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 tạo ra muối nhôm sunfat (Al2(SO4)3) và khí hidro (H2). Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình hóa học, điều kiện phản ứng, tính chất hóa học liên quan, và các bài tập vận dụng có lời giải chi tiết.
Phương Trình Phản Ứng Al + H2SO4 Loãng
Phương trình hóa học đầy đủ và cân bằng của phản ứng giữa nhôm và axit sunfuric loãng là:
2Al + 3H2SO4 (loãng) → Al2(SO4)3 + 3H2↑
Đây là một phản ứng oxi hóa khử, trong đó nhôm (Al) bị oxi hóa và hydro (H+) trong axit sunfuric bị khử tạo thành khí hydro (H2).
Điều Kiện Phản Ứng
Phản ứng giữa Al và H2SO4 loãng xảy ra ở điều kiện thường. Tuy nhiên, tốc độ phản ứng có thể tăng lên khi tăng nồng độ axit hoặc nhiệt độ. Axit sunfuric đặc nguội không phản ứng với nhôm do tạo lớp màng oxit bảo vệ.
Cơ Chế Phản Ứng
- Sự phá vỡ lớp oxit: Ban đầu, bề mặt nhôm được bảo vệ bởi một lớp oxit nhôm (Al2O3) mỏng và bền. Axit sunfuric loãng có tác dụng phá vỡ lớp oxit này.
- Phản ứng oxi hóa khử: Sau khi lớp oxit bị phá vỡ, nhôm kim loại trực tiếp phản ứng với ion H+ từ axit sunfuric. Nhôm nhường electron để trở thành ion Al3+, trong khi ion H+ nhận electron để tạo thành khí H2.
Tính Chất Hóa Học Của Nhôm
Tác Dụng Với Phi Kim
Nhôm có khả năng phản ứng với nhiều phi kim, đặc biệt là oxi và halogen.
-
Với Oxi: Trong điều kiện thường, nhôm bền trong không khí do lớp oxit bảo vệ. Khi đốt nóng, nhôm cháy sáng tạo thành oxit nhôm:
4Al + 3O2 → 2Al2O3
Ảnh minh họa phản ứng nhôm cháy trong oxi tạo thành oxit nhôm, thể hiện quá trình oxi hóa nhôm và tỏa nhiệt, thường được ứng dụng trong sản xuất pháo hoa và hàn nhiệt nhôm.
-
Với Halogen: Nhôm phản ứng mạnh mẽ với halogen như clo:
2Al + 3Cl2 → 2AlCl3
Tác Dụng Với Axit
-
Với Axit Clohidric (HCl) và Axit Sunfuric loãng (H2SO4 loãng): Nhôm dễ dàng khử ion H+ thành khí hidro:
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2 -
Với Axit Nitric (HNO3) và Axit Sunfuric đặc, nóng (H2SO4 đặc, nóng): Nhôm phản ứng phức tạp hơn, tạo ra các sản phẩm khử khác nhau tùy thuộc vào nồng độ và nhiệt độ. Lưu ý rằng nhôm thụ động với HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội.
Al + 6HNO3 (đặc, nóng) → Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
2Al + 6H2SO4 (đặc, nóng) → Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Phản Ứng Nhiệt Nhôm
Nhôm có thể khử nhiều oxit kim loại ở nhiệt độ cao, tạo ra kim loại tự do và oxit nhôm:
2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe
Phản ứng này tỏa nhiệt lớn và được ứng dụng trong hàn nhiệt nhôm.
Ảnh minh họa phản ứng nhiệt nhôm, trong đó nhôm khử oxit sắt tạo ra sắt nóng chảy và oxit nhôm, ứng dụng trong hàn đường ray và sản xuất hợp kim.
Tác Dụng Với Nước
Nhôm không phản ứng với nước ở nhiệt độ thường do lớp oxit bảo vệ. Nếu lớp oxit này bị phá hủy, nhôm có thể phản ứng chậm với nước.
Tác Dụng Với Dung Dịch Kiềm
Nhôm phản ứng với dung dịch kiềm như NaOH, tạo ra muối aluminat và khí hidro:
2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2↑
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).
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 = nH2 22.4 = 0.3 22.4 = 6.72 lít
Câu 2: Ngâm một lá nhôm trong dung dịch CuSO4. Sau một thời gian, khối lượng lá nhôm thay đổi như thế nào? Giải thích.
Giải:
- Phản ứng xảy ra: 2Al + 3CuSO4 → Al2(SO4)3 + 3Cu
- Khối lượng mol của Al là 27 g/mol, của Cu là 64 g/mol.
- Theo phản ứng, 2 mol Al (54 gam) tạo ra 3 mol Cu (192 gam).
- Như vậy, khối lượng lá nhôm tăng lên do khối lượng Cu bám vào lớn hơn khối lượng Al tan ra.
Câu 3: Cho m gam Al tác dụng với dung dịch HCl dư, thu được 6.72 lít khí H2 (đktc). Tính giá trị của m.
Giải:
- Số mol H2: nH2 = 6.72 / 22.4 = 0.3 mol
- Theo phương trình phản ứng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
- Số mol Al: nAl = (2/3) nH2 = (2/3) 0.3 = 0.2 mol
- Khối lượng Al: m = nAl 27 = 0.2 27 = 5.4 gam
Câu 4: Hòa tan hoàn toàn 2.7 gam Al vào dung dịch H2SO4 loãng, sau đó cô cạn dung dịch. Tính khối lượng muối khan thu được.
Giải:
- Số mol Al: nAl = 2.7 / 27 = 0.1 mol
- Theo phương trình phản ứng: 2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2
- Số mol Al2(SO4)3: nAl2(SO4)3 = (1/2) nAl = (1/2) 0.1 = 0.05 mol
- Khối lượng Al2(SO4)3: mAl2(SO4)3 = nAl2(SO4)3 342 = 0.05 342 = 17.1 gam
Kết Luận
Phản ứng giữa Al và H2SO4 loãng là một phản ứng quan trọng trong hóa học vô cơ. Hiểu rõ về phương trình, điều kiện phản ứng, và các tính chất liên quan sẽ giúp nắm vững kiến thức và giải quyết các bài tập liên quan một cách dễ dàng. Các bài tập vận dụng trên cung cấp cái nhìn tổng quan và chi tiết về ứng dụng của phản ứng này trong thực tế và trong các bài toán hóa học.
