Nhôm
Hóa học > 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 Al3+ có số phối trí là 6 hoặc 4. Hầu như mọi hợp chất nhôm (III) không có màu.
Trong dung dịch nước, Al3+ tồn tại dưới dạng cation[Al(H
2O)
6]3+; với giá trị hằng số điện li acid Ka là 10−5. 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 (Al(OH)
3). 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 ([Al(H
2O)
2(OH)
4]−).
Nhôm hydroxide tạo muối và aluminate, đồng thời hòa tan trong acid và base. Đặc tính như trên của Al(OH)
3 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 AlCl
3· 6H
2O mà là [Al(H
2O)
6]Cl
3. 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:
{\ce {2[Al(H2O)6]Cl3 ->[T] Al2O3 + 6 HCl + 9 H2O}}
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. Nhôm(III) chloride (AlCl
3) 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. Các vật liệu này được chế tạo bằng cách xử lý nhôm với halogen. Các muối halide của nhôm tạo thành nhiều hợp chất 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).
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 (AlF
3) 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 một sự sắp xếp bát diện bị méo mó, với mỗi nguyên tử fluor được chia sẻ giữa các góc của hai khối bát diện. Các đơn vị {AlF6} như vậy cũng tồn tại trong các hợp chất florua phức hợp như cryolit, Na
3AlF
6. AlF
3 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.
Nhôm tạo một oxide bền với công thức hóa học Al
2O
3, hay còn gọi là alumina. Có thể tìm thấy alumina trong chất khoáng corundum, α-alumina; pha γ-alumina cũng xuất hiện. 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. 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. Hầu hết được sản xuất từ ​​quặng bằng nhiều quy trình ướt sử dụng axit và bazơ. 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 (MgAl
2O
4), Na-β-alumina (NaAl
11O
17) và tricalci aluminate (Ca
3Al
2O
6, một pha khoáng quan trọng trong xi măng Portland).
Các muối chalcogenide ổn định trong điều kiện bình thường là nhôm sulfide (Al
2S
3), selenide (Al
2Se
3), và telluride (Al
2Te
3). 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.
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).
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 Al
4I
4(NEt
3)
4, sản phẩm cộng vòng được hình thành với triethylamine. Al
2O và Al
2S 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 R
4Al
2, chứa một liên kết Al–Al và một phối tử hữu cơ lớn R, được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.