Bài toán phản ứng nhiệt nhôm
Bài viết hướng dẫn bạn đọc cách giải các bài tập về phản ứng nhiệt nhôm cơ bản với các ví dụ minh họa dễ hiểu.
Mời các bạn học sinh tham khảo thêm:
I.Các dạng bài toán trong phản ứng nhiệt nhôm
1.1. 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+ à Fe2+ + H2 (1)
2Al + 6H+ à 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 à 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O à 2Na[Al(OH)4]
Bài toán phản ứng nhiệt nhôm
Ví Dụ 1: Trộn 10,8 gam bột nhôm với 34,8g bột Fe3O4 rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm trong điều kiện không có không khí. Hòa tan hỗn hợp rắn sau phản ứng bằng dung dịch H2SO4 loãng dư thu được 10,752 lít H2(đktc). Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm? (giả sử Fe3O4 chỉ bị khử thành Fe)
Phân tích
– Với bài tính hiệu suất như bài này HS thường không biết tính hiệu suất theo Al hay Fe3O4 thực tế ở bài này đã biết số mol của Al và Fe3O4 ta cần so sánh tỉ lệ mol các chất để xác định xem hiệu suất của phản ứng tính theo chất nào
– Vì là bài tính hiệu suất nên hỗn hợp A sau phản ứng gồm: Al2O3, Fe, Al dư, Fe3O4 cho vào dung dịch axit (HCl, H2SO4 loãng) tạo khí H2
Fe + 2H+ à Fe2+ + H2 (1)
2Al + 6H+ à 2Al3+ + 3H2 (2)
Fe3O4, Al2O3 + H+ à Muối + H2O
=> nH2 = nFe + nAldư
Hướng dẫn giải:
Theo bài ra ta có nAl = 0,4 mol, n Fe3O4 = 0,15 mol
=> hiệu suất H = %Fe3O4 phản ứng
Phản ứng: 8Al + 3Fe3O4 4Al2O3 + 9Fe
Ban đầu (mol) 0,4 0,15
Phản ứng 8x 3x 9x
Sau phản ứng (0,4-8x) 0,15 – 3x 9x
Theo PT 1,2 ta có nH2 = nFe + nAldư
ó 0,48 = 9x + (0,4 – 8x) => x = 0,04 mol
Vậy hiệu suất H = % Fe3O4 =
Ví Dụ 2: Nung hỗn hợp gồm 0,12 mol Al và 0,04 mol Fe3O4 một thời gian, thu được hỗn hợp rắn X. Hòa tan hoàn toàn X trong dung dịch HCl dư thu được 0,15 mol khí H2 và m gam muối. Tính giá trị của m?
Phân tích
– Trong bài này phản ứng chỉ xảy ra một thời gian, đề bài cũng không định hướng sản phẩm tạo ra nên hỗn hợp sản phẩm X gồm nhiều chất (Fe, Al2O3, Al dư, Fe3O4 dư, FeO) khi hỗn hợp này tác dụng với dung dịch axit ta tách hỗn hợp X thành 2 phần (Kim loại và oxit kim loại) tác dụng với dung dịch HCl
Phản ứng: 2H+ + O2- (trong oxit) à H2O
2H+ ——–> H2
Dựa vào các định luật BTNT Oxi và hidro để tính số mol HCl
BTKL tính khối lượng muối gồm kim loại và Cl–
Hướng dẫn giải:
Sơ đồ phản ứng:
Al + Fe3O4 ——> hỗn hợp X: Al2O3, Fe3O4, FeO, Fe, Al dư
Hỗn hợp X gồm các oxit và kim loại
BTNT oxi n O (trong X) = n O (Fe3O4) = 0,04 . 4 = 0,16 mol
Phản ứng: 2H+ + O2- (trong oxit) à H2O
2H+ ——–> H2
ð nH+ = 2n O2- + 2n H2 = 2. 0,16 + 2. 0,15 = 0,62 mol
ð nCl– = nH+ = 0,38 mol
ð Áp dụng BTKL: m Muối = mKl + mCl–
=> m Muối = 0,12 . 27 + 0,04 .3. 56 + 0,62 . 35.5 = 31,97 gam
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
Ví dụ 1: 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?
Hướng dẫn giải:
nH2 (p1) = 0,1375 mol ; nH2 (p2) = 0,0375 mol
– Hỗn hợp rắn Y tác dụng với NaOH giải phóng H2 → Al dư và vì phản ứng xảy ra hoàn toàn nên thành phần hỗn hợp rắn Y gồm: Al2O3, Fe và Al dư
– Gọi nFe = x mol ; nAl dư = y mol có trong 1/2 hỗn hợp Y
– Từ đề ta có hệ phương trình: 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe
– Theo đlbt nguyên tố đối với O và Fe: nAl2O3 = nFe2O3 = 0,05 mol
– Theo đlbt khối lượng: m = (0,05 . 102 + 0,1 . 56 + 0,025 . 27). 2 = 22,75 gam
Ví dụ 2: 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 39 gam kết tủa. Tính giá trị của m?
Hướng dẫn giải:
– Từ đề suy ra thành phần hỗn hợp rắn X gồm: Fe, Al2O3 (x mol) và Al dư (y mol)
– Các phản ứng xảy ra là:
8Al + 3Fe3O4 —–> 4Al2O3 + 9 Fe
2Al + 2NaOH + 6H2O ——> 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O ——> 2Na[Al(OH)4]
CO2 + Na[Al(OH)4] ——> Al(OH)3 + NaHCO3
– nH2 = 0,15 mol, nAl(OH)3 = 0,5 mol
Theo bảo toàn nguyên tố Al ta có nAl bđ = n ÔAl(OH)3 = 0,5 mol
nAl dư = nH2 = 0,1 mol
=> nAl pư (1) = 0,5 – 0,1 = 0,4mol
Theo Pt (1) nFe3O4 = nAl = 0,15 mol
Vậy khối lượng m = 27. 0,5 + 232 . 0,15 = 48,3 gam
Ví dụ 3: 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 39 gam kết tủa. Tính giá trị của m?
Hướng dẫn giải:
– Từ đề suy ra thành phần hỗn hợp rắn X gồm: Fe, Al2O3 (x mol) và Al dư (y mol)
– Các phản ứng xảy ra là:
8Al + 3Fe3O4 —–> 4Al2O3 + 9 Fe
2Al + 2NaOH + 6H2O ——> 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O ——> 2Na[Al(OH)4]
CO2 + Na[Al(OH)4] ——> Al(OH)3 + NaHCO3
– nH2 = 0,15 mol, nAl(OH)3 = 0,5 mol
Theo bảo toàn nguyên tố Al ta có nAl bđ = n ÔAl(OH)3 = 0,5 mol
nAl dư = nH2 = 0,1 mol
=> nAl pư (1) = 0,5 – 0,1 = 0,4mol
Theo Pt (1) nFe3O4 = nAl = 0,15 mol
Vậy khối lượng m = 27. 0,5 + 232 . 0,15 = 48,3 gam
Ví dụ 4: Nung hỗn hợp gồm 15,2 gam Cr2O3 (Cr = 52) và m gam Al. Sau phản ứng hoàn toàn, được 23,3 gam hỗn hợp rắn X. Cho toàn bộ X phản ứng với axit HCl dư thoát ra V lít H2 (đktc). Tính giá trị của V?
Hướng dẫn giải:
Ta có nCr2O3 = 0,1 mol
Pư: 2Al + Cr2O3 ——> Al2O3 + 2Cr (1)
Bảo toàn khối lượng ta có m hh = mX = 23,3 gam
ð mAl = 23,3 – 15,2 = 8,1 gam => nAl = 0,3 mol
ð Theo PTPư Al dư => nCr = 2nCr2O3 = 0,2 mol
ð nAl dư = 0,3 – 0,2 = 0,1 mol
pư: Cr + 2HCl ——> CrCl2 + H2 (2)
2Aldư + 6HCl ——> 2AlCl3 + 3H2 (3)
Theo các Pư (2,3) nH2 = nCr + nAl = 0,35 mol
Thể tích H2 VH2 = 7,84 lít
Ví dụ 5: Cho hỗn hợp A gồm Al và một oxit sắt. Chia hỗn hợp A thành 2 phần bằng nhau.
Phần 1: cho tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng thu được 6,72 (l) khí (đktc).
Phần 2: Phản ứng nhiệt nhôm hoàn toàn, thu được hỗn hợp B, cho B tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được 1,344 lít khí (đktc) sau đó cho tiếp dung dịch H2SO4 loãng, dư được 4,032 lít H2 (đktc). Xác định công thức của oxit sắt?
Hướng dẫn giải:
-Phần 1: 2Al + 3H2SO4 ——> Al2(SO4)3 + 3H2
nAl ban đầu = nH2 = 0,2 mol
– Phần 2: 2yAl + 3FexOy ——> yAl2O3 + 3xFe
Hỗn hợp B gồm: Al2O3, Fe và Al dư
2Al dư + 2NaOH + 6H2O ——> 2NaAl(OH)4 + 3 H2
nAl dư = nH2 = 0,04 mol
nAl pư = 0,2 – 0,04 = 0,16 mol
Theo bảo toàn nguyên tố Al: nAl2O3 = nAl pư = 0,08 mol
Bảo toàn nguyên tố oxi ta có: nO(FexOy) = nO (Al2O3) = 0,08 . 3 = 0,24 mol
-Phần rắn còn lại là Fe tác dụng với H2SO4
=> nFe = nH2 = 0,18 mol
=> FexOy: tỉ lệ: x : y = 0,18 : 0,24 = 3 : 4
Vậy công thức oxit sắt là Fe3O4
II.Bài tập vận dụng
Bài 1. Trộn 8,1 gam Al và 48 gam Fe2O3 rồi cho tiến hành phản ứng nhiệt nhôm trong điều kiện không có không khí, kết thúc thí nghiệm thu được m gam hỗn hợp rắn. Giá trị của m là:
A. 56,1 gam. B. 61,5 gam C. 65,1 gam D. 51,6 gam
Bài 2. Dùng m gam Al để khử hoàn toàn một lượng Fe2O3 sau phản ứng thấy khối lượng oxit giảm 0,58 g. Hỏi lượng nhôm đã dùng m là:
A. m = 0,27 g B. m = 2,7g C. m = 0,54 g D. m = 1,12 g. Bài 3. (ĐH A-2012) 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, Fe và Fe3O4.
C. Al2O3 và Fe. D. Al, Fe và Al2O3.
Bài 4:Tiến hành phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp X gồm Fe2O3 và Al trong điều kiện không có không khí thu được hỗn hợp chất rắn Y. Cho Y tác dụng với dung dịch NaOH dư sẽ thu được 0,3 mol H2 Mặt khác nếu cho Y tác dụng với dung dịch HCl dư sẽ thu được 0,4 mol H2. Số mol Al trong X là:
A. 0,3 mol B. 0,6 mol C. 0,4 mol D. 0,25 mol
Bài 5: Nung m gam hỗn hợp Al, Fe2O3 đến phản ứng hoàn toàn thu được hỗn hợp rắn Y. Chia Y làm 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
A. 21,40 B. 29,40 C. 29,43 D. 22,75
Bài 6: Hỗn hợp X gồm Al, Fe2O3 có khối lượng 21,67 gam. Tiến hành phản ứng nhiệt nhôm trong điều kiện không có không khí (giả sử chỉ xảy ra phản ứng khử Fe2O3 thanh Fe) Hòa tan hỗn hợp chất rắn sau phản ứng bằng dung dịch NaOH dư thu được 2,016 lít khí H2 (đktc) và 12,4 gam chất rắn không tan. Hiệu suất của phản ứng nhiệt nhôm là
A. 45% B. 50% C. 71,43% D . 75%
Bài 7: Có 9,66 gam hỗn hợp bột nhôm và Fe3O4. Tiến hành nhiệt nhôm hoàn toàn rồi hòa tan hết hỗn hợp sau phản ứng bằng dung dịch HCl được 2,688 lít H2 (đktc). Khối lượng nhôm trong hỗn hợp ban đầu là?
A. 2,16 B. 2,7 C. 2,88 D. 0,54
Câu 8: Dùng m gam Al để khử hết 1,6 gam Fe2O3 đến phản ứng hòa toàn, sản phẩm sau phản ứng tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH tạo 0,672 lít khí (đktc). Tính m.
Câu 9: khi nung hoàn toàn hỗn hợp A gồm x gam Al và y gam Fe2O3 thu được hỗn hợp B. Chia B thành hai phần bằng nhau: Phần 1 tan trong dung dịch NaOH dư, không có khí thoát ra và còn lại 4,4 gam chất rắn không tan. Phần 2 trong dung dịch H2SO4 loãng dư thu được 1,12 lít khí(đktc). Giá trị của y là
A. 5,6 gam B. 11,2 gam C. 16 gam D. 8 gam
Bài 10: Nung Al và Fe3O4 (không có không khí, phản ứng xảy ra hoàn toàn) thu được hỗn hợp A. Nếu cho A tác dụng với dung dịch KOH dư thì thu được 0,672 lít khí (đktc). Nếu cho A tác dụng với H2SO4 đặc, nóng dư được 1,428 lít SO2 duy nhất (đktc). % khối lượng Al trong hỗn hợp ban đầu là:
A. 33,69% B. 26,33% C. 38,30% D. 19,88%
III.Đáp án
|
Câu |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Đáp án |
A |
C |
B |
A |
D |
D |
B |
A |
B |
C |