Phản ứng nhiệt nhôm là gì? Cách tính hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm

Phản ứng nhiệt nhôm là gì? Đây là một phản ứng hóa học tỏa nhiệt, chắc hẳn chúng ta đã vài lần nghe qua phản ứng này. Để giúp các bạn học sinh hiểu rõ hơn về nó, bài viết sau đây thapgiainhietliangchi sẽ tổng hợp tất cả những kiến thức liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm.

Phản ứng nhiệt nhôm là gì?

Phản ứng nhiệt nhôm là gì? Phản ứng nhiệt nhôm là một loại phản ứng hóa học tỏa nhiệt, xảy ra ở nhiệt độ cao giữa kim loại nhôm với oxit hoặc các chất khác. Có vai trò như một chất khử oxit kim loại mà không dùng đến cacbon, phản ứng này sinh nhiều nhiệt và tạo thêm nhiều đơn chất kim loại khác. 

Khi phản ứng nhiệt nhôm xảy ra sẽ có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa nhiều nguyên tử ở trong chất rắn phải được phá vỡ trước. Lúc này oxit kim loại sẽ được đun nóng với nhôm trong cùng một lò đun. Phản ứng nhiệt nhôm chỉ có thể sử dụng để sản xuất ra một số lượng vật liệu nhỏ.

Ta có phương trình tổng quát của phản ứng nhiệt nhôm như sau:

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

(Hỗn hợp X) (Hỗn hợp Y)

Để hiểu hơn về phản ứng nhiệt nhôm chúng ta cùng theo dõi phương trình giữa nhôm với các axit như sau:

Nhôm khi phản ứng hóa học với oxit sắt: 2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe

Đây là loại phản ứng nhiệt nhôm đặc trưng và có nhiều ứng dụng nhất. Cụ thể là hỗn hợp được tạo thành gồm có Fe và Al2O3 sử dụng để hàn vá đường ray tàu lửa.

Phản ứng nhiệt nhôm sinh ra kim loại nào?

Khi một phản ứng nhiệt nhôm xảy ra, nhôm sẽ đẩy các kim loại khác ra khỏi oxit sao cho thỏa mãn điều kiện: Đó phải là những kim loại trung bình hoặc yếu (từ kẽm Zn trở đi). Bạn hoàn toàn có thể tìm hiểu thêm các kim loại này qua dãy hoạt động hóa học nếu vẫn chưa nhớ.

Phản ứng nhiệt nhôm Cr2O3

Phương trình phản ứng nhiệt nhôm với Cr2O3 như sau:

Phương trình hóa học: Cr2O3+2Al Al2O3 + 2Cl

Phản ứng nhiệt nhôm với Cr203 lần đầu tiên được sử dụng để khử oxit kim loại mà không cần phải sử dụng đến cacbon. Phản ứng này tỏa ra nhiệt rất cao: 2200 °C, nhưng nó có một năng lượng hoạt hóa cao bởi vì các liên kết giữa các nguyên tử ở trong chất rắn cần phải được phá vỡ trước.

Các trường hợp xảy ra của phản ứng nhiệt nhôm

Phản ứng nhiệt nhôm khi phản ứng thường sẽ xảy ra 2 loại phản ứng sau đó là phản ứng hoàn toàn và phản ứng không hoàn toàn, cụ thể như sau:

Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn

Để phản ứng xảy ra hoàn toàn, còn tùy thuộc vào tính chất hỗn hợp Y tạo thành để chúng ta biện luận. Ví dụ ta có trường hợp sau:

• Nếu hỗn hợp Y có chứa 2 kim loại → Al dư và oxit kim loại hết
• Nếu hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch bazơ kiềm (NaOH,…) giải phóng khí H2→ có Al dư
• Nếu hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch axit và có khí bay ra thì có khả năng hỗn hợp Y sẽ chứa (Al2O3+Fe) hoặc (Al2O3+Fe+Al) hoặc (Al2O3+Fe) + oxit kim loại dư

Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra mà không hoàn toàn

Nếu phản ứng nhiệt nhôm xảy ra mà không hoàn toàn, hỗn hợp Y bao gồm Al2O3, Fe, Al dư và Fe2O3 dư.

Hiệu suất phản ứng hiệu suất nhiệt nhôm

Để tìm hiểu và biết cách tính hiệu suất nhiệt nhôm ta dựa vào phản ứng:

2yAl + 3MxOy → yAl2O3 + 3xM

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

2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe

Có các trường hợp sẽ có thể xảy ra là:

• Hiệu suất phản ứng H = 100% (khi phản ứng xảy ra hoàn toàn). Nếu cho sản phẩm tác dụng với dung dịch kiềm có khí H2 thoát ra, thì sản phẩm sẽ có Al dư, Fe và Al2O3.
• Hiệu suất H < 100% ( khi phản ứng xảy ra không hoàn toàn). Khi đó sản phẩm sẽ có Al dư, Al2O3, FexOy dư, Fe.

Một số điều cần lưu ý khi giải dạng bài tập phản ứng nhiệt nhôm

Khi tiến hành giải các bài tập phản ứng nhiệt nhôm, hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm các bạn học sinh cần phải lưu ý một số điểm quan trọng như sau:

• Nếu hỗn hợp sau khi phản ứng cho tác dụng với dung dịch kiềm mà có sinh ra khí H2 thì Al sẽ còn dư sau phản ứng nhiệt nhôm hay hiệu suất H của phản ứng lại bé hơn 100%. Phản ứng này liên quan đến các tính chất của kim loại Al nên các bạn học sinh cần phải nắm vững kiến thức đó để giải bài tập tốt hơn.
• Khi kết thúc phản ứng nhiệt nhôm mà không thấy có khí bay lên thì nghĩa là Al không dư và phản ứng nhiệt nhôm đã xảy ra hoàn toàn.
• Theo như định luật bảo toàn khối lượng, tổng khối lượng hỗn hợp trước phản ứng sẽ bằng với tổng khối lượng hỗn hợp sau khi xảy ra phản ứng. 
• Nhớ áp dụng định luật bảo toàn electron vào khi giải các bài tập dạng này.
• Nếu giả thiết cho phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn → Suy ra sản phẩm của phản ứng nhiệt nhôm luôn có là các chất rắn Al2O3, Fe hoặc có thể sẽ có Al, FexOy dư. Còn nếu như giả thiết không nói đến có phản ứng hoàn toàn, hoặc bắt tính hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm thì các bạn phải nhớ đến trường hợp chất rắn sau phản ứng sẽ có cả 4 chất bao gồm: Al, FexOy, Al2O3, Fe.

Dạng bài tập về phản ứng nhiệt nhôm có lời giải

Sau đây là một số bài tập về phản ứng nhiệt nhôm, hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm.

Bài tập số 1: Khi cho 41,4 gram hỗn hợp chất X bao gồm có Fe2O3, Cr2O3 và Al2O3 tác dụng với dung dịch NaOH đặc (dư). Sau khi phản ứng ta thu được một lượng chất rắn có khối lượng là 16 gram. Để khử hoàn toàn 41,4 gram X bằng phản ứng nhiệt nhôm, ta cần dùng 10,8 gam Al. Hỏi thành phần phần trăm theo khối lượng của Cr2O3 có trong hỗn hợp X là bao nhiêu? (Được biết hiệu suất của các phản ứng là 100%; O = 16; Al = 27; Cr = 52; Fe = 56)

1. 50,67%
2. 20,33%
3. 66,67%
4. 36,71%

Lời giải bài tập số 1:

Khi cho hỗn hợp chất X tác dụng với dung dịch NaOH ta có được các phương trình hóa học như sau đây:

PTHH: Cr2O3 + 2NaOH → 2NaCrO2+ H2O

PTHH: Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O

Vì Fe2O3 sẽ không phản ứng được với dung dịch kiềm, nên ta có khối lượng chất rắn còn lại sẽ là Fe2O3

mFe2O3 = 16 gam.

Từ đó ta sẽ tính được số mol của oxit sắt III là: → n Fe2O3 = 16/160 = 0,1 mol.

Tiếp tục tiến hành phản ứng nhiệt nhôm của X:

PTHH: Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr (1)

PTHH: Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe (2)

0,1 mol

Theo bài ra ta sẽ có được 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 ta có nAl = 2.nFe3O4 = 0,2 (mol)

Do đó, số mol còn lại của Al có trong phương trình (1) sẽ là: 

nAl (1) = 0.4 – 0.2 = 0.2 (mol)

Dễ dàng suy ra được:

nCr2O3 = 0.1 mol ——> m = 15.2 gam

Phần trăm oxit crom trong hỗn hợp X bằng: % Cr2O3 = 15.2 / 41.4 = 36.71 % —-> Ta chọn đáp án trắc nghiệm đúng là D.

Bài tập số 2: Ta nung nóng m gam hỗn hợp Al và Fe2O3 (ở trong môi trường chân không không có không khí) tới khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, sẽ thu được hỗn hợp rắn Y. Rồi sẽ chia Y thành hai phần bằng nhau:

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

– Phần 2 còn lại cho tác dụng với dung dịch bazơ NaOH (dư), sinh ra 0,84 lít khí H2 (ở đktc).

Giá trị của m sẽ là:

1. 22,75
2. 21,40
3. 29,40
4. 29,43

Lời giải bài tập số 2:

Đầu tiên ta sẽ xác định được ngay đây là dạng toán liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm giữa Al và oxit sắt II. Phương trình hóa học phản ứng giữa Al và oxit sắt II như sau:

PTHH: 2Al + Fe2O3 —> Al2O3 + 2Fe (1)

Phần 2 tác dụng với dung dịch bazơ NaOH (dư), sinh ra 0,84 lít khí H2 (ở đktc) ta có:

Al + NaOH + H2O NaAlO2 + 3/2H2

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

PTHH: 2Al + 3H2SO4 —> Al2(SO4)3 + 3H2

=>nAl= 0.025(mol)

Fe + H2SO4 l —> FeSO4 + H2

y = 0.1 mol

2Al + Fe2O3 —> Al2O3 + 2Fe (1)

Khối lượng của Al sẽ là : m (Al) = (0,1 +0,025).27 = 3,375(gam)

Khối lượng của Fe2O3 sẽ là: m(Fe2O3) = 0,05.160 = 8(gam)

Suy ra tổng khối lượng của chất rắn Y: m = 11,375.2 = 22,75 (gam)

Vậy đáp án đúng của bài tập 2 này chính là đáp án A. 22,75 gam

Bài viết trên là tổng hợp những kiến thức về phản ứng nhiệt nhôm. Hy vọng qua bài viết các em học sinh sẽ nắm chắc các kiến thức liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm, có thể áp dụng để giải tốt các dạng bài tập liên quan đến hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm.