Bài toán phản ứng nhiệt nhôm

 BÀI TOÁN VỀ PHẢN ỨNG NHIỆT NHÔM

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 = %Al_{phản ứng}  hoặc = % Fe₂O_{3phản 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)

             => n_H2 = n_Fe + n_Aldư

+ 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]

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

       => n_H2 = n_Fe + n_Aldư

Hướng dẫn giải:

    Theo bài ra ta có n_Al = 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 n_H2 = n_Fe + n_Aldư

              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⁺ + O^2- (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⁺  +  O^2- (trong  oxit) à H₂O

                               2H⁺ -------->  H₂

ð n_H⁺ = 2n _O^2- + 2n _H2 = 2. 0,16 + 2. 0,15 = 0,62 mol

ð n_Cl- = n_H⁺ =  0,38 mol

ð Áp dụng BTKL: m _Muối = m_Kl + m_Cl^-

=>  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:  

       n_{H2 (p1)} = 0,1375 mol ; n_{H2 (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 n_Fe = x mol ; n_{Al 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: n_Al2O3 = n_Fe2O3 =  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 

- n_H2 = 0,15 mol, n_Al(OH)3 = 0,5 mol

Theo bảo toàn nguyên tố Al ta có n_{Al bđ} = n _ÔAl(OH)3 = 0,5 mol

           n_{Al dư} = n_H2 = 0,1 mol

           => n_{Al pư (1)} = 0,5 – 0,1 = 0,4mol 

Theo Pt (1) n_Fe3O4 =  n_Al = 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 

- n_H2 = 0,15 mol, n_Al(OH)3 = 0,5 mol

Theo bảo toàn nguyên tố Al ta có n_{Al bđ} = n _ÔAl(OH)3 = 0,5 mol

           n_{Al dư} = n_H2 = 0,1 mol

           => n_{Al pư (1)} = 0,5 – 0,1 = 0,4mol 

Theo Pt (1) n_Fe3O4 =  n_Al = 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    n_Cr2O3 = 0,1 mol

       Pư:    2Al + Cr₂O₃ ------> Al₂O₃ + 2Cr          (1)

Bảo toàn khối lượng ta có m _hh = m_X = 23,3 gam

ð m_Al = 23,3 – 15,2 = 8,1 gam => n_Al = 0,3 mol

ð Theo PTPư Al dư => n_Cr = 2n_Cr2O3 = 0,2 mol

ð n_{Al dư} = 0,3 – 0,2 = 0,1 mol

    pư:       Cr + 2HCl ------> CrCl₂ + H₂             (2)

                 2Al_dư + 6HCl ------> 2AlCl₃ + 3H₂    (3)

Theo các Pư (2,3) n_H2 = n_Cr + n_Al = 0,35 mol

Thể tích H₂ V_H2 = 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

      n_{Al ban đầu} = n_H2 = 0,2 mol

- Phần 2:    2yAl + 3Fe_xO_y ------>  yAl₂O₃ + 3xFe

Hỗn hợp B gồm: Al₂O₃, Fe và Al dư

                   2Al _dư + 2NaOH + 6H₂O ------> 2NaAl(OH)₄ + 3 H₂    

      n_{Al dư} =  n_H2 = 0,04 mol

      n_{Al pư} = 0,2 – 0,04 = 0,16 mol

Theo bảo toàn nguyên tố Al: n_Al2O3 = n_{Al pư} = 0,08 mol

Bảo toàn nguyên tố oxi ta có: n_O(FexOy) = n_{O (Al2O3)} = 0,08 . 3 = 0,24 mol

-Phần rắn còn lại là Fe tác dụng với H₂SO₄

      => n_Fe = n_H2 = 0,18 mol

=> Fe_xO_y: 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