Phản ứng nhiệt nhôm là gì? Đặc điểm, ứng dụng và các lưu ý quan trọng

Phản ứng nhiệt nhôm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điều chế sản xuất hợp kim sắt, điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao,…Vậy, phản ứng nhiệt nhôm là gì? Đặc điểm, ứng dụng và các lưu ý quan trọng khi giải bài tập phản ứng nhiệt nhôm? Cùng tìm hiểu chi tiết trong nội dung thông tin bài viết dưới đây của ruaxetudong.org

Phản ứng nhiệt nhôm là gì?

Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao giữa nhôm với oxit hoặc các chất khác, trong đó nhôm đóng vai trò là chất khử. Nói một cách dễ hiểu, đây là phản ứng hóa học giữa nhôm với các oxit kim loại. Phản ứng tỏa ra nhiều nhiệt, tạo thành đơn chất kim loại và nhôm oxit.

Phương trình tổng quát như sau: Al + oxit kim loại  → oxit nhôm + kim loại

Ví dụ:  2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe

Đặc điểm của phản ứng nhiệt nhôm

Phản ứng nhiệt nhôm được sử dụng lần đầu tiên để khử các oxit kim loại mà không cần dùng đến cacbon. Phản ứng này sẽ tỏa nhiệt lượng lớn nhưng cần một năng lượng hoạt hóa lớn để phá vỡ các liên 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, hỗn hợp sau đó sẽ được đốt cháy. Quá trình cải tiến được thực hiện bởi Hans Goldschmidt và được cấp bằng sáng chế vào năm 1898.

Để thực hiện phản ứng nhiệt nhôm ta cần chuẩn bị các nguyên liệu sau:

• Nhôm dạng bột hoặc dây
• Oxit sắt dạng bột hoặc viên
• Nguồn nhiệt để khởi động phản ứng (có thể là diêm, bật lửa,…)

Tiếp đó, bạn trộn nhôm vào oxit sắt theo tỉ lệ mol 2:3, đặt hỗn hợp vào trong một chậu sứ hoặc kim loại chịu nhiệt. Sau đó, dùng nguồn nhiệt để đốt cháy một phần nhỏ của hỗn hợp.

Khi đó, phản ứng sẽ duy trì, lan tỏa ra toàn bộ hỗn hợp và bạn sẽ thấy một ngọn lửa màu trắng sáng, nóng xuất hiện kèm theo đó là khói trắng, các tia lửa bay tán loạn. Đó là do nhôm oxit bị bay hơi và sắt kim loại bị nóng chảy. Phản ứng này diễn ra nhanh, chỉ trong vài giây.

Phản ứng nhiệt nhôm sinh ra kim loại nào?

Khi đã tìm hiểu về dãy hoạt động hóa học của kim loại thì ta sẽ nắm được quy luật về độ phản ứng mạnh – yếu của kim loại. Trong trường hợp này, nhôm đẩy các kim loại ra khỏi oxit phải thỏa mãn điều kiện đó là các kim loại trung bình hoặc yếu (từ Zn trở đi) và bạn có thể sử dụng hãy hoạt động hóa học để tìm hiểu kim loại này.

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

2Al + Fe2O3 → t∘2Fe + Al2O3

Một số phản ứng khác như:

8Al + 3Mn304→ t∘4Al2O3+ 9Mn

Cr203 + 2Al→ t∘Al2O3 + 2Cr

Phản ứng nhiệt nhôm với Cr203

Phương trình như sau: Cr203 + 2Al → Al203 + 2Cr

Phản ứng nhiệt nhôm với Cr203 lần đầu tiên được sử dụng để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon. Phản ứng này tỏa nhiệt rất cao ~ 2200 độ C nhưng có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa các phân tử trong chất rắn phải được phá vỡ trước.

Các trường hợp xảy ra phản ứng nhiệt nhôm

Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, tùy theo tính chất của hỗn hợp Y tạo thành để kết 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 hoặc có khí bay ra thì có khả năng hỗn hợp Y có chứa (Al2O3+Fe) hoặc  (Al2O3+Fe+Al) hoặc (Al2O3+Fe) + oxit kim loại dư.

Trường hợp phản ứng không xảy ra hoàn toàn, hỗn hợp Y gồm  Al2O3, Fe, Aldư và Fe2O3 dư.

Ứng dụng của phản ứng nhiệt nhôm

• Phản ứng nhiệt nhôm được ứng dụng phổ biến trong việc hàn đường sắt tại chỗ, mang tới nhiều lợi ích cho công việc phải cài đặt phức tạp hay có thể sửa chữa tại chỗ mà không thể áp dụng được cách hàn đường sắt liên.
• Phản ứng nhiệt nhôm được dùng để điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như crom, von farm. Vì nhôm có khả năng thụ động với HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội nên người ta sử dụng những thùng được làm từ nhôm để chở 2 loại axit này.

• Phản ứng nhiệt nhôm được sử dụng trong việc điều chế hợp kim sắt như ferrovanadium từ Vanadi oxit và ferroniobium từ niobium pentoxit. Hầu hết các loại hợp kim khác cũng được sản xuất bằng phương pháp này.

Các dạng bài bài tập phản ứng nhiệt nhôm

Dạng 1: Bài toán có hiệu suất phản ứng không hoàn toàn trong phản ứng nhiệt nhôm

Phương pháp giải:

Phản ứng:          2Al + Fe2O3   Al2O3 + 2Fe

 Hiệu suất phản ứng H = %Al phản ứng hoặc = % Fe2O3 phản 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

Bước 1: Cần xác định Al dư hay oxit kim loại dư. Nếu cho khối lượng hỗn hợp cần xét các trường hợp Al dư và Al hết.

Bước 2:

• Dựa vào các dữ liệu 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 phản ứng để tính toán.

Bước 3: Tính theo yêu cầu của đề bài

Dạng 3: Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm

Để biết cách tính hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm, bạn hãy theo dõi ví dụ sau:

Khi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp gồm Al và Cr203 trong điều kiện không có không khí. Sau một thời gian, ta thu được 21,15 gam hỗn hợp X. Chia X thành 2 phần bằng nhau. Cho phần 1 vào dung dịch HCl nóng loãng, thu được 3,36 lít khí H2 (đktc). Tiến hành hòa tan 2 phần vào dung dịch NaOH đặc nóng, kết quả ta thu được 1,68 lít H2 (đktc). Biết phản ứng của phần 1 và 2 xảy ra hoàn toàn. Hiệu suất phản ứng?

Lời giải

Tính số mol chất của từng phần, khi đó mX = 21,952

Phần 2 với NaOH đặc nóng, chỉ có Al sinh ra khí H2, Cr không phản ứng.

nAl dư = 2nH23 = 0,05

Phần 1 với HCl, cả Al dư và Cr đều phản ứng sinh ra khí H2

2nCr + 3nAl = 2nH2→nCr = 0,075

2Al + Cr203 → Al2O3 + 2Cr

2Al + Cr203 → Al2O3 + 2Cr

Vậy: nAl ban đầu = 0,075+0,05 = 0,125

và nCr203  ban đầu = mX− mAl152 = 0.05

Hiệu suất phản ứng: H = nCr203  pư/nCr203 bđ =75

Ethanol là gì? Tìm hiểu tính chất vật lý, hóa học và cách điều chế

Lưu ý khi giải bài tập phản ứng nhiệt nhôm

Khi giải bài tập về phản ứng nhiệt nhôm bạn cần lưu ý những điều 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 nhôm hoặc hiệu suất H của phản ứng <100%. Phản ứng này liên quan đến tính chất của kim loại Al.
• Khi phản ứng kết thúc mà không thấy khí bay lên thì có nghĩa là Al không dư và phản ứng xảy ra hoàn toàn
• Tổng khối lượng hỗn hợp trước phản ứng bằng với tổng khối lượng hỗn hợp sau phản ứng (Định luật bảo toàn khối lượng)
• Áp dụng định luật bảo toàn electron, tổng số mol e nhường bằng tổng số mol e nhận
• Nếu đề bài cho phản ứng xảy ra hoàn toàn thì chắc chắn trong chất rắn sẽ có Al2O3, Fe và có thể là Al, FexOy dư. Nếu đề bài không nói tới phản ứng xảy ra hoàn toàn hay yêu cầu tín hiệu suất thì ta cần chú ý đến trường hợp sau phản ứng chất rắn có 4 chất Al, FexOy, Al2O3, Fe.

Với các thông tin trên đây về phản ứng nhiệt nhôm, hy vọng sẽ giúp ích với bạn. Truy cập ruaxetudong.org để cập nhật thêm nhiều thông tin hữu ích kahcs về Hóa Học.