Phản ứng giữa nhôm (Al) và axit sunfuric loãng (H2SO4 loãng) là một phản ứng hóa học quan trọng và thường gặp trong chương trình hóa học phổ thông. Phản ứng này thuộc loại phản ứng oxi hóa khử, trong đó nhôm đóng vai trò là chất khử và axit sunfuric đóng vai trò là chất oxi hóa. Sản phẩm của phản ứng là muối nhôm sunfat (Al2(SO4)3) và khí hidro (H2).
Phương Trình Phản Ứng và Điều Kiện
Phương trình hóa học:
2Al + 3H2SO4 (loãng) → Al2(SO4)3 + 3H2↑Điều kiện phản ứng:
- Nhiệt độ thường.
- Sử dụng axit H2SO4 loãng.
Cơ Chế Phản Ứng
Trong phản ứng này, nhôm kim loại nhường electron để trở thành ion nhôm Al3+, đồng thời ion H+ trong axit sunfuric nhận electron để tạo thành khí hidro H2. Quá trình này giải phóng năng lượng, làm cho phản ứng xảy ra tương đối dễ dàng ở điều kiện thường.
Tính Chất Hóa Học Của Nhôm
Nhôm là một kim loại có tính khử mạnh, tuy nhiên, do có lớp oxit Al2O3 bền vững bao bọc bên ngoài nên nhôm có khả năng chống ăn mòn tốt. Lớp oxit này ngăn cản nhôm tiếp xúc trực tiếp với các tác nhân oxi hóa, làm chậm hoặc ngăn chặn quá trình phản ứng.
Phản ứng giữa nhôm và axit sunfuric loãng tạo thành nhôm sunfat và giải phóng khí hidro, minh họa tính chất hóa học của nhôm.
Tác dụng với phi kim
- Với Oxi (O2): Ở nhiệt độ cao, nhôm cháy trong không khí tạo thành oxit nhôm (Al2O3):
4Al + 3O2 → 2Al2O3- Với Clo (Cl2): Nhôm phản ứng mạnh mẽ với clo tạo thành muối nhôm clorua (AlCl3):
2Al + 3Cl2 → 2AlCl3Tác dụng với axit
- Với HCl và H2SO4 loãng: Nhôm dễ dàng khử ion H+ trong dung dịch axit clohidric (HCl) và axit sunfuric loãng (H2SO4) tạo thành khí hidro (H2):
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H22Al + 3H2SO4 (loãng) → Al2(SO4)3 + 3H2- Với HNO3 và H2SO4 đặc, nóng: Nhôm phản ứng mạnh với axit nitric (HNO3) loãng, axit sunfuric đặc, nóng.
Al + 4HNO3 (loãng) → Al(NO3)3 + NO + 2H2O2Al + 6H2SO4 (đặc, nóng) → Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2OLưu ý: Nhôm không phản ứng với HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội.
Phản ứng nhiệt nhôm
Nhôm có thể khử nhiều oxit kim loại ở nhiệt độ cao, ví dụ:
2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2FePhản ứng nhiệt nhôm giữa nhôm và oxit sắt (III) tạo ra oxit nhôm và sắt, một ứng dụng quan trọng của nhôm trong luyện kim.
Tác dụng với nước
Nhôm không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường do lớp oxit bảo vệ. Nếu phá bỏ lớp oxit này, nhôm sẽ khử nước tạo ra Al(OH)3 và khí hidro.
Tác dụng với dung dịch kiềm
Nhôm tác dụng với dung dịch kiềm như NaOH tạo thành muối aluminat và khí hidro:
2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2Ứng Dụng
Phản ứng giữa Al và H2SO4 loãng có nhiều ứng dụng trong thực tế và trong phòng thí nghiệm:
- Sản xuất khí hidro: Phản ứng này được sử dụng để điều chế khí hidro trong phòng thí nghiệm.
- Làm sạch bề mặt kim loại: Axit sunfuric loãng có thể được sử dụng để loại bỏ lớp oxit trên bề mặt nhôm trước khi thực hiện các quá trình gia công hoặc sơn phủ.
- Trong công nghiệp: Phản ứng được ứng dụng trong một số quy trình sản xuất và xử lý vật liệu.
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Cho 5.4 gam Al tác dụng hoàn toàn với dung dịch H2SO4 loãng dư. Tính thể tích khí H2 thu được ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc).
Hướng dẫn giải:
Số mol Al: nAl = 5.4/27 = 0.2 mol
Theo phương trình phản ứng: 2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2
Số mol H2: nH2 = (3/2) nAl = (3/2) 0.2 = 0.3 mol
Thể tích H2 (đktc): VH2 = 0.3 * 22.4 = 6.72 lít
Câu 2: Cho 100 ml dung dịch NaOH 1M tác dụng với dung dịch chứa 0.05 mol AlCl3. Sau khi phản ứng hoàn toàn, tính khối lượng kết tủa thu được.
Hướng dẫn giải:
Số mol NaOH: nNaOH = 0.1 * 1 = 0.1 mol
Phản ứng tạo kết tủa: AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl
Số mol Al(OH)3 tạo ra tối đa: nAl(OH)3 = nAlCl3 = 0.05 mol
Kiểm tra xem NaOH có dư không: nNaOH cần = 3 nAlCl3 = 3 0.05 = 0.15 mol
Vì nNaOH < nNaOH cần, nên AlCl3 dư, và NaOH hết.
Vậy số mol Al(OH)3 tạo thành là: nAl(OH)3 = nNaOH / 3 = 0.1 / 3 ≈ 0.033 mol
Tuy nhiên, vì NaOH hết trước nên kết tủa Al(OH)3 sẽ không bị hòa tan.
Khối lượng kết tủa: mAl(OH)3 = 0.033 * 78 ≈ 2.574 gam
Câu 3: Cho m gam hỗn hợp Al và Fe tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng dư, thu được 4.48 lít khí H2 (đktc). Nếu cho m gam hỗn hợp trên tác dụng với dung dịch NaOH dư thì thu được 3.36 lít khí H2 (đktc). Tính giá trị của m.
Hướng dẫn giải:
Khi tác dụng với H2SO4 loãng, cả Al và Fe đều phản ứng:
Al + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Khi tác dụng với NaOH dư, chỉ Al phản ứng:
2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2
Gọi số mol Al là x, số mol Fe là y.
Ta có:
- (3/2)x + y = 4.48/22.4 = 0.2 (tổng số mol H2 khi tác dụng với H2SO4)
- (3/2)x = 3.36/22.4 = 0.15 (số mol H2 khi tác dụng với NaOH)
Giải hệ phương trình trên, ta được: x = 0.1 mol, y = 0.05 mol
Vậy m = 27 0.1 + 56 0.05 = 2.7 + 2.8 = 5.5 gam
Kết luận
Phản ứng giữa Al và H2SO4 loãng là một phản ứng quan trọng, thể hiện tính chất hóa học đặc trưng của nhôm. Việc nắm vững phương trình phản ứng, điều kiện và ứng dụng của phản ứng này giúp học sinh hiểu rõ hơn về hóa học của nhôm và các ứng dụng của nó trong thực tế.
