PHẢN ỨNG NHIỆT NHÔM

Hỗn hợp rắn này khi cho tác dụng với dung dịch bazo kiềm sẽ không cho khí hidro bay ra Trường hợp 2: Phản ứng diễn ra không hoàn toàn H< 100% khi đó đặt số mol phản ứng theo một biến mới

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP PHẢN ỨNG NHIỆT NHÔM

1 Cơ sở

Nhiệt nhôm là phương pháp điều chế kim loại bằng cách dùng Al để khử oxit kim loại thành kim loại ở nhiệt độ cao trong điều kiện không có không khí

2xAl + 3M x O y  y Al 2 O 3 + 3xM

2 Phạm vi áp dụng

- Phản ứng nhiệt nhôm chỉ sử dụng khi khử các oxit kim loại trung bình và yếu như: oxit sắt

(FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) oxit đồng, oxit chì ….

- Không sử dụng phương pháp này để khử các oxit kim loại mạnh như MgO, Al 2 O 3

3 Mối quan hệ giữa khối lượng chất rắn trước phản ứng và khối lượng chất rắn sau phản ứng

Trong quá trình nhiệt nhôm các chất trước phản ứng và sau phản ứng đều là các chất rắn (các kim loại và oxit kim loại)

Như vậy: Khối lượng chất rắn trước phản ứng = khối lượng chất rắn sau phản ứng

4 Hiệu suất trong phản ứng nhiệt nhôm

Giả sử tiến hành phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp bột gồm Al = x (mol) và Fe 2 O 3 = y (mol) theo phương trình

2Al + Fe 2 O 3  Al 2 O 3 + 2Fe (*)

Trường hợp 1: Phản ứng diễn ra hoàn toàn (H= 100%) Khi đó có 2 khả năng

- Nếu Al dư chất rắn sau phản ứng gồm Al = x- 2y (mol) ; Al 2 O 3 = y (mol) và Fe = 2y (mol) Hỗn hợp chất rắn này khi cho tác dụng với dung dịch bazo kiềm sẽ có khí H 2 bay ra

- Nếu Al hết chất rắn sau phản ứng gồm Fe 2 O 3 = y- 0,5x (mol); Al 2 O 3 = 0,5x (mol) và Fe = 2x (mol) Hỗn hợp rắn này khi cho tác dụng với dung dịch bazo kiềm sẽ không cho khí hidro bay ra

Trường hợp 2: Phản ứng diễn ra không hoàn toàn (H< 100%) khi đó đặt số mol phản ứng theo một biến mới Chất rắn sau phản ứng gồm 4 chất rắn Al, Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 và Fe

5 Bài toán chia chất rắn sau phản ứng nhiệt nhôm thành hai phần khác nhau

Xét quá trình nhiệt nhôm diễn ra theo phản ứng (*): giả sử phản ứng diễn ra hoàn toàn Al dư, chất rắn sau phản ứng chia thành 2 phần có khối lượng khác nhau

- Gọi số mol các chất trong phần 1 là Al = a mol; Al 2 O 3 = b mol và Fe = 2b mol

- Gọi số mol các chất trong phần 2 là Al =ka (mol); Al 2 O 3 = kb mol và Fe = 2kb mol

Chú ý:

- Không nên đặt số mol các chất trước khi tham gia phản ứng nhiệt nhôm

- Tỉ lệ số mol của các chất sản phẩm = tỉ lệ các hệ số trong phương trình phản ứng nhiệt nhôm

6 Bài tập vận dụng

Câu 1 (TN- 14): Sản phẩm của phản ứng nhiệt nhôm luôn có

Hướng dẫn

Phản ứng nhiệt nhôm

2xAl + 3M x O y  y Al 2 O 3 + 3xM

Sản phẩm luôn có Al2O3

Câu 2: Dùng m gam Al để khử hết 1,6g Fe2O3 (phản ứng nhiệt nhôm) Sản phẩm sau phản ứng tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH tạo 0,672 lít khí (đktc) Tính m

Hướng dẫn

Có các phản ứng

2Al + Fe2O3  Al2O3 + 2Fe

0,02 0,01

Al2O3 + 2NaOH  2NaAlO2 + H2O

Al dư + NaOH + H2O  NaAlO2 + 3/2 H2

0,02 0,03

=> mAl = 0,04 27 = 1,08g

Câu 3: Cần bao nhiêu gam bột nhôm để có thể điều chế được 78g Crom từ Cr2O3 bằng phương phpá nhiệt nhôm

Hướng dẫn

2Al + Cr2O3  2Cr + Al2O3

78.54/ 104= 40,5

Câu 3: Cho 26,8g hỗn hợp bột X gồm: Al và Fe2O3 tiến hành phản ứng nhiệt nhôm cho tới khi hoàn toàn (giả sử chỉ xảy ra phản ưgns khử Fe2O3 thành Fe) hỗn hợp sau phản ứng cho tác dụng với lượng

dư dung dịch HCl được 11,2 lít H2 (đktc) Khối lượng Al trong X là:

Hướng dẫn

2Al + Fe2O3  Al2O3 + 2Fe

x 0,5x 0,5x x

Al dư + 3HCl  AlCl3 + 3/2 H2

a 1,5a

Fe + 2HCl  FeCl2 + H2

x x

Theo phương trình và đề bài ta có

nAl = 0,4 mol => mAl = 10,8g

Câu 4: Phản ứng hóa học xảy ra trong trường hợp nào dưới đây không thuộc loại phản ứng nhiệt

nhôm

A Al tác dụng với Fe3O4 nung nóng B Al tác dụng với CuO nung nóng

C.Al tác dụng với Fe2O3 nung nóng D Al tác dụng với H 2 SO 4 đặc nóng

Hướng dẫn

Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng giữa bột nhôm với oxit kim loại Do đó, Al tác dụng với

H2SO4 đặc, nóng không thuộc phản ứng nhiệt nhôm

Câu 5: Dãy gồm các oxit đều bị Al khử ở nhiệt độ cao là:

C Fe3O4, SnO, BaO D PbO, K2O, SnO

Hướng dẫn

Các oxit bị Al khử ở nhiệt độ cao là các kim loại có tính khử trung bình yếu, như FeO, CuO, Cr2O3

3FeO + 2Al  3Fe + Al2O3

3CuO + 2Al  3Cu + Al2O3

Cr2O3 + 2Al  2Cr + Al2O3

Chú ý : Các oxit MgO, BaO, K2O không bị khử bởi Al

Câu 6: Nung 21,4g hỗn hợp A gồm bột Al và Fe2O3 (trong bình kín không có không khí), thu được hỗn hợp B gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 và Al dư Cho B tác dụng với dung dịch HCl dư được dung dịch C Cho C tác dụng với dung dịch NaOH dư được kết tủa D Nung D trong không khí đến khối lượng không đổi thu được 16g chất rắn Khối lượng Al trong hỗn hợp A là:

A 4,4g B 5,4g C 10,8g D 2,7g

Hướng dẫn

Ta có sơ đồ biến hóa của nguyên tố sắt trong các thí nghiệm trên

↑ ↓

Fe(OH)2, Fe(OH)3 Fe3+, Fe2+

Theo định luật bảo toàn nguyên tố, suy ra

2 3

e

F O

m = 16g => mAl = 21,4- 16= 5,4g

Câu 7: 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 2 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:

Hướng dẫn

Theo bài ra n H2(1)= 3,08/22,4= 0,1375 mol

2

H

n (2) = 0,84/ 22,4= 0,0375 (mol)

Phản ứng nhiệt nhôm: 2Al dư + Fe2O3  2Fe + Al2O3

Trường hợp sau phản ứng có: Fe, Al2O3, Al dư (vì hỗn hợp này sau phản ứng tác dụng với NaOH ttạo

ra khí H2 ) ( Fe2O3 phản ứng hết vì phản ứng xảy ra hoàn toàn)

Phần 1: Fe + H2SO4 (l)  FeSO4 + H2

x x

2Al + 3 H2SO4 (l)  Al2(SO4)3 + 3H2

y 1,5y

Ta có : x+ 1,5y = 0,1375 (1)

Phần 2: 2Al + 2NaOH + 6H2O  2Na[Al(OH)4] + 3H2

y 1,5y

Ta có 1,5y = 0,0375 (2)

Theo (1,2) ta có x= 0,1; y= 0,25

Theo phương trình phản ứng nhiệt nhôm

2 3

e

F O

n = ½ nFe= ½ x= ½.0.1= 0,05 (mol)

=> m F Oe 2 3= 0,05 160= 8g

nAl (phản ứng) = nFe = 0,1mol => mAl (bđ)= mAl dư + mAl phản ứng= (0,025+ 0,1) 27 = 3,375 (g)

Vậy m= 2(m F Oe 2 3+ mAl)= 2(8+ 3,375)= 22,75 g

Câu 8: Nung hỗn hợp bột gồm Al và Fe2O3 ( trong điều kiện không có oxi) thu được hỗn hợp chất rắn X Chia X thành 2 phần bằng nhau:

- Cho phần 1 vào dung dịch HCl dư thu được 7,84 lít khí H2 (đktc)

- Cho phần 2: vào dung dịch NaOH dư thu được 3,36 lít khí H2 (đktc)

Biết rằng các phản ưgns đều xảy ra hoàn toàn, phần trăm khối lượng của Fe trong X là:

Hướng dẫn

Theo bài ra : n H2(phần 1) = 0,35 mol; n H2(phần 2)= 0,15mol

Vì X + NaOH (dd) tạo ra khí H2 => Al còn dư (Fe2O3 hết; X gồm Fe, Al2O3 và Al dư)

2Al + Fe2O3  Al2O3 + 2Fe

Số mol Al dư (trong X ) là y => số mol Al ban đầu là (2x+y) mol

Phần 1: Fe + 2HCl  FeCl2 + H2

2x 2x

Al + 3HCl  AlCl3 + 1,5H2

y 1,5y

=> 2x+ 1,5y = 0,35.2 => 2x + 1,5y = 0,7 (1)

Phần 2: Al + NaOH + 3H2O  NaAlO2 + 1,5H2

=> 1,5y = 0,15.2 = 0,3 (2)

Từ (1, 2) => x= 0,2; y= 0,2

Khối lượng hỗn hợp X: mX = 2 0,2 56 + 0,2 27 + 0,2 102= 48,2g

Vậy % của Fe trong hỗn hợp X = (2 0,2 56 100)/ 48,2= 46,47%

Câu 9: Trộn 10,8g bột Al với 34,8g bột Fe3O4 rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm trong điều kiện không có không khí Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp rắn sau phản ứng bằng dung dịch H2SO4 loãng dư, thu được 10,52 lít khí H2 (đktc) Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm là:

Hướng dẫn

Coi phản ứng xảy ra:

8Al + 3Fe3O4  9Fe + 4Al2O3

Ban đầu 0,4 0,15

Phản ứng x 3x/8 9x/ 8

Còn (0,4-x) 0 9x/8

2Al + 3H2SO4  Al2(SO4)3 + 3H2

(0,4-x) 1,5 (0,4-x)

Fe + H2SO4  FeSO4 + H2

9x/8 9x/8

Ta có: 1,5 (0,4-x) + 9x/8= 0,48 => 12(0,4-x) + 9x= 3,84

 3x= 0,96 => x= 0,32

Vậy hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm: H= x 100/0,4= 80%

Câu 10: Nung nóng m gam hỗn hợp gồm Al và Fe3O4 trong điều kiện không có không khí Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn , thu được hỗn hợp rắn X Cho X tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được dung dịch Y Chất rắn Z và 3,36 lít khí H2 (ở đktc) Sục khí CO2 (dư ) vào dung dịch Y, thu được 39g kết tủa Giá trị của m là:

Hướng dẫn

Theo bài ra : n H2= 3,36/ 22,4= 0,15 (mol)

3 ( )

Al OH

n = 39/78 = 0,5mol

Sơ đồ phản ứng xảy ra

0

2

4

, e t , e, NaOHd aA ( ) , e, CO ( )

Al + NaOH + 3H2O  NaAl(OH)4 + 3/2 H2

0,1 0,15

Vì nguyên tố Al được bảo toàn nên:

nAl (bđ) = n Al OH( ) 3= n Al (dư) + nAl (phản ứng nhiệt nhôm)=> 0,5= 0,1 + nAl (phản ứng nhiệt nhôm)

 nAl (phản ứng nhiệt nhôm) = 0,5- 0,1= 0,4 mol

8Al dư + 3Fe3O4  9Fe + 4Al2O3

0,4 0,15

Suy ra n F Oe (bđ) = 0,15mol

Vậy m= mAl (bđ) + m F Oe 3 4= 0,5 27 + 0,15 232= 48,3g

Câu 11: Đốt nóng hỗn hợp gồm Al và 16g Fe2O3 ( trong điều kiện không có không khí ) đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn , thu được hỗn hợp rắn X Cho X tác dụng vừa đủ với Vml dung dịch NaOH 1M sinh ra 3,36 lít H2 (ở đktc) Giá trị của V là:

Hướng dẫn

Theo bài ra : n H2= 3,36/ 22,4 = 0,15mol

Trong X (gồm Al2O3 , Fe và Al dư) chỉ có Al tác dụng với dung dịch NaOH

Al + NaOH + 3H2O  NaAl(OH)4 + 1,5 H2

0,1 0,15

Suy ra V= 0,1 1000/ 1= 100ml

Câu 12: Hỗn hợp X gồm Fe3O4 và Al có tỉ lệ mol tương ứng 1:3 Thực hiện phản ứng nhiệt nhôm X (không có không khí) đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được hỗn hợp gồm :

A Al, Fe, Fe3O4 và Al2O3 B Al2O3 và Fe

C Al, Fe, và Al 2 O 3 D Al2O3, Fe, và Fe3O4

Hướng dẫn

Phương trình hóa học: 3Fe3O4 + 8Al  Fe + 4Al2O3

Giả sử có 3 mol Fe3O4 => nAl (bđ) = 9mol, mà Al(phản ứng) = 8 mol => Al dư

Vậy sau phản ứng có: Fe, Al2O3 và Al dư

Câu 13: Nung hỗn hợp gồm 10,8g Al và 16,0g Fe2O3 (trong điều kiện không có không khí) sau khi phản ứng xảy ra hàon toàn thu được chất rắn Y Khối lượng kim loại trong Y là:

Hướng dẫn

Theo bài ra : nAl = 0,4mol; n F Oe 2 3= 0,1mol

2Al + Fe2O3  2Fe + Al2O3

Phản ứng 0,2 0,1 0,2

Sau phản ứng 0,2 0,2

Vậy mkim loại = mAl + mFe = 0,2 27+ 0,2.56 = 16,6g

Câu 14: Trộn 0,25mol bột Al với 0,15mol bột Fe2O3 rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm trong điều kiện không có không khí (giả sử có phản ứng khử Fe2O3 về Fe ) thu được hỗn hợp rắn X Cho X tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được dung dịch Y, m gam chất rắn khan Z và 0,15mol H2 Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm và giá trị của m lần lượt là:

A 60% và 20,4 B 60% và 30,75

Hướng dẫn

Phương trình hóa học xảy ra

2Al + Fe2O3  2Fe + Al2O3

Ban đầu 0,25 0,15 0 0

Phản ứng 2x x 2x x

Còn 0,25- 2x 0,15-x 2x x

2Al + 2NaOH + 6H2O  2Na[Al(OH)4] + 3H2

0,25 -2x 1,5 (0,25-2x)

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O  2Na[Al(OH)4]

Chất rắn Z gồm: Fe2O3 và Fe

Theo bài ra ta có: 1,5(0,25-2x)= 0,15 => x= 0,075

Vậy hiệu suất của phản ứng nhiệt nhôm(0,25/2< 0,15/1 => tính theo nhôm)

H%= (0,078.2.100)/ 0,25 = 60%

+ Khối lượng chất rắn Z

m= m F Oe 2 3+ mFe = (0,15- 0,075).160 + 2.0,075.56= 20,40g

Câu 15: Trộn 5,4 gam bột nhôm với 14g Fe2O3 rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm không có oxi,

Fe2O3 bị khử về Fe, sau khi kết túc phảnt ứng , làm nguội hỗn hợp và hòa tan hỗn hợp này bằng dung dịch NaOH dư cho đến phản ứng hoàn toàn thu được 1,68 lít khí (đktc) Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm là:

Hướng dẫn

Theo bài ra nAl = 0,2 mol; n F Oe 2 3= 0,0875 mol

2

H

n = 1,68/ 22,4= 0,075 mol

Phương trình phản ứng: 2Al + Fe2O3  Al2O3 + 2Fe

Al + NaOH + 3H2O  Na[Al(OH)4] + 3/2 H2

0,05 0,075

=> nAl phản ứng = 0,2- 0,05= 0,15 mol

=> n F Oe 2 3phản ứng = 0,15/2= 0,075 (mol)

Vậy hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm

H%= 0,075.100/ 0,0875= 85,71%

BÀI TẬP TỰ GIẢI Câu 1: Nung m gam hỗn hợp X gồm Al và Fe3O4 trong bình kín không có không khí đến phản ứng hoàn toàn thu được hỗn hợp rắn Y Chia Y thành hai phần bằng nhau

- Phần 1: Cho tác dụng với HNO3 loãng dư thu được 0,11mol NO (sản phẩm khử duy nhất)

- Cho phần 2: Tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được 0,03mol H2 Giá trị của m là:

Câu 2: Tiến hành phản ứng nhiệt nhôm với Fe3O4 trong điều kiện không có không khí cho biết phản ứng xảy ra hoàn toàn và Fe3O4 chỉ bị khử thành Fe Chia hỗn hợp sau phản ứng thành hai phần bằng nhau

-Cho phần 1: tác dụng hết với dung dịch naOH dư thu được 2,52 lít H2 (đktc)

- Hòa tan hết phần 2 bằng dung dịch HNO3 đặc nóng dư thấy có 11,76 lít khí bay ra (đktc)

Khối lượng Fe sinh ra sau phản ứng nhiệt nhôm là:

Câu 3: Thực hiện phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp gồm m gam Al và 4,56g Cr2O3 ( trong điều kiện không có oxi) sau khi phản ứng kết thúc, thu được hỗn hợp X Cho toàn bộ X vào một lượng dư dung dịch HCl (loãng nóng), Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn , thu được 2,016 lít H2 (đktc), còn nếu cho toàn bộ X vào lượng dư dung dịch NaOH đặc nóng Sau khi các phản ứng kết thúc thì số mol NaOH

đã phản ứng là:

Câu 4: Thực hiện phản ứng nhiệt nhôm giữa Al và Cr2O3 trong điều kiện không có không khí , sau phản ứng hoàn toàn thu được hỗn hợp X khối lượng 43,9g Chia X làm hai phần bằng nhau Cho phần 1 tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được 1,68 lít khí (đktc) Phần 2 phản ứng vừa đủ với V lít dung dịch HCl 1M (loãng nóng) Giá trị của V là:

Câu 5: Nung hỗn hợp bột gồm 15,2g Cr2O3 với m gam Al ở nhiệt độ cao Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn , thu được 23,3g hỗn hợp rắn X Cho toàn bộ hỗn hợp X phản ứng với axit HCl dư thoát ra

V lít khí H2 (ở đktc) Giá trị của V là:

Câu 6: Trộn Al với Fe3O4 rồi nung hỗn hợp trong chân không để tiến hành phản ứng nhiệt nhôm Phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được hỗn hợp A trong dung dịch HCl dư thấy có 3,36 lít khí thoát ra Còn nếu trong dung dịch NaOH thì thu được 0,84 lit khí Tỉ lệ số mol Al và Fe3O4 trong hỗn hợp ban đầu là:

Câu 7: Tiến hành phản ứng nhiệt nhôm với 6,3g Al và 11,6g 2 oxit sắt là FeO, Fe2O3 sản phẩm thu được gồm 3 chất rắn Hòa tan hỗn hượp đó bằng dung dịch HCl dư thấy thoát ra 6,72 lít khí (đktc) %

Fe2O3 trong hỗn hợp đầu là:

Câu 8: Nung 4,05g Al và 24,4g hỗn hợp A gồm CuO và FeO trong bình kín , phản ứng xảy ra hoàn

toàn thu được hỗn hợp 5 chất rắn B Khử B bàng khí CO, khí thoát ra dẫn qua nước vôi trong thu được 10gam kết tủa Mặt khác nếu cho B vào dung dịch HCl thì có 3,36 lít khí thoát ra Khối lượng

Cu trong B và khối lượng CuO trong A là:

A 4,8g; 10g B 2,24g ; 6,8g C 1,6g; 6g D 4,16g; 9,2g

Câu 9: Nung 54g hỗn hợp Al, FeO, Fe2O3, Fe trong chân không, sản phẩm thu được cho phản ứng với dung dịch NaOH dư thấy thoát ra 3,36 lít khí (đktc) Mặt khác, nếu cho khí CO đi qua hỗn hợp A nung nóng khí thoát ra dẫn qua Ca(OH)2 thu được 15g kết tủa % Al trong hỗn hợp A là

Câu 10: Cho 5,6g bột Fe tiếp xúc với không khí một thời gian thấy khối lượng bột vượt quá 7,936g.

Trộn bột đó với 2,7g Al rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm thu được hỗn hợp A Hòa tan A trong dung dịch NaOH dư thu được 0,0336 lít khí (đktc), còn trong HCl thì thu được 2,2624 lít khí (đktc)

% Fe bị oxi hóa là:

Câu 11: Trộn 4,05g Al với 13,05g FeO4 rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp chất rắn sau phản ứng bằng dung dịch H2SO4 loãng dư thu được 2,457 lít khí (đktc) Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm là:

Câu 12: Thực hiện phản ứng nhiệt nhôm với sắt từ oxit Chia sản phẩm thành 2 phần bằng nhau Cho

phần 1 tác dụng với dung dịch NaOH có 2,352 lít khí bay ra Cho phần 2 tác dụng với dung dịch HCl

có 6,888 lít khí bay ra Khối lượng sắt thu được sau phản ứng nhiệt nhôm là: