Phản ứng nhiệt nhôm là kiến thức quan trọng của Hóa học 12, bài viết này tổng hợp toàn bộ kiến thức lý thuyết, bài tập, bài giải của phản ứng nhiệt nhôm.
Lý thuyết về phản ứng nhiệt nhôm
Khái niệm và định luật của phản ứng nhiệt nhôm
Khái niệm
Phản ứng nhiệt nhôm được định nghĩa là phản ứng hóa học tỏa nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở trong nhiệt độ cao.
Phương trình tổng quát:
Al + oxit kim loại →t∘ oxit nhôm + kim loại
(Hỗn hợp X) (Hỗn hợp Y)
Phản ứng này đã được sử dụng để khử oxit kim loại mà không dùng đến cacbon. Phản ứng này thường tỏa nhiệt rất cao, nhưng trong đó có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn phải được phá vỡ trước. Lúc này thì oxit kim loại được đun nóng với nhôm trong một lò đun. Phản ứng này chỉ có thể sử dụng để sản xuất ra số lượng nhỏ vật liệu.
Hans Goldschmidt đã cải tiến quy trình nhiệt nhôm (1893 – 1898), bằng cách đốt cháy hỗn hợp của bột oxit kim loại mịn và bột nhôm bằng một phản ứng khởi động trong đó đã không làm nóng hỗn hợp từ bên ngoài. Phương pháp này đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1898 và được sử dụng rộng rãi trong các năm sau để hàn đường sắt. Các phản ứng này còn được ứng dụng để hàn đường sắt tại chỗ. Bởi vì điều này hữu ích cho việc cài đặt phức tạp hoặc sửa chữa tại chỗ khi không phải sử dụng cách hàn đường sắt liên.
Bên cạnh đó thì phản ứng này cũng được dùng để sản xuất phần lớn các hợp kim sắt, ví dụ như ferroniobium từ niobium pentoxide. Một số kim loại khác cũng đã được sản xuất theo phương pháp này.
Ví dụ: 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).
Ta dựa theo dãy hoạt động hóa học để xác định điều này:
Phản ứng nhiệt nhôm thường gặp
Ví dụ nổi bật nhất là phản ứng giữa oxit sắt III (Fe2O3) và nhôm (Al):
2Al+Fe2O3→t∘2Fe+Al2O3
Một số phản ứng khác như:
8Al+3Mn304→t∘4Al203+9Mn
Cr203+2Al→t∘Al203+2Cr
Các trường hợp xảy ra phản ứng nhiệt nhôm
Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, tùy theo tính chất hỗn hợp Y tạo thành để biện luận. Ví dụ:
– Hỗn hợp Y chứa 2 kim loại → Al dư, oxit kim loại hết.
– Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch bazơ kiềm (NaOH,…) giải phóng H2→ có Al dư.
– Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch axit có khí bay ra thì có khả năng hỗn hợp Y chứa (Al2O3+Fe) hoặc (Al2O3+Fe+Al) hoặc (Al2O3+Fe) + oxit kim loại dư.
Phản ứng xảy ra không hoàn toàn
Nếu phản ứng xảy ra không hoàn toàn, hỗn hợp Y gồm Al2O3,Fe,Aldư và Fe2O3 dư.
Dạng bài tập và phương pháp giải của phản ứng nhiệt nhôm
Trọng phạm vi chương trình Hóa học 12, phản ứng nhiệt nhôm có những dạng bài tập sau đây:
Dạng bài tập và phương pháp giải
Dạng 1: Bài toán có hiệu suất phản ứng không hoàn toàn trong phản ứng nhiệt nhôm
* Phương pháp giải chung
Phản ứng: 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe
– Hiệu suất phản ứng H = %Alphản ứng hoặc = % Fe2O3phản ứng
– Hỗn hợp X sau phản ứng gồm: Al2O3, Fe, Al dư, Fe2O3 thường được cho vào
+ Tác dụng với dung dịch axit (HCl, H2SO4 loãng) tạo khí H2
Fe + 2H+ -> Fe2+ + H2 (1)
2Al + 6H+ -> 2Al3+ + 3H2 (2)
=> nH2 = nFe + nAldư
+ Nếu hỗn hợp X tác dụng với dung dịch NaOH thì Al và Al2O3 bị phản ứng
2Al dư + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4]
Dạng 2: Bài toán nhiệt nhôm với hiệu suất H = 100%
* Phương pháp giải chung
– Bước 1: Cần xác định được Al dư hay oxit kim loại dư, trường hợp nếu cho khối lượng hỗn hợp cần xét các trường hợp Al dư và Al hết
– Bước 2:
+ Dựa vào các dữ kiện của bài toán thường gặp là hỗn hợp sau phản ứng tác dụng với dung dịch NaOH hoặc dung dịch axit (HCl, H2SO4) tính số mol chất dư và số mol các chất phản ứng.
+ Vận dụng bảo toàn nguyên tố Al, Fe, O, bảo toàn khối lượng hoặc bảo toàn electron các các phản để tính toán
– Bước 3: Tính toán theo yêu cầu của bài toán
Bài toán và bài giải cụ thể
Dạng 1
Bài toán: Nung nóng m gam hỗn hợp Al và Fe2O3 (trong điều kiện 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). Tính giá trị của m?
Dạng 2
Bài toán: Tiến hành nhiệt nhôm hỗn hợp X gồm 0,12 mol Al và 0,04 mol Fe3O4 (không có không khí) một thời gian thu được hỗn hợp rắn Y. Cho Y vào dung dịch HCl thấy sau khi phản ứng xong thu được 0,135 mol khí H2 và còn m gam chất rắn là Fe chưa tan hết. Giá trị của m là:
Lưu ý khi giải bài toán phản ứng nhiệt nhôm
Khi tiến hành giải bài tập phản ứng nhiệt nhôm, ta cần phải lưu ý một số điểm quan trọng sau:
+ 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.
+ Giả 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.
Tổng kết
Hi vọng thông qua bài viết này của congthuctoanlyhoa , các bạn đã có thể hiểu được cả lý thuyết và bài tập của phần kiến thức phản ứng nhiệt nhôm, từ đó áp dụng cho cả việc học và trong cuộc sống hằng ngày.