Phản ứng nhiệt nhôm là gì? Điều kiện phản ứng và sản phẩm là gì?

Phản ứng nhiệt nhôm có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống hiện nay của chúng ta. Vậy định nghĩa chính xác của phản ứng nhiệt nhôm là gì? Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm ra sao? Trong nội dung bài viết dưới đây, hãy cùng với muahangdambao.com khám phá kỹ hơn về chủ đề thú vị này nhé!

Tìm hiểu thêm về khái niệm phản ứng nhiệt nhôm là gì?

Phản ứng nhiệt nhôm rất phổ biến trong đời sống của chúng ta
Phản ứng nhiệt nhôm rất phổ biến trong đời sống của chúng ta

Trước hết, phản ứng nhiệt nhôm, tên tiếng Anh là “aluminothermic reaction”, là một phản ứng hóa học tỏa nhiệt, trong đó nhôm là kim loại đóng vai trò của chất khử. Nói dễ hiểu hơn thì đây là phản ứng hóa học tỏa nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở nhiệt độ cao. Ví dụ nổi bật nhất cho phản ứng nhiệt nhôm giữa oxit sắt III và nhôm. Phương trình tổng quát của phản ứng nhiệt nhôm là:  Al + oxit kim loại => oxit nhôm + kim loại.

Ví dụ cụ thể về phản ứng nhiệt nhôm

Một trong những phản ứng nhiệt nhôm phổ biến và được nhiều người biết đến nhất là phản ứng giữa Al với các oxit sắt. Cụ thể như sau:

  • Fe2O3 + 2Al => 2Fe + Al2O3
  • 2yAl + 3FexOy => yAl2O3 + 3xFe

Ngoài ra còn có một số phản ứng quan trọng khác như là:

  • 3CuO + 2 Al => Al2O3 + 3Cu.
  • 8Al + 3Fe3O4 => 4Al2O3 + 9Fe.
  • 3Mn3O4 + 8Al => 4Al2O3 + 9Mn.
  • Cr2O3 + 2Al => Al2O3 + 2Cr

Các phản ứng trên đều là phản ứng oxi hóa khử với nhôm chính là chất khử và các oxit kim loại là chất oxi hóa.

Đặc điểm chính của phản ứng nhiệt nhôm là gì?

Phản ứng này đã được sử dụng lần đầu tiên để khử các oxit kim loại mà không cần dùng tới cacbon. Phản ứng này tỏa ra nhiệt lượng lớn nhưng nó cũng cần một năng lượng hoạt hóa lớn do cần phải phá vỡ những liên kết giữa các nguyên tử, trong đó không thể thiếu liên kết kim loại.

Trong quá trình này, nhôm sẽ được đun nóng với các oxit kim loại bên trong lò đun. Để việc đun nóng này được diễn ra thuận lợi nhất, nhôm và các oxit kim loại sẽ được làm mịn thành bột và hỗn hợp sau đó được đem đi đốt cháy. Quá trình cải tiến này đã được thực hiện bởi nhà hoá học người Đức – Hans Goldchmidt và được cấp bằng sáng chế vào năm 1898.

Thí nghiệm này được thực hiện bởi Hans Goldchmidt
Thí nghiệm này được thực hiện bởi Hans Goldchmidt

Phản ứng nhiệt nhôm được ứng dụng như thế nào trong đời sống?

– Phản ứng nhiệt nhôm được ứng dụng tương đối phổ biến trong việc hàn đường sắt tại chỗ, đem lại rất nhiều lợi ích cho những công việc cần cài đặt phức tạp hay có thể sửa chữa tại chỗ mà không thể áp dụng cách hàn đường sắt thông thường.

– Phản ứng nhiệt nhôm còn có thể dùng để điều chế ra những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cực cao như crom hay von farm. Bởi vì nhôm có khả năng thụ động với HNO3 và H2SO4 đặc nguội. Cũng chính vì thế mà người ta thường sử dụng những thùng chứa được làm từ nhôm để có thể chuyên chở 2 loại axit đặc biệt này.

– Ngoài ra phản ứng nhiệt nhôm cũng được ứng dụng rộng rãi trong việc điều chế cũng như sản xuất ra các hợp kim sắt. Ví dụ như quá trình sản xuất ferrovanadium từ vanadi oxit và ferro niobium từ niobium pentoxide. Không chỉ vậy mà các loại khác hầu như đều được sản xuất bằng chính phương pháp này. 

Các trường hợp mà phản ứng nhiệt nhôm có thể xảy ra

Giả sử hỗn hợp X (gồm có Al và oxit kim loại) tham gia vào phản ứng, kết quả đã tạo ra hỗn hợp Y. Có hai trường hợp có thể xảy ra chính là phản ứng xảy ra hoàn toàn và phản ứng xảy ra không hoàn toàn. Cụ thể:

Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra 1 cách hoàn toàn

Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn thì một số đề bài sau đây có thể được đặt ra là:

  • Nếu như hỗn hợp Y chứa 2 kim loại gồm các Al dư, kim loại mới được tạo ra thì oxit kim loại hết.
  • Nếu như hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch kiềm giải phóng khí H2 thì chứng tỏ rằng Al dư.
  • Nếu như hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch axit có khí sinh ra thì hỗn hợp Y có thể là hỗn hợp có chứa Al2O3 và kim loại mới hoặc là Al2O3, Al và 1 kim loại mới hoặc Al2O3, kim loại mới cùng với oxit kim loại còn dư.
Một số trường hợp khi phản ứng xảy ra hoàn toàn
Một số trường hợp khi phản ứng xảy ra hoàn toàn

Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra không hề hoàn toàn

Nếu phản ứng xảy ra không hoàn toàn thì khi đó hỗn hợp Y sẽ bao gồm các Al dư, Al2O3, oxit kim loại dư và kim loại mới được tạo ra.

Như thế nào là hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm?

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

  • 2yAl + 3MxOy => yAl2O3 + 3xM. Trong đó M là các kim loại có tính khử trung bình và khá yếu.
  • 2yAl + 3FexOy => yAl2O3 + 3xFe. Có các trường hợp như sau có thể sẽ xảy ra là:

+ Hiệu suất phản ứng H = 100% (khi phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn). + + Nếu cho sản phẩm tác dụng với dung dịch kiềm có khí H2 thoát ra ngoài, thì sản phẩm sẽ có Al dư, Fe cùng Al2O3.

+ Hiệu suất H < 100% (khi phản ứng nhiệt nhôm xảy ra không hoàn toàn). Khi đó sản phẩm có được là Al dư, Al2O3, FexOy dư và Fe.

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

Khi tiến hành giải 1 số bài tập liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm, hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm thì các bạn học sinh cần phải lưu ý một số điểm quan trọng như sau:

– Nếu hỗn hợp sau khi phản ứng có tác dụng với dung dịch kiềm mà sinh ra khí H2 thì Al sẽ dư sau phản ứng nhiệt nhôm hay hiệu suất H của phản ứng bé hơn 100%. Phản ứng này có liên quan đến các tính chất khác của kim loại Al nên các bạn học sinh cần phải nắm thật vững kiến thức đó để giải bài tập được tốt hơn.

Cần lưu ý 1 số điều để giải bài tập về nhiệt nhôm
Cần lưu ý 1 số điều để giải bài tập về nhiệt nhôm

– Khi kết thúc phản ứng nhiệt nhôm mà không thấy khí bay lên thì có nghĩa là Al không dư và phản ứng nhiệt nhôm này đã xảy ra hoàn toàn.

– Theo như định luật bảo toàn khối lượng, tổng khối lượng của hỗn hợp trước phản ứng sẽ phải bằng với tổng khối lượng hỗn hợp sau khi xảy ra phản ứng. 

– Nên áp dụng định luật bảo toàn electron vào khi muốn giải các bài tập dạng này.

– Nếu đề bài cho phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn thì có thể suy ra sản phẩm của phản ứng nhiệt nhôm luôn có các chất rắn là Al2O3, Fe hoặc cũng có thể là Al, FexOy dư. Còn nếu như đề bài không nói đến có phản ứng hoàn toàn, hoặc yêu cầu tính hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm thì các bạn cũng cần nhớ đến trường hợp chất rắn sau phản ứng có cả 4 chất gồm: Al, FexOy, Al2O3 và Fe.

Gợi ý giải một số bài tập liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm

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

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

*Lời giải:

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

– Cr2O3 + 2NaOH => 2NaCrO2+ H2O

– Al2O3 + 2NaOH => 2NaAlO2 + H2O

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

mFe2O3 = 16 gram.

Từ đó ta sẽ có thể 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 chất X:

– Cr2O3 + 2Al => Al2O3 + 2Cr (1)

– Fe2O3 + 2Al => Al2O3 + 2Fe (2)

0,1 mol

Theo đề bài ra ta có được số mol Al cần phản ứng sẽ bằng: nAl = 10,8/27 = 0,4 mol. Còn theo phương trình (2) khi cân bằng số mol thì ta sẽ có: nAl = 2.nFe3O4 = 0,2 mol.

Do đó, số mol còn lại của Al trong phương trình (1) sẽ là:  nAl (1) = 0,4 – 0,2 = 0,2 mol. Từ đây ta dễ dàng suy ra được: nCr2O3 = 0,1 mol => m = 15,2 gram.

Phần trăm oxit crom có trong hỗn hợp chất X bằng: % Cr2O3 = 15,2 /41,4 = 36,71 %. Như vậy ta chọn phải lựa chọn đáp án đúng là D.

Hình ảnh về phản ứng nhiệt nhôm trong đời sống
Hình ảnh về phản ứng nhiệt nhôm trong đời sống

Bài tập 2: Chỉ ra đâu là phản ứng nhiệt nhôm trong những phương trình sau:

  1. 3Al + 3CuSO4 => Al2(SO4)3 + 3Cu.
  2. 8Al + 3Fe3O4 => 4Al2O3 + 9Fe.
  3. 2Al2O3 => 4Al + 3O2.
  4. 2Al + 3H2SO4 => Al2(SO4)3 + 3H2.

*Lời giải: Phản ứng nhiệt nhôm ở đây là phản ứng giữa nhôm và oxit của kim loại yếu hơn. Do đó chúng ta phải chọn B.

Oxit axit là gì? Tính chất hóa học của oxit axit?

Nước đá khô là gì? Công thức hoá học & ứng dụng của đá khô

Có thể nói phản ứng nhiệt nhôm là một trong những phát minh rất có ý nghĩa trong ngành hóa học. Tuy phản ứng khá đơn giản nhưng nó lại có tầm quan trọng cực lớn trong sản xuất và công nghiệp. Hy vọng bạn viết này đã giúp bạn có thêm những kiến thức bổ ích cho bản thân.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *