh động cơ, hộp số và các bộ phận trên thân xe như mui xe, cửa và thậm chí cả khung xe.
Kết quả là, tỷ trọng nhôm trong trọng lượng tổng thể của một chiếc ô tô trung bình đã không ngừng tăng lên: từ 35kg vào những năm 1970 lên 152kg trong năm vừa qua. Các chuyên gia dự đoán đến năm 2025, hàm lượng nhôm trung bình trong ô tô sẽ đạt 250 kg.
Ngoài ra, nhôm có một đặc tính là khả năng hấp thụ sốc rất tốt, hiệu quả gấp đôi so với thép. Vì lý do này, các nhà sản xuất ô tô từ lâu đã sử dụng nhôm trong các tấm cản bảo vệ xe. Một lý do khác tại sao thân vỏ xe ô tô làm bằng nhôm vượt trội hơn thép về độ an toàn là vì khi các bộ phận bằng nhôm bị uốn cong hoặc biến dạng cục bộ khi chịu lực tác dụng tại các khu vực va chạm thì các bộ phận còn lại trên thân vỏ xe vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu, đảm bảo an toàn cho các cấu kiện bên trong ô tô.
Các chuyên gia khẳng định rằng trong 10 năm tới, các nhà sản xuất ô tô sẽ mở rộng việc sử dụng nhôm trong các mẫu xe. Đồng thời, các công ty sản xuất ô tô hiện nay đang đàm phán với các công ty sản xuất nhôm để xây dựng các cơ sở sản xuất khép kín. Tại đó, những chiếc xe ô tô mới sẽ được sản xuất từ các bộ phận làm bằng nhôm tái chế, lấy từ những chiếc xe cũ không còn sử dụng. Nếu thành công, đây sẽ là một mô hình sản xuất ô tô thân thiện với môi trường, đảm bảo sự phát triển bền vững.
