Phản ứng nhiệt nhôm là gì? Các dạng bài tập về phản ứng nhiệt nhôm

Phản ứng nhiệt nhôm là một dạng phản ứng hóa học được ứng dụng quan trọng trong hóa học chuyên ngành. Đây cũng là một dạng bài tập thường gặp trong chương trình phổ thông môn hóa học lớp 12. Vậy phản ứng nhiệt nhôm là gì? Dưới đây sẽ là những khái niệm liên quan và các dạng bài tập về phản ứng nhiệt nhôm để giúp bạn có thể củng cố lại kiến thức này, tham khảo nhé!

Mục Lục Bài Viết

Phản ứng nhiệt nhôm là gì?

Phản ứng nhiệt nhôm tiếng Anh là Aluminothermic Reaction là một phản ứng hóa học tỏa nhiệt với kim loại nhôm đóng vai trò là chất khử. Nói đơn giản hơn đây là phản ứng hay xảy ra giữa nhôm và các oxit kim loại ở nhiệt độ cao.

Phương trình tổng quát:

Al + oxit kim loại →t∘ oxit nhôm + kim loại

(Hỗn hợp X) (Hỗn hợp Y)

Phản ứng nhiệt nhôm khử oxit kim loại và tỏa nhiệt rất cao

Phản ứng này được dùng để khử oxit kim loại mà không cần sử dụng đến cacbon. Phản ứng này sẽ tỏa nhiệt rất cao trong đó có năng lượng hoạt hóa cao do sự liên kết giữa các nguyên tử chất rắn phải bị phá vỡ trước. Lúc này oxit kim loại sẽ được làm nóng cùng với nhôm trong lò nung. Vì vậy, phản ứng này chỉ có thể được sử dụng để sản xuất ra một lượng nhỏ vật liệu.

Vào năm 1898 nhà hóa học người Đức Hans Goldschmidt đã được cấp bằng sáng chế với cải tiến quy trình nhiệt nhôm. Đó là đốt cháy hỗn hợp bột oxit kim loại mịn và bột nhôm mà không cần làm nóng hỗn hợp từ bên ngoài. Về sau sáng chế phản ứng nhiệt nhôm đã được ứng dụng rộng rãi để hàn đường ray.

Bên cạnh đó, phản ứng này cũng được sử dụng để sản xuất phần lớn lượng hợp kim sắt. Chẳng hạn như sản xuất ferro niobium từ niobium pentoxide và một số kim loại khác cũng được sản xuất dựa theo phương pháp này.

Phản ứng nhiệt nhôm sinh ra kim loại nào?

Phản ứng này được sử dụng lần đầu với mục đích để khử các oxit kim loại. Sau khi nghiên cứu và tìm hiểu thì chúng ta sẽ nắm được quy luật về độ phản ứng mạnh, yếu của kim loại. Cụ thể, trong phản ứng nhôm sẽ đẩy được các kim loại khác ra khỏi oxit nếu thỏa mãn điều kiện đó là các kim loại trung bình hoặc yếu (từ Zn trở đi).

Ví dụ: Phản ứng giữa nhôm (Al) và oxit sắt III (Fe2O3)

2Al + Fe2O3 → t∘ 2Fe + Al2O3

Một số phản ứng khác như:

8 Al + 3Mn304→t∘ 4Al203 + 9Mn

2Al + Cr203 →t∘ Al203 + 2Cr

Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra thế nào?

Phản ứng nhiệt nhôm sẽ xảy ra 2 trường hợp là:

Phản ứng xảy ra hoàn toàn

Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn tùy theo tính chất của hỗn hợp Y tạo thành. Một số đề bài được đặt ra đó là:

Hỗn hợp Y trong phản ứng hóa học với dung dịch bazơ kiềm (NaOH,…) sẽ giải phóng H2→ thì phản ứng này có dư Al.

Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn sẽ đặt hiệu suất 100%

Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch axit kết quả có khí bay ra thì có khả năng hỗn hợp Y đang có chứa (Al2O3 + Kim loại) hoặc (Al2O3 + kim loại + Al) hoặc (Al2O3 + kim loại) + oxit kim loại dư.

Phản ứng không hoàn toàn

Nếu phản ứng nhiệt nhôm xảy ra không hoàn toàn khi đó hỗn hợp Y sẽ gồm có: Al2O3, Al dư, oxit kim loại và oxit kim loại dư.

Các định luật liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm

Các phản ứng nhiệt nhôm tuân theo định luật:

Bảo toàn khối lượng: mhh X = mhh Y (mhh: khối lượng hỗn hợp)
Bảo toàn nguyên tố (mol nguyên tử): n Fe(X) = n Fe (Y); n Al(X) = n Al(Y).

Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm

Để tìm hiểu về hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm ta dựa vào phản ứng hóa học sau:

2yAl + 3MxOy → yAl2O3 + 3xM

Trong đó: M là các kim loại có tính khử yếu và trung bình.

2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe

Trong phản ứng hóa học này các trường hợp sẽ có thể xảy ra là:

Hiệu suất phản ứng H = 100% (nếu phản ứng đó xảy ra hoàn toàn). Nếu trong phản ứng hóa học dung dịch kiềm mà có khí H2 thoát ra, thì sản phẩm đó sẽ có Al dư, thu được kim loại sắt (Fe) và Al2O3.
Hiệu suất H < 100% (nếu phản ứng xảy ra không hoàn toàn). Khi đó sản phẩm thu được sẽ có Al dư, Al2O3, FexOy dư, Fe.

Phản ứng nhiệt nhôm với Cr203

Phản ứng nhiệt nhôm phương trình là: Cr203 + 2Al→t∘ Al203 + 2Cr

Phản ứng nhiệt nhôm với Cr203 lần đầu tiên được sử dụng với mục đích để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon. Đây là phản ứng tỏa ra nhiệt lượng rất cao khoảng 2200 °C. Nhưng đó là một năng lượng hoạt hóa cao do có sự liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn đó phải bị phá vỡ trước.

Một số dạng bài tập về phản ứng nhiệt nhôm kèm lời giải

Dạng bài về phản ứng nhiệt nhôm trong chương trình học phổ thông

Xem thêm:

U là gì trong vật lý lớp 7,8,9? “U” viết tắt là gì? Các ký hiệu khác trong vật lý

Điện toán đám mây là gì? Lợi ích và ví dụ của điện toán đám mây

Bài 1: Khi cho 41,4 gam hỗn hợp X gồm có Fe2O3, Cr2O3 và Al2O3 tác dụng với dung dịch NaOH đặc, dư. Sau phản ứng đó thu được chất rắn có khối lượng 16 gam. Để khử hoàn toàn 41,4g X bằng phản ứng nhiệt nhôm, phải dùng đến 10,8 gam Al. Thành phần theo khối lượng của Cr2O3 trong hỗn hợp X là (giả thiết hiệu suất của các phản ứng là 100%; O = 16; Cr = 52; Al = 27; Fe = 56).

50,67%.
20,33%.
66,67%.
36,71%.

Lời giải:

Khi cho hỗn hợp X tác dụng NaOH ta có các phương trình hóa học sau:

Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O

Cr2O3 + 2NaOH → 2NaCrO2 + H2O

Vì Fe2O3 không phản ứng với dung dịch kiềm cho nên khối lượng chất rắn còn lại chính là Fe2O3.

m Fe2O3 = 16 g, từ đó tính được số mol của oxit sắt III: n Fe2O3 = 16/160 = 0,1 mol

Tiến hành phản ứng nhiệt nhôm cho X:

Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr (1)

Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe (2)

Theo đầu bài cho thì số mol Al cần phản ứng sẽ bằng: nAl = 10.8/27 = 0.4 mol

Theo phương trình 2 khi cân bằng số mol thì nAl = 2*n Fe3O4 = 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 %.

Vậy nên trong phần trắc nghiệm trên ta chọn đáp án là D.

Bài 2: Nung nóng m g hỗn hợp Al và Fe2O3 (môi trường không có không khí) đến khi phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn, thu được hh rắn Y. Chia Y thành hai phần giống nhau:

– Phần 1 cho tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng (dư), sinh ra 3, 08 lít khí H2 (ở điều kiện tiêu chuẩn);

– Phần 2 cho tác dụng với dung dịch NaOH (dư), sinh ra 0,84 lít khí H2 (ở điều kiện tiêu chuẩn).

Giá trị của m là bao nhiêu:

29,40.
21,40.
22,75.
29,43.

Lời giải:

Đầu tiên ta cần xác định được đây là dạng toán phản ứng nhiệt nhôm giữa Al và oxit sắt II. Phương trình phản ứng như sau:

2 Al + Fe2O3 —-> Al2O3 + 2 Fe (1)

Phần 2 cho tác dụng với dung dịch NaOH (dư), sinh ra 0,84 lít khí H2 (ở điều kiện tiêu chuẩn):

Al + H2O + NaOH ——-> Na AlO2 + 3/2H2

x = 0.025 mol

Phần (1) cho tác dụng với H2SO4 ta được các phương trình như sau:

2Al + 3 H2SO4 ——-> Al2(SO4)3 + 3H2

Fe + H2SO4 ——-> FeSO4 + H2

y = 0.1 mol

2Al + Fe2O3 ——–> 2Fe + Al2O3

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 khối lượng của chất rắn là: m = 11,375 * 2 = 22,75 (gam)

Vậy đáp án đúng là C. 22,75 gam

Trên đây là phần khái niệm phản ứng nhiệt nhôm là gì, các định luật, hiệu suất và bài tập ứng dụng của nó. Mong rằng với những chia sẻ này sẽ giúp các em học sinh có thể áp dụng thành công và đạt được kết quả học tập tốt hơn nhé!