Ứng dụng của Nung Fe3O4 trong Phản Ứng Nhiệt Nhôm: Bài Toán và Giải Pháp

Phản ứng nhiệt nhôm, đặc biệt là khi sử dụng Fe3O4 (oxit sắt từ) làm chất oxy hóa, là một chủ đề quan trọng trong hóa học luyện kim và hóa học vô cơ. Bài viết này sẽ đi sâu vào ứng dụng của việc Nung Fe3o4 với nhôm (Al) trong điều kiện không có không khí, tạo ra hỗn hợp các sản phẩm và phân tích các phản ứng có thể xảy ra. Đồng thời, chúng ta sẽ xem xét một bài toán điển hình liên quan đến phản ứng này và cách giải quyết nó một cách chi tiết.

Xét bài toán sau: Nung hỗn hợp gồm Al và Fe3O4 (trong điều kiện không có không khí và phản ứng xảy ra hoàn toàn) thu được hỗn hợp A. Hỗn hợp A này có những tính chất đặc biệt:

• Khi cho A tác dụng với dung dịch KOH dư, thu được 0,672 lít khí (đktc).
• Khi cho A tác dụng với H2SO4 đặc, nóng dư, thu được 1,428 lít SO2 duy nhất (đktc).

Yêu cầu: Xác định phần trăm khối lượng của Al trong hỗn hợp ban đầu.

Để giải quyết bài toán này, chúng ta cần hiểu rõ bản chất của phản ứng nhiệt nhôm và các phản ứng phụ có thể xảy ra.

Phản ứng nhiệt nhôm cơ bản:

8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe

Tuy nhiên, vì phản ứng xảy ra hoàn toàn và có khí thoát ra khi tác dụng với KOH, điều này chứng tỏ Al còn dư sau phản ứng. Do đó, hỗn hợp A sẽ bao gồm Fe, Al2O3 và Al dư.

Sơ đồ phản ứng nhiệt nhôm sử dụng Fe3O4 và Al, tạo thành Al2O3 và Fe

Phản ứng của hỗn hợp A với KOH:

2Al + 2KOH + 2H2O → 2KAlO2 + 3H2

Số mol H2 thu được là 0,672 / 22,4 = 0,03 mol. Vậy số mol Al dư là 0,03 * (2/3) = 0,02 mol.

Phản ứng của hỗn hợp A với H2SO4 đặc, nóng:

• Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
• 2Al + 6H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Số mol SO2 thu được là 1,428 / 22,4 = 0,06375 mol.

Gọi số mol Fe là x và số mol Al (phản ứng) là y. Ta có:

1.5x + 1.5y = 0.06375

Từ phương trình phản ứng nhiệt nhôm, ta có:

• nFe = (9/8) * nAl2O3
• nAl2O3 = (4/3) * nFe3O4

Gọi số mol Fe3O4 ban đầu là z. Vậy số mol Al phản ứng là (8/3)z và số mol Fe tạo thành là 3z.

Ta có hệ phương trình:

• x = 3z
• y = (8/3)z

Thay vào phương trình (1):

1.5 * 3z + 1.5 * (8/3)z = 0.06375

Giải ra ta được z = 0,0085 mol.

Vậy số mol Fe3O4 ban đầu là 0,0085 mol. Khối lượng Fe3O4 là 0,0085 * 232 = 1,972 gam.

Số mol Al phản ứng là (8/3) 0,0085 = 0,02267 mol. Khối lượng Al phản ứng là 0,02267 27 = 0,612 gam.

Tổng số mol Al ban đầu là 0,02 + 0,02267 = 0,04267 mol. Khối lượng Al ban đầu là 0,04267 * 27 = 1,152 gam.

Phần trăm khối lượng Al trong hỗn hợp ban đầu là:

%Al = (1.152) / (1.152 + 1.972) * 100% = 36.86%

Kết luận: Phần trăm khối lượng của Al trong hỗn hợp ban đầu là khoảng 36.86%. Bài toán này minh họa rõ ràng vai trò của việc nung Fe3O4 trong phản ứng nhiệt nhôm và cách phân tích các sản phẩm thu được để giải quyết các bài toán định lượng. Việc hiểu rõ các phản ứng hóa học và áp dụng định luật bảo toàn khối lượng là chìa khóa để giải quyết các bài toán tương tự.