Phản ứng nhiệt nhôm là một phản ứng hóa học có ứng dụng quan trọng trong hóa học chuyên ngành. Đây là một phản ứng tuy quen mà lại, tuy lạ mà quen. Tuy nhiên không phải ai cũng nắm rõ bản chất thực sự của nó. Chắc chắn trong đó có sự có mặt của nhôm. Tuy nhiên, ngoài nhôm thì có những chất hóa học nào tham gia? Ứng dụng của nó là gì? Bài viết hôm nay chủ đề xoay quanh loại phản ứng này và sẽ làm rõ các vấn đề trên. Mời quý bạn đọc theo dõi chi tiết hơn ngay dưới đây nhé!
I. Phản ứng nhiệt nhôm
1. Phản ứng nhiệt nhôm là gì?
Trước hết, phản ứng nhiệt nhôm (tiếng Anh là aluminothermic reaction) là một phản ứng hóa học tỏa nhiệt, trong đó nhôm đóng vai trò là chất khử. Nói dễ hiểu hơn, đây là phản ứng thường giữa nhôm với các oxit kim loại. Phản ứng tỏa nhiều nhiệt, tạo ra các đơn chất kim loại và nhôm oxit.
2. Ví dụ phản ứng nhiệt nhôm
Một trong những phản ứng nhiệt – nhôm phổ biến và được biết đến nhiều nhất là phản ứng giữa Al với oxit sắt:
Fe2O3 + 2Al → 2 Fe + Al2O3
2yAl + 3FexOy → yAl2O3 + 3xFe
Ngoài ra, một số phản ứng quan trong khác như:
3CuO + 2 Al → Al2O3 + 3Cu
8Al + 3Fe3O4 → 4 Al2O3 + 9Fe
3Mn3O4 + 8Al → 4 Al2O3 + 9Mn
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr
Các phản ứng trên đều là phản ứng oxi hóa khử với nhôm là chất khử và các oxit kim loại là chất oxi hóa.
II. Đặc điểm của phản ứng nhiệt nhôm
Phản ứng này được sử dụng lần đầu tiên để khử các oxit kim loại mà không dùng cacbon. Phản ứng này tỏa nhiệt lượng lớn nhưng nó cũng cần một năng lượng hoạt hóa lớn do cần phải phá vỡ các kết giữa các nguyên tử, trong đó có liên kết kim loại.
Trong quá trình này, nhôm được đun nóng với các oxit kim loại trong lò đun. Để quá trình diễn ra thuận lợi, nhôm và các oxit kim loại được làm mịn thành bột và hỗn hợp sau đó được đốt cháy. Quá trình cải tiến này được thực hiện bởi Hans Goldchmidt và được cấp bằng sáng chế vào năm 1898.
III. Ứng dụng của phản ứng nhiệt nhôm
Ứng dụng của phản ứng nhiệt nhôm được biết đến nhiều nhất là để hàn vá đường ray tàu hỏa.
Ngoài ra, trong phản ứng này nhôm đóng vai trò chất khử để khử các oxit của kim loại yếu hơn trong dãy hoạt động hóa học của kim loại. Ứng dụng của phản ứng này có thể dùng để điều chế các kim loại.
Phản ứng này cũng được dùng để sản xuất phần lớn hợp kim sắt như ferroniobium từ niobium pentoxide và ferrovanadium (FeV) từ Vanadi oxide (V2O5).
IV. Lưu ý khi giải bài tập phản ứng nhiệt – nhôm
1. Các trường hợp phản ứng xảy ra
Giả xử hỗn hợp X (gồm Al và oxit kim loại) tham gia phản ứng, kết quả tạo ra hỗn hợp Y. Có hai trường hợp có thể xảy ra. Đó là phản ứng xảy ra hoàn toàn và phản ứng xảy ra không hoàn toàn.
1.1. Phản ứng xảy ra hoàn toàn
Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, một số đề bài sau đây có thể được đặt ra:
Hỗn hợp Y chứa 2 kim loại → Gồm Al dư, kim loại mới được tạo ra, oxit kim loại hết.
Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch kiềm giải phóng khí H2 → Chứng tó Al dư.
Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch axit có khí sinh ra → Hỗn hợp Y có thể là hỗn hợp chứa (Al2O3 và kim loại mới) hoặc (Al2O3, Al và kim loại mới) hoặc (Al2O3, kim loại mới và oxit kim loại còn dư).
1.2. Phản ứng xảy ra không hoàn toàn
Nếu phản ứng xảy ra không hoàn toàn, khi đó hỗn hợp Y sẽ bao gồm Al dư, Al2O3, oxit kim loại dư, kim loại mới tạo ra.
2. Định luật liên quan phản ứng nhiệt nhôm
PƯ nhiệt nhôm tuân theo định luận bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn nguyên tố (mol nguyên tử).
mhhX = mhhY
nFe(X) = nFe(Y) và nAl(X) =nAl(Y)
3. Lưu ý khi giải bài tập
Khi giải bài tập, các bạn cần lưu ý một số điểm sau:
– Nếu hỗn hợp sau phản ứng tác dụng với kiềm sinh ra khí hidro (H2) thì Al còn dư hoặc hiệu suất của phản ứng thấp hơn 100%. Khi đó, Al dư sẽ phản ứng với kiềm theo phương trình hóa học sau (ví dụ với NaOH):
2Al + 2H2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + 3H2↑
– Nếu hỗn hợp sau phản ứng tác dụng với kiềm không sinh ra khí hidro (H2) thì Al phản ứng hết và phản ứng xảy ra hoàn toàn.
– Nếu đề bài cho phản ứng xảy ra hoàn toàn thì chắc chắn sẽ sinh ra Al2O3 và kim loại mới. Tuy nhiên Al hoặc oxit kim loại tham gia phản ứng vẫn có thể còn dư, các bạn cần lưu ý.
– Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng hoặc định luật bảo toàn electron để giải bài tập.
Lời kết
Có thể nói phản ứng nhiệt nhôm là một trong những phát minh có ý nghĩa của ngành hóa học. Tuy phản ứng khá đơn giản nhưng nó lại có tầm quan trọng rất lớn trong sản xuất và công nghiệp. Thay vì dùng khí H2 hoặc CO để khử các oxit kim loại thì chúng ta có thể dùng Al như đã trình bày ở trên. Trong phản ứng này, các bạn cần lưu ý đây là một phản ứng tỏa nhiều nhiệt nhưng cần cung cấp năng lượng ban đầu. Và các bạn cần lưu ý sản phẩm của phản ứng để giải bài tập chính xác nhé. Hãy bỏ túi những phương trình hóa học ở trên, biết đâu một ngày nào đó bạn lại dùng đến nó khi đụng đến hóa học chuyên ngành. Chúc các bạn luôn yêu hóa học nhé!