Bài tập phản ứng nhiệt nhôm hoàn toàn

Gọi ${n_{F{e_2}{O_3}}} = 2\,\,mol\,\, \to \,\,\,{n_{Al}} = 3\,\,mol$

Fe₂O₃ + 2Al $\xrightarrow{{{t^o}}}$ 2Fe + Al₂O₃

$\dfrac{{{n_{F{e_2}{O_3}}}}}{1} = \dfrac{2}{1} > \dfrac{{{n_{Al}}}}{2} = \dfrac{3}{2}$ => Al hết, Fe₂O₃ dư

→ hỗn hợp sau phản ứng gồm Al₂O₃, Fe và Fe₂O₃

Bảo toàn khối lượng : m_{hh trước phản ứng}  = m_{hh sau phản ứng} = 13 + 25 = 38 gam

n_Al = 2,7:27 = 0,1 (mol) ; n_FeO = 10,8 : 72 = 0,15 (mol)

Bỏ qua giai đoạn trung gian tạo Y coi như Al và FeO phản ứng với trực tiếp với H₂SO₄

2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

0,1  → 0,15                                    (mol)

FeO   + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂O

0,15 → 0,15                                   (mol)

=> ∑n_H2SO4 = 0,15 + 0,15 =0,3 (mol)

=> V_H2SO4 = n: C_M = 0,3 : 1 = 0,3 (lít) = 300 (ml)

Theo bảo toàn khối lượng ta có: m_{chất rắn A} = m_{hỗn hợp đầu} = m_Al + m_Fe2O3 = 5,4 + 4,8 = 10,2 gam.

Gọi n_Fe2O3 = 1 mol => n_Al = 3 mol  

Fe₂O₃ + 2Al $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$ 2Fe + Al₂O₃

Ta có  ${{{n_{F{e_2}{O_3}}}} \over 1} = {1 \over 1} < {{{n_{Al}}} \over 2} = {3 \over 2}$

 => Al dư, Fe₂O₃ hết

→ hỗn hợp sau phản ứng gồm Al₂O₃, Fe và Al dư

Bảo toàn khối lượng : m_{hh trước phản ứng}  = m_{hh sau phản ứng} = 5,4+ 16 = 21,4 gam

Khối lượng oxit giảm chính bằng khối lượng oxi trong oxit

=> m _{Oxi trong oxit} = 14,4 gam

=> n_{Oxi trong oxit}  = 0,9 mol

Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe

n_Al =  2/3 n_{Oxi trong oxit}  = 0,6 mol

→ m_Al = m = 0,6.27 = 16,2 gam

${n_{C{r_2}{O_3}}}$= 0,15 mol

Bảo toàn khối lượng : ${m_{C{r_2}{O_3}}}$+ m_Al = m_{hỗn hợp X}  => m_Al = 33,6 – 22,8 = 10,8 gam

→ n_Al = 0,4 mol

Cr₂O₃ + 2Al  _{$\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$} Al₂O₃ + 2Cr

0,15  →   0,3             →    0,3

→ n_{Al dư} = 0,4 – 0,3 = 0,1 mol

Bảo toàn e : 2${n_{{H_2}}} =$2n_Cr + 3n_{Al dư}   => V = 0,45.22,4 = 10,08 lít

Gọi $\eqalign{ & {n_{Al}} = x\,mol \cr & {n_{F{e_3}{O_4}}} = y\,mol \cr}$  

 → m_{hỗn hợp}  = 27x + 232y = 48,3   (1)

Phản ứng nhiệt nhôm : 3Fe₃O₄ + 8Al  $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$ 9Fe + 4Al₂O₃

TH1: Al dư, Fe₃O₄ hết → sau phản ứng thu được hỗn hợp gồm Fe, Al₂O₃ và Al dư

${n_{Fe}} = 3{n_{F{e_3}{O_4}}} = 3y$; n_{Al phản ứng}  = $\frac{8}{3}y$ →  n_{Al dư}  = x – $\frac{8}{3}y$

Quá trình cho – nhận e :

  $Fe \to F{e^{2 + }} + 2e$                      $2{H^ + } + 2e \to {H_2}$

   3y      →      6y                                1,2← 0,6

$Al \to A{l^{3 + }} + 3e$

(x -$\frac{8}{3}y$) →  (3x – 8y)

Bảo toàn e : 6y + 3x – 8y = 1,2 → 3x – 2y = 1,2  (2)

Từ (1) và (2) → $\eqalign{ & \left\{ {x = 0,5} \right. \cr & y = 0,15 \cr}$

→ m_Al = 0,5.27 = 13,5 gam

TH2: Al hết, Fe₃O₄ dư → sau phản ứng thu được hỗn hợp gồm Fe, Al₂O₃ và Fe₃O₄ dư

→ lượng H₂ sinh ra do Fe phản ứng → n_Fe = ${n_{{H_2}}} =$ 0,6 mol

${n_{Al}} = \frac{8}{9}{n_{Fe}} = \frac{8}{{15}}$ mol → m_Al = m = 14,4 gam

${n_{F{e_2}{O_3}}} = 0,2\,mol$

${n_{Al}}$ _dư = $\frac{2}{3}{n_{{H_2}}} =$0,1 mol

Fe₂O₃ + 2Al$\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$  2Fe + Al₂O₃

0,2 → 0,4

→ m_Al = m = (0,4+ 0,1).27 = 13,5 gam

Y tác dụng với NaOH giải phóng H₂ → hỗn hợp rắn Y gồm Al₂O₃, Fe và Al dư 

Xét phần 2 : Bảo toàn e : $3{n_{Al}} = 2{n_{{H_2}}}$ => n_Al = 0,1 mol

Xét phần 1 : Bảo toàn e :

$3.{n_{Al}} + 2.{n_{Fe}} = 2{n_{{H_2}}}$ => 3. 0,1 + 2n_Fe = 0,9 mol

=> n_Fe = 0,3

Bảo toàn nguyên tố Fe : ${n_{F{e_2}{O_3}}} = \frac{{{n_{Fe}}}}{2}$= 0,15 mol

Bảo toàn nguyên tố O : ${n_{A{l_2}{O_3}}} = {n_{F{e_2}{O_3}}}$= 0,15 mol

Bảo toàn khối lượng : m_{trước phản ứng} = m_{sau phản ứng} = m_Al2O3 + m_Fe + m_Al

→ m = (0,15.102 + 0,3.56 + 0,1.27).2 = 69,6 gam

8Al + 3Fe₃O₄ $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$  4Al₂O₃ + 9Fe

X tác dụng với dung dịch NaOH sinh ra khí H₂ → X có Al dư → X gồm Al₂O₃, Fe và Al dư

Bảo toàn e : 3.n_{Al dư} = 2.n_H2 → n_{Al dư} =$\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$  = 0,02 mol

Bảo toàn nguyên tố Al :  ${n_{Al}} + 2{n_{A{l_2}{O_3}}} = {n_{Al{{(OH)}_3}}}$

=> n_Al2O3 = (0,1 – 0,02)/2= 0,04 mol

Bảo toàn nguyên tố O : ${n_{A{l_2}{O_3}}} = \frac{4}{3}{n_{F{e_3}{O_4}}}$   => ${n_{F{e_3}{O_4}}} = 0,03\,mol$

=>  ${n_{Fe}} = 3{n_{F{e_3}{O_4}}} = 0,09$

Bảo toàn khối lượng : m = m_Al2O3 + m_Fe + m_Al = 0,04.102 + 0,09.56 + 0,02.27 = 9,66 gam

A tác dụng với NaOH sinh ra khí H₂ → Al dư → hỗn hợp A gồm Al₂O₃, Fe và Al dư

n_{Al dư} =$\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$  = 0,2 mol

Chất rắn B là Fe

 Fe + H₂SO₄ → H₂

0,3                     0,3

Mà ${n_{A{l_2}{O_3}}} = {n_{F{e_2}{O_3}}} = {n_{Fe}}/2$= 0,15 mol

 Bảo toàn khối lượng : m = m_Al2O3 + m_Fe + m_Al = 0,15.102 + 0,3. 56 + 0,2. 27= 37,5

TN1: n_Al  =$\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$  = 0,4 mol

TN2: 2Al + Fe₂O₃   Al₂O₃ + 2Fe

              2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂

n_{Al dư} =$\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$ = 0,1 mol

→ n_{Al phản ứng}  = 0,4 – 0,1 = 0,3 mol → ${n_{A{l_2}{O_3}}} = {n_{F{e_2}{O_3}}} = \frac{{{n_{Al}}}}{2}$_{phản ứng} =0,15 mol

→ Hỗn hợp X ban đầu gồm 0,4 mol Al và 0,15 mol Fe₂O₃

Gọi thể tích dung dịch A là V lít → $\sum {H_{}^ +  = 2V + } 2V = 4V$

Bảo toàn nguyên tố O : ${n_{{H_2}O}} = 3{n_{F{e_2}{O_3}}}$= 0,45 mol

Lượng H₂ sinh ra do X tác dụng với HCl dư bằng lượng H₂ sinh ra do X tác dụng với dung dịch A

Bảo toàn nguyên tố H : ${n_{{H^ + }}} = 2{n_{{H_2}O}} + 2{n_{{H_2}}}$→ 4V = 2.0,45 + 2.0,6 → V = 0,525 lít = 525 ml

Gọi công thức oxit sắt cần tìm là Fe_xO_y

Phần 1: n_Al  =$\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$ = 0,4 mol

Phần 2: B tác dụng với dung dịch NaOH thu được khí H₂ → Al dư sau phản ứng nhiệt nhôm

→ B gồm Al₂O₃, Fe và Al dư → chất rắn C là  Fe

n_{Al dư trong B}   =$\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$ = 0,1 mol

Cho C vào dung dịch H₂SO₄ loãng

${n_{Fe}} = {n_{{H_2}}}$= 0,3 =>${n_{F{e_x}{O_y}}}$ =$\frac{{0,3}}{x}\,mol$

Bảo toàn nguyên tố Al : n_{Al ban đầu} = n_{Al dư}  $+ 2{n_{A{l_2}{O_3}}}$ =>${n_{A{l_2}{O_3}}} =$ 0,15 mol

Bảo toàn nguyên tố O : $y.{n_{F{e_x}{O_y}}} = 3{n_{A{l_2}{O_3}}}$=> $\frac{{y,0,3}}{x}$ =0,15.3 => $\frac{x}{y} = \frac{2}{3}$

→ oxit sắt là Fe₂O₃

Y tác dụng với dung dịch NaOH không sinh ra khí → Y chứa Al₂O₃, Fe và có thể còn Fe₂O₃ dư

n_Fe = n_H2 = 0,3 mol

${n_{A{l_2}{O_3}}} = {n_{F{e_2}{O_3}}}$ _{sinh ra} = $\frac{1}{2}{n_{Fe}}$= 0,15 mol

Ta có:

n_{H2SO4 phản ứng với Al2O3} = 3.n_Al2O3 = 0,45 mol

n_{H2SO4 phản ứng với Fe} = n_Fe = 0,3 mol

Nhận thấy : $\sum {{n_{{H_2}S{O_4}}} = 0,75 < 0,9}$

→ H₂SO₄ phản ứng với Fe₂O₃ dư = 0,95 – 0,8 = 0,15 mol

→ n_{Fe2O3 dư} = 0,15 / 3 = 0,05 mol

→ m_Y = m_Al2O3 + m_Fe + m_Fe2O3 = 0,15.102 + 0,3.56 + 0,05.160 = 40,1 gam

=> m= 80,2

Cr₂O₃ và Al₂O₃ tan trong dung dịch NaOH đặc dư → chất rắn còn lại là Fe₂O₃ có khối lượng 16 gam

→ ${n_{F{e_2}{O_3}}}$ = 0,1 mol

Khử 28,8  gam X bằng phản ứng nhiệt nhôm (lượng các chất lấy bằng ½  ban đầu)

2Al + Cr₂O₃  $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$ Al₂O₃ + 2Cr

 2x  ←   x  

2Al + Fe₂O₃ $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$ Al₂O₃ + 2Fe

0,1  ←  0,05

→ n_{Al cần dùng} = 2x + 0,1 = 0,3→ x = 0,1 mol

n_Cr2O3 = 0,2 mol

=> m_Al2O3 = 10,2 gam

=> % Al₂O₃ = 18,02%

TN1: n_NO = 0,7 mol

=> Đặt n_Al = 2x => n_Fe = x

Bảo toàn e : 3n_Al + n_FeO = 3n_NO => 3.2x + x = 0,7 .3 => x = 0,3

→ n_Al = 0,6 mol;  n_FeO = 0,3 mol

TN2: 2Al  +  3FeO  $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$ Al₂O₃ + 3Fe

          0,2 ←   0,3     →        0,1  → 0,3

Hỗn hợp Y gồm Fe (0,3 mol), Al₂O₃ (0,1 mol) và Al dư (0,6 – 0,2 = 0,4 mol)

Bảo toàn e : 2n_H2 = 3. n_Al + 2. n_Fe = 3.0,4 + 2.0,3

=> V_H2 = 0,9.22,4 = 20,16 lít

          8Al + 3Fe₃O₄ $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$  4Al₂O₃ + 9Fe   (1)

           2Al + 3CuO  $\buildrel {{t^0}} \over \longrightarrow$Al₂O₃ + 3Cu      (2)

TH1: Al hết → Fe dư tác dụng với HCl tạo khí H₂

${n_{{H_2}}} = {n_{Fe}} = 0,75\,mol$

Bảo toàn nguyên tố Fe : ${n_{F{e_3}{O_4}}} = \frac{{{n_{Fe}}}}{3}$= 0,25 mol → ${n_{F{e_3}{O_4}}} =$ 58 gam

${n_{Al}} = \frac{8}{3}{n_{F{e_3}{O_4}}}$=> m_Al = 18 gam

=> ${m_{F{e_3}{O_4}}}$+ m_Al = 76 gam > m_M = 65,7 gam (vô lí)

TH2: Al dư => hỗn hợp A chứa Fe, Cu, Al₂O₃ và Al dư

Gọi n_{Al dư} = x mol, n_Fe = y mol và n_Cu = z mol có trong hỗn hợp A

Theo (1) và (2) : ${n_{A{l_2}{O_3}}} = \frac{{4{n_{Fe}}}}{9} + \frac{{{n_{Cu}}}}{3} = \frac{{4y}}{9} + \frac{z}{3}$

Bảo toàn khối lượng : m_M = m_A = 65,7 gam

→ 27x + 56y + 64z + 102.( $\frac{{4y}}{9} + \frac{z}{3}$ ) = 65,7  (3)

Bảo toàn e : $2.$${n_{{H_2}}} = 3{n_{Al}} + 2{n_{Fe}}$→ 2.0,75 = 3x + 2y   (4)

34,8 gam chất rắn gồm Fe và Cu không phản ứng → 56y + 64z = 34,8 (5)

Từ (3), (4), (5) $\left\{ \matrix{ x = 0,2 \hfill \cr y = 0,45 \hfill \cr z = 0,15 \hfill \cr} \right.$

Chất có khối lượng phân tử bé nhất là Al=> %m_Al = $\frac{{0,2.27}}{{65,7}}.100\%$ = 8,219%

Vì X tác dụng với dung dịch NaOH sinh ra khí H₂ => X gồm Al₂O₃, Fe và Al dư

n_{Al dư}  = $\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$ = 0,1 mol

Bảo toàn nguyên tử Al : n_{Al ban đầu} = n_{Al trong X} +$2.{n_{A{l_2}{O_3}}}$ = ${n_{Al{{(OH)}_3}}}$= 0,6 mol

${n_{A{l_2}{O_3}}}$_{trong X} = 0,25

Bảo toàn nguyên tử O : n_{O (oxit sắt)} =  $3.{n_{A{l_2}{O_3}}}$ = 0,75 mol

Chất rắn Z không tan là Fe

n_{e cho} = n_{e nhận} = 2n_SO2 => n_SO4^2- =  $\frac{{{n_e}}}{2}$ = $\frac{{2{n_{S{O_2}}}}}{2}$=  0,8

m_{muối sunfat} = m_Fe + m_SO4^2- → m_Fe = 110,4 - 0,8.96 = 33,6 gam

=> m = m_Fe + m_O = 33,6+ 0,75.16 = 45,6 gam