Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao, trong đó vai trò của nhôm là chất khử. Phản ứng nhiệt nhôm là gì? Ý nghĩa thực tiễn của phản ứng này trong cuộc sống cũng như những bài tập áp dụng trong chương trình hóa học lớp 12. Tất cả các vấn đề trên sẽ được giải đáp từ website THPT Sóc Trăng books. Hãy cùng tham khảo nhé!
Phản ứng nhiệt nhôm là gì?
Như đã định nghĩa ở đầu bài, phản ứng nhiệt nhôm là một loại phản ứng ở nhiệt độ cao giữa nhôm với oxit hoặc với các chất khác. Với vai trò là chất khử, phản ứng này sinh nhiều nhiệt và tạo ra các đơn chất kim loại. Ta cùng tìm hiểu phản ứng nhiệt nhôm qua một số phương trình giữa nhôm với các axit;
Nhôm phản ứng oxit sắt: 2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe
Đây là phản ứng đặc trưng và có nhiều ứng dụng nhất. Cụ thể là hỗn hợp tạo thành gồm [Fe và Al2O3 dùng để hàn vá đường ray tàu lửa]
Phản ứng nhiệt nhôm điều chế kim loại nào?
Sau khi tìm hiểu dãy hoạt động hóa học của kim loại thì chúng ta đã dần nắm được các qui luật về độ phản ứng mạnh hay yếu của kim loại. Cụ thể trong trường hợp này, nhôm đẩy được các kim loại khác ra khỏi oxit phải thõa mãn điều kiện: Đó phải là các kim loại trung bình hoặc yếu [từ Zn trở đi]. Bạn hoàn toàn có thể dùng dãy hoạt động hóa học để tìm hiểu các kim loại này nếu vẫn chưa nhớ.
Lưu ý khi giải bài tập nhiệt nhôm
Khi tiến hành giải bài tập này, các em học sinh cần phải lưu ý một số điểm quan trọng dưới đây:
+ Nếu hỗn hợp sau khi phản ứng ta cho tác dụng với dung dịch kiềm sinh ra khí H2 thì Al còn dư sau phản ứng nhiệt nhôm hoặc hiệu suất H của phản ứng < 100%. Phản ứng này liên quan đến tính chất của kim loại Al, các em cần phải nắm vững.
+ Khi phản ứng kết thúc mà không thấy khí bay lên thì tức là Al không dư và phản ứng thì xảy ra hoàn toàn
+ Tổng khối lượng hỗn hợp trước phản ứng = tổng khối lượng hỗn hợp sau phản ứng. [Định luật bảo toàn khối lượng]
+ Áp dụng định luật bảo toàn electron.
+ Gỉa thiết cho phản ứng xảy ra hoàn toàn → Thì chất rắn chắc chắn có Al2O3 , Fe và có thể Al hoặc FexOy dư. Gỉa thiết không nói đến hoàn toàn, hoặc bắt tính hiệu xuất thì các bạn nên nhớ đến trường hợp chất rắn sau phản ứng có cả 4 chất Al, FexOy, Al2O3, Fe.
Bài tập phản ứng nhiệt nhôm có lời giải
Câu 1: Khi cho 41,4 gam hỗn hợp X gồm Fe2O3, Cr2O3 và Al2O3 tác dụng với dung dịch NaOH đặc [dư], sau phản ứng thu được chất rắn có khối lượng 16 gam. Để khử hoàn toàn 41,4 gam X bằng phản ứng nhiệt nhôm, phải dùng 10,8 gam Al. Thành phần phần trăm theo khối lượng của Cr2O3 trong hỗn hợp X là [Cho: hiệu suất của các phản ứng là 100%; O = 16; Al = 27; Cr = 52; Fe = 56] [Sưu tầm]
A. 50,67%.
B. 20,33%.
C. 66,67%.
D. 36,71%.
Lời giải:
Khi cho hỗn hợp X tác dụng với NaOH ta thu được các phương trình hóa học sau:
Cr2O3 + 2NaOH → 2NaCrO2+ H2O
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
Vì Fe2O3 không phản ứng với dung dịch kiềm, nên khối lượng chất rắn còn lại là Fe2O3
m Fe2O3 = 16 gam, từ đó tính được số mol của oxit sắt III: → n Fe2O3 = 16/160 = 0,1 mol
Tiến hành phản ứng nhiệt nhôm X:
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr [1]
Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe [2]
0,1 mol
Theo đầu bài cho thì số mol Al cần phản ứng sẽ bằng: nAl = 10.8/27 = 0.4 mol
Theo phương trình số 2 khi cân bằng số mol thì nAl = 2.nFe3O4 = 0,2 mol
Do đó, Số mol còn lại của Al trong phương trình [1] là: nAl [1] = 0.4 – 0.2 = 0.2 mol
Dễ dàng suy ra:
n Cr2O3 = 0.1 mol ——> m = 15.2 gam
Phần trăm oxit crom trong hỗn hợp là: % Cr2O3 = 15.2 / 41.4 = 36.71 % —-> Chọn đáp án trắc nghiệm là D.
Câu 2: Nung nóng m gam hỗn hợp Al và Fe2O3 [trong môi trường không có không khí] đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp rắn Y. Chia Y thành hai phần bằng nhau: – Phần 1 tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng [dư], sinh ra 3,08 lít khí H2 [ở đktc]; – Phần 2 tác dụng với dung dịch NaOH [dư], sinh ra 0,84 lít khí H2 [ở đktc].
Giá trị của m là
A. 22,75
B. 21,40.
C. 29,40.
D. 29,43.
Lời giải:
Đầu tiên ta xác định được đây là dạng toán liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm giữa Al và oxit sắt II. Phương trình phản ứng:
2Al + Fe2O3 —-> Al2O3 + 2Fe [1]
Phần 2 tác dụng với dung dịch NaOH [dư], sinh ra 0,84 lít khí H2 [ở đktc]:
Al + NaOH + H2O NaAlO2 + 3/2H2
x 1.5 x mol
x = 0.025 mol
Phần [1] tác dụng với H2SO4 ta được các phương trình sau:
2Al + 3H2SO4 ————-> Al2[SO4]3 + 3H2
0.025 0.0375
Fe + H2SO4 l ——————-> FeSO4 + H2
y = 0.1 mol
2Al + Fe2O3 —————–> Al2O3 + 2Fe [1]
0.1 mol 0.05 mol 0.1 mol
Khối lượng của Al : m [Al] = [0,1 +0,025].27 = 3,375
Khối lượng của Fe2O3 : m[Fe2O3] = 0,05.160 = 8 →
Suy ra tổng khối lượng của chất rắn là: m = 11,375.2 = 22,75 [gam]
Vậy đáp án đúng của bài tập này là A. 22,75 gam
Vừa rồi chúng ta vừa tìm hiểu xong 2 bài tập nhiệt nhôm tổng quát nhất. Để học tốt chuyên đề này chúng ta cần nhớ rõ lý thuyết nhiệt nhôm cũng như một số ý tưởng trong 2 bài tập trên cũng như một số phản ứng phụ giữa kiềm với nhôm và các hợp chất của nhôm. Phản ứng nhiệt nhôm không chỉ là những bài tập hay mà còn cung cấp hàng loạt câu hỏi lý thuyết liên quan đến ứng dụng của phương trình này. Chúc các em học tốt.
Đăng bởi: THPT Sóc Trăng
Chuyên mục: Giáo dục
Bản quyền bài viết thuộc trường trung học phổ thông Sóc Trăng. Mọi hành vi sao chép đều là gian lận.
Nguồn chia sẻ: Trường THPT Thành Phố Sóc Trăng [thptsoctrang.edu.vn]
Phản ứng nhiệt nhôm là một phản ứng hóa học có ứng dụng quan trọng trong hóa học chuyên ngành. Đây là một phản ứng tuy quen mà lại, tuy lạ mà quen. Tuy nhiên không phải ai cũng nắm rõ bản chất thực sự của nó. Chắc chắn trong đó có sự có mặt của nhôm. Tuy nhiên, ngoài nhôm thì có những chất hóa học nào tham gia? Ứng dụng của nó là gì? Bài viết hôm nay chủ đề xoay quanh loại phản ứng này và sẽ làm rõ các vấn đề trên. Mời quý bạn đọc theo dõi chi tiết hơn ngay dưới đây nhé!
I. Phản ứng nhiệt nhôm
1. Phản ứng nhiệt nhôm là gì?
Trước hết, phản ứng nhiệt nhôm [tiếng Anh là aluminothermic reaction] là một phản ứng hóa học tỏa nhiệt, trong đó nhôm đóng vai trò là chất khử. Nói dễ hiểu hơn, đây là phản ứng thường giữa nhôm với các oxit kim loại. Phản ứng tỏa nhiều nhiệt, tạo ra các đơn chất kim loại và nhôm oxit.
2. Ví dụ phản ứng nhiệt nhôm
Một trong những phản ứng nhiệt – nhôm phổ biến và được biết đến nhiều nhất là phản ứng giữa Al với oxit sắt:
Fe2O3 + 2Al → 2 Fe + Al2O3
2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe
Ngoài ra, một số phản ứng quan trong khác như:
3CuO + 2 Al → Al2O3 + 3Cu
8Al + 3Fe3O4 → 4 Al2O3 + 9Fe
3Mn3O4 + 8Al → 4 Al2O3 + 9Mn
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr
Các phản ứng trên đều là phản ứng oxi hóa khử với nhôm là chất khử và các oxit kim loại là chất oxi hóa.
II. Đặc điểm của phản ứng nhiệt nhôm
Phản ứng này được sử dụng lần đầu tiên để khử các oxit kim loại mà không dùng cacbon. Phản ứng này tỏa nhiệt lượng lớn nhưng nó cũng cần một năng lượng hoạt hóa lớn do cần phải phá vỡ các kết giữa các nguyên tử, trong đó có liên kết kim loại.
Trong quá trình này, nhôm được đun nóng với các oxit kim loại trong lò đun. Để quá trình diễn ra thuận lợi, nhôm và các oxit kim loại được làm mịn thành bột và hỗn hợp sau đó được đốt cháy. Quá trình cải tiến này được thực hiện bởi Hans Goldchmidt và được cấp bằng sáng chế vào năm 1898.
III. Ứng dụng của phản ứng nhiệt nhôm
Ứng dụng của phản ứng nhiệt nhôm được biết đến nhiều nhất là để hàn vá đường ray tàu hỏa.
Ngoài ra, trong phản ứng này nhôm đóng vai trò chất khử để khử các oxit của kim loại yếu hơn trong dãy hoạt động hóa học của kim loại. Ứng dụng của phản ứng này có thể dùng để điều chế các kim loại.
Phản ứng này cũng được dùng để sản xuất phần lớn hợp kim sắt như ferroniobium từ niobium pentoxide và ferrovanadium [FeV] từ Vanadi oxide [V2O5].
IV. Lưu ý khi giải bài tập phản ứng nhiệt – nhôm
1. Các trường hợp phản ứng xảy ra
Giả xử hỗn hợp X [gồm Al và oxit kim loại] tham gia phản ứng, kết quả tạo ra hỗn hợp Y. Có hai trường hợp có thể xảy ra. Đó là phản ứng xảy ra hoàn toàn và phản ứng xảy ra không hoàn toàn.
1.1. Phản ứng xảy ra hoàn toàn
Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, một số đề bài sau đây có thể được đặt ra:
- Hỗn hợp Y chứa 2 kim loại → Gồm Al dư, kim loại mới được tạo ra, oxit kim loại hết.
- Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch kiềm giải phóng khí H2 → Chứng tó Al dư.
- Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch axit có khí sinh ra → Hỗn hợp Y có thể là hỗn hợp chứa [Al2O3 và kim loại mới] hoặc [Al2O3, Al và kim loại mới] hoặc [Al2O3, kim loại mới và oxit kim loại còn dư].
1.2. Phản ứng xảy ra không hoàn toàn
Nếu phản ứng xảy ra không hoàn toàn, khi đó hỗn hợp Y sẽ bao gồm Al dư, Al2O3, oxit kim loại dư, kim loại mới tạo ra.
2. Định luật liên quan phản ứng nhiệt nhôm
PƯ nhiệt nhôm tuân theo định luận bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn nguyên tố [mol nguyên tử].
mhhX = mhhY
nFe[X] = nFe[Y] và nAl[X] =nAl[Y]
3. Lưu ý khi giải bài tập
Khi giải bài tập, các bạn cần lưu ý một số điểm sau:
– Nếu hỗn hợp sau phản ứng tác dụng với kiềm sinh ra khí hidro [H2] thì Al còn dư hoặc hiệu suất của phản ứng thấp hơn 100%. Khi đó, Al dư sẽ phản ứng với kiềm theo phương trình hóa học sau [ví dụ với NaOH]:
2Al + 2H2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + 3H2↑
– Nếu hỗn hợp sau phản ứng tác dụng với kiềm không sinh ra khí hidro [H2] thì Al phản ứng hết và phản ứng xảy ra hoàn toàn.
– Nếu đề bài cho phản ứng xảy ra hoàn toàn thì chắc chắn sẽ sinh ra Al2O3 và kim loại mới. Tuy nhiên Al hoặc oxit kim loại tham gia phản ứng vẫn có thể còn dư, các bạn cần lưu ý.
– Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng hoặc định luật bảo toàn electron để giải bài tập.
Lời kết
Có thể nói phản ứng nhiệt nhôm là một trong những phát minh có ý nghĩa của ngành hóa học. Tuy phản ứng khá đơn giản nhưng nó lại có tầm quan trọng rất lớn trong sản xuất và công nghiệp. Thay vì dùng khí H2 hoặc CO để khử các oxit kim loại thì chúng ta có thể dùng Al như đã trình bày ở trên. Trong phản ứng này, các bạn cần lưu ý đây là một phản ứng tỏa nhiều nhiệt nhưng cần cung cấp năng lượng ban đầu. Và các bạn cần lưu ý sản phẩm của phản ứng để giải bài tập chính xác nhé. Hãy bỏ túi những phương trình hóa học ở trên, biết đâu một ngày nào đó bạn lại dùng đến nó khi đụng đến hóa học chuyên ngành. Chúc các bạn luôn yêu hóa học nhé!