Bài tập phản ứng nhiệt nhôm không hoàn toàn

2Al +  Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe

0,4          0,15                          

Xét tỉ lệ:\({{{n_{Al}}} \over 2} = {{0,4} \over 2} > {{{n_{F{e_2}{O_3}}}} \over 1} = {{0,15} \over 1}\)

=> Fe₂O₃ hết, Al dư => phản ứng tính theo Fe₂O₃

Theo phản ứng :  n_Fe = 2n_Fe2O3 = 0,3 mol

=> H = 0,2.100% / 0,3 = 66,67%

Gọi n_Al  = x mol và n_Fe2O3 = y mol

      Fe₂O₃  +  2Al → Al₂O₃ + 2Fe

ban đầu:     y               x

phản ứng:  a/2             a

kết thúc: (y – a/2)     (x – a)

Do chất rắn sau phản ứng tác dụng với NaOH tạo khí nên Al dư

=> n_H2 = 3/2.n_Al => x – a = 0,12   (1)

m_X = 160y + 27x = 40,1   (2)

m_{chất rắn không tan} = m_Fe2O3 + m_Fe = 160.(y – a/2) + 56a = 27,68   (3)

Từ (1), (2), (3) => x = 0,3 mol;  y = 0,2 mol;  a = 0,18 mol

=> hiệu suất tính theo Al => %H = 0,18 / 0,3 . 100% = 60%

Cách khác: 

Do chất rắn sau phản ứng tác dụng với NaOH tạo khí nên Al dư

=> n_H2 = 3/2.n_Al =>n_{Al dư} = 0,12   (1)

BTKL: m_X = mAl + m_Al2O3 + 27,68

=> m_Al2O3 = 40,1 - 0,12.27 - 27,68 = 9,18

=> n_Al2O3 = 0,09. => n_Fe2O3= n_Al2O3 = 0,09 => m_{Fe dư} = 0,237 

=> n_{Al pư} = 0,18.

H%= 0,18/(0,18+0,12).100%=60%

\({{{n_{Al}}} \over 2} = {{0,1} \over 2} < {{{n_{F{e_2}{O_3}}}} \over 1} = {{0,06} \over 1}\)

=> Phản ứng tính theo Al

n _{Al dư} = 2n_H2 / 3 = 0,02 mol

=> H = [(0,1 – 0,02).100%] : 0,1  = 80%

2Al + Fe₂O₃→ Al₂O₃ + 2Fe     Câu hỏi gốc sai Fe₃O₄

0,08 → 0,04  → 0,04 → 0,08           

=> m_Z = 160.(0,06 – 0,04) + 56.0,08 = 7,68 gam

Bảo toàn nguyên tử O :  \({n_{{H_2}O}} = 4{n_{F{e_3}{O_4}}}\)= 4.0,04 = 0,16 mol

Bảo toàn nguyên tử H : \({n_{HCl}} = 2{n_{{H_2}O}} + 2{n_{{H_2}}}\)= 2.0,16 + 2.0,12 = 0,56 mol

=> n_Cl = n_HCl = 0,56 mol

=> m_muối = m_{kim loại} + m_Cl = 0,1.27 + 0,04.3.56 + 0,56.35,5 = 29,3 gam

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

Chất rắn Y có thể gồm Al₂O₃, Fe, Fe₂O₃ và Al

Y tác dụng với NaOH : n_{Al (trong Y)} = \(\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}\)= 0,4 mol

Y tác dụng với HCl : \(2{n_{{H_2}}}\)= 3n_Al + 2n_Fe  → 2.1,2 = 3.0,4 + 2n_Fe → n_Fe = 0,6 mol

\({n_{A{l_2}{O_3}}} = \frac{1}{2}{n_{Fe}}\)= 0,3 mol

Bảo toàn nguyên tử Al : n_{Al ban đầu} = 2n_Al2O3+ n_{Al dư} = 2.0,3 + 0,4 = 1 mol

n_Al = 0,6 mol, n_Fe3O4 = 0,15; n _H2 = 0,78 mol

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

Vì  \(\frac{{{n_{Al}}}}{8} > \frac{{{n_{F{e_3}{O_4}}}}}{3}\) nên hiệu suất phản ứng có thể tính theo Fe₃O₄

Gọi n_{Al phản ứng} = x mol → n_Fe = \(\frac{9}{8}x\)  mol

n_{Al dư} = 0,6 – x

Hòa tan hỗn hợp rắn trong H₂SO₄

Bảo toàn e : 2n_H2 = 3n_{Al dư} + 2n_Fe → 2.0,78 = 3.(0,6 – x) + 2. \(\frac{9}{8}x\)

→ x = 0,32 → \(H\%  = \frac{{0,32.\frac{3}{8}}}{{0,15}}.100\%  = 80\% \)

Gọi n_NO2 = a mol; n_NO = b mol → a + b = 0,18  (1)

Xét toàn bộ quá trình chỉ có Al cho e và HNO₃ nhận e

Bảo toàn e : 3n_Al = n_NO2 + 3n_NO → a + 3b = 3.0,1  (2)

Từ (1) và (2) → \(\left\{ \matrix{
a = 0,12 \hfill \cr
b = \,0,06 \hfill \cr} \right.\)

\(\mathop {{M_Y}}\limits^ -   = \frac{{0,12.46 + 0,06}}{{0,18}}\)=>\({d_{Y/2}} = 20,33\%\)

- Chất rắn thu được sau phản ứng nhiệt nhôm chỉ có Al₂O₃ và Al còn dư (nếu có) tham gia phản ứng với NaOH:

                        Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

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

n_NaOH = 2n_Al2O3 + n_{Al dư} = n_{Al ban đầu} → a = 2n_NaOH = 2.3= 6 mol (vì ½ Y chỉ phản ứng với 3 mol NaOH).

- Nhận thấy trong phản ứng nhiệt nhôm, Al nhường e cho Cr₂O₃ và FeO.

Hỗn hợp rắn sau phản ứng cho tác dụng với HCl loãng nóng dư thì Cr chuyển thành Cr²⁺; Fe chuyển thành Fe²⁺; Al chuyển thành Al³⁺; FeO chuyển thành Fe²⁺; Cr₂O₃ chuyển thành Cr³⁺; Al₂O₃ chuyển thành Al³⁺.

Số mol e trao đổi của phần II là n_{e (II)} = 2n_H2 = 2n_Cr + 2n_Fe + 3n_{Al dư} = 7,8 mol.

- Bảo toàn e : 3n_Al – 2n_{e (II)} = n_Cr => 3.6-2.7,8 = 2,4 → n_{Cr2O3 phản ứng} = 1/2.n_Cr = 1,2

→ %Cr₂O₃ phản ứng = 1,2.100% / 1,5 = 80%.

Phần 1 : H₂SO₄ nhận e, Al và Fe_xO_y cho e

Bảo toàn e : 2.n_SO2 = 3n_Al + n_{e cho oxit sắt} => n_{e cho oxit sắt} = 2.0,35 – 0,2.3 = 0,1

Ta thấy : nếu oxit sắt là FeO thì n_FeO = n_{e cho oxit sắt}

Nếu oxit sắt là Fe₂O₃ thì không cho e

Nếu oxit sắt là Fe₃O₄  thì n_Fe3O4 = n_{e cho oxit sắt} => n_FexOy = 0,1mol

Phần 2 :

Bảo toàn nguyên tố H : ${n_{HCl}} = 2{n_{{H_2}}} + 2{n_{{H_2}O}} =  > {n_{{H_2}O}} = \frac{{1,02 - 2.0,26}}{2} = 0,25$ mol

Bảo toàn nguyên tố O : n_{O trong oxit sắt}  + 3.${n_{C{r_2}{O_3}}} = {n_{{H_2}O}}$ => n_{O trong oxit sắt}  = 0,25 – 3.0,05 = 0,1 mol

=> y =  → oxit sắt là FeO  

Vì dung dịch Z phản ứng tối đa với NaOH nên kết tủa Al(OH)₃ và Cr(OH)₃ đều tan hết

→ dung dịch tạo thành chứa  $N{a^ + }(z\,mol);\,C{l^ - }\,(1,02\,mol);\,AlO_2^ - (0,2\,mol);\,CrO_2^ - \,a\,mol$

Bảo toàn điện tích : z = 1,02 + 0,2 + a (1)

Bảo toàn Cr : $2.{n_{C{r_2}{O_3}}} = {n_{CrO_2^ - }} + {n_{Cr{{(OH)}_2}}}$ => n_Cr(OH)2 = 2. 0,05- a

Bảo toàn Fe : n_{Fe trong kết tủa} = n_FeO = 0,1

=> m_{kết tủa} = m_Cr + m_Fe + m_OH  → m_OH = 17,94 – 52.(0,1 – a) – 0,1.56 = 7,14 +52a

${n_{O{H^ - }}} = \frac{{7,14 + 52a}}{{17}}$

=> n_NaOH = n_{OH trong kết tủa} + 4.n_Al(OH)3 + 4.n_Cr(OH)3 => z  = $\frac{{7,14 + 52a}}{{17}}$+ 4. 0,2 + 4.a (2)

Giải hệ (1), (2) → z = 1,22; a = 0

2Al +  Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe

0,35                                    0,35

Xét tỉ lệ: $\frac{{{n_{Al}}}}{3} = \frac{{0,35}}{3} < \frac{{{n_{Fe2O3}}}}{1} = \frac{{0,3}}{1}$

=> Fe₂O₃ dư, Al hết => phản ứng tính theo Al

Theo phản ứng :  n_Fe = n_Al = 0,35 mol

=> H = 0,2.100% / 0,35 = 57,14%

Gọi n_Al  = x mol và n_Fe2O3 = y mol

                     Fe₂O₃  +  2Al → Al₂O₃ + 2Fe

ban đầu:     y               x

phản ứng:  a/2             a

kết thúc: (y – a/2)     (x – a)

Do chất rắn sau phản ứng tác dụng với NaOH tạo khí nên Al dư

=> n_H2 = 3/2.n_Al => x – a = 0,06   (1)

m_X = 160x + 27y = 21,67   (2)

m_{chất rắn không tan} = m_Fe2O3 + m_Fe = 160.(y – a/2) + 56a = 12,4   (3)

Từ (1), (2), (3) => x = 0,21 mol;  y = 0,1 mol;  a = 0,15 mol

=> hiệu suất tính theo Fe₂O₃ => %H = 0,075 / 0,1 . 100% = 75%

n _{Al dư} = 2n_H2 / 3 = 0,1 mol

=> H = [(0,25 – 0,1).100%] : 0,25  = 60%

2Al + Fe₃O₄→ Al₂O₃ + 2Fe

0,15 → 0,075 →0,075→0,15

=> m_Z = 160.(0,15 – 0,075) + 56.0,15 = 20,4 gam

Bảo toàn nguyên tử O : ${n_{{H_2}O}} = 4{n_{F{e_3}{O_4}}}$= 4.0,04 = 0,16 mol

Bảo toàn nguyên tử H : ${n_{HCl}} = 2{n_{{H_2}O}} + 2{n_{{H_2}}}$= 2.0,16 + 2.0,15 = 0,62 mol

=> n_Cl = n_HCl = 0,62 mol

=> m_muối = m_{kim loại} + m_Cl = 0,12.27 + 0,04.3.56 + 0,62.35,5 = 31,97 gam

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

Chất rắn Y có thể gồm Al₂O₃, Fe, Fe₂O₃ và Al

Y tác dụng với NaOH : n_{Al (trong Y)} = $\frac{2}{3}{n_{{H_2}}}$ = 0,2 mol

Y tác dụng với HCl :$2{n_{{H_2}}}$ = 3n_Al + 2n_Fe  → 2.0,4 = 3.0,2 + 2n_Fe → n_Fe = 0,1 mol

${n_{A{l_2}{O_3}}} = \frac{1}{2}{n_{Fe}}$= 0,05 mol

Bảo toàn nguyên tử Al : n_{Al ban đầu} = 2n_Al2O3+ n_{Al dư} = 2.0,05 + 0,2 = 0,3 mol

${n_{Al}} = 0,4\,mol;\,\,{n_{F{e_3}{O_4}}} = 0,15\,\,mol;\,\,{n_{{H_2}}} = 0,48\,\,mol$

8Al + 3Fe₃O₄ $\xrightarrow{{{t^o}}}$ 4Al₂O₃ + 9Fe

Vì $\frac{{{n_{Al}}}}{8} = \frac{{{n_{F{e_3}{O_4}}}}}{3}$ nên hiệu suất phản ứng có thể tính theo Al hoặc Fe₃O₄

Gọi n_{Al phản ứng} = x mol → n_Fe = $\frac{9}{8}x$ mol

n_{Al dư} = 0,4 – x

Hòa tan hỗn hợp rắn trong H₂SO₄

Bảo toàn e : 2n_H2 = 3n_{Al dư} + 2n_Fe → 2.0,48 = 3.(0,4 – x) + 2.$\frac{9}{8}x$

→ x = 0,32 → $H = \frac{{0,32}}{{0,4}}.100\% = 80\% $

Gọi n_NO2 = a mol; n_NO = b mol → a + b = 0,04  (1)

Xét toàn bộ quá trình chỉ có Al cho e và HNO₃ nhận e

Bảo toàn e : 3n_Al = n_NO2 + 3n_NO → a + 3b = 3.0,02  (2)

Từ (1) và (2) → $\left\{ \begin{gathered}a = 0,03 \hfill \\b = 0,01 \hfill \\ \end{gathered} \right.$ 

$ \to \,\,{\overline M _Y} = \dfrac{{0,03.46 + 0,01.30}}{{0,04}} = 42\,$

=> d_Y/H2$ = \frac{{42}}{2} = 21$

- Chất rắn thu được sau phản ứng nhiệt nhôm chỉ có Al₂O₃ và Al còn dư (nếu có) tham gia phản ứng với NaOH:

                        Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

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

n_NaOH = 2n_Al2O3 + n_{Al dư} = n_{Al ban đầu} → a = 2n_NaOH = 0,08mol (vì ½ Y chỉ phản ứng với 0,04 mol NaOH).

- Nhận thấy trong phản ứng nhiệt nhôm, Al nhường e cho Cr₂O₃ và FeO.

Hỗn hợp rắn sau phản ứng cho tác dụng với HCl loãng nóng dư thì Cr chuyển thành Cr²⁺; Fe chuyển thành Fe²⁺; Al chuyển thành Al³⁺; FeO chuyển thành Fe²⁺; Cr₂O₃ chuyển thành Cr³⁺; Al₂O₃ chuyển thành Al³⁺.

Số mol e trao đổi của phần II là n_{e (II)} = 2n_H2 = 2n_Cr + 2n_Fe + 3n_{Al dư} = 0,1 mol.

- Bảo toàn e : 3n_Al – 2n_{e (II)} = n_Cr = 0,04 → n_{Cr2O3 phản ứng} = 1/2.n_Cr = 0,02

→ %Cr₂O₃ phản ứng = 0,02.100% / 0,03 = 66,67%

Phần 1 : H₂SO₄ nhận e, Al và Fe_xO_y cho e

Bảo toàn e : 2.n_SO2 = 3n_Al + n_{e cho oxit sắt} => n_{e cho oxit sắt} = 2.0,04 – 0,02.3 = 0,02

Ta thấy : nếu oxit sắt là FeO thì n_FeO = n_{e cho oxit sắt}

Nếu oxit sắt là Fe₂O₃ thì không cho e

Nếu oxit sắt là Fe₃O₄  thì n_Fe3O4 = n_{e cho oxit sắt} => n_FexOy = 0,02 mol

Phần 2 :

Bảo toàn nguyên tố H : ${{n}_{HCl}}=2{{n}_{{{H}_{2}}}}+2{{n}_{{{H}_{2}}O}}\to \,\,{{n}_{{{H}_{2}}O}}=\frac{0,25-2.0,015}{2}=0,11\,\,mol$

Bảo toàn nguyên tố O : n_{O trong oxit sắt}  + $3{{n}_{C{{\text{r}}_{2}}{{O}_{3}}}}={{n}_{{{H}_{2}}O}}$=> n_{O trong oxit sắt}  = 0,11 – 3.0,01 = 0,08 mol

=> y = $\frac{{{n}_{O\,\,trong\,\text{ox}it}}}{{{n}_{F{{e}_{x}}{{O}_{y}}}}}=\frac{0,08}{0,02}=4$ → oxit sắt là Fe₃O₄  

Vì dung dịch Z phản ứng tối đa với NaOH nên kết tủa Al(OH)₃ và Cr(OH)₃ đều tan hết

→ dung dịch tạo thành chứa :

$N{{a}^{+}}\,\,(z\text{ }mol);\text{ }C{{l}^{-}}\,\,(0,25\,\,mol);\text{ }AlO_{2}^{-}\text{ (0,02}\,\,\text{mol); }CrO_{2}^{-}\text{ (a}\,\,\text{mol)}$

Bảo toàn điện tích : z = 0,25 + 0,02 + a (1)

Bảo toàn Cr : $2{{n}_{C{{\text{r}}_{2}}{{O}_{3}}}}={{n}_{C\text{r}O_{2}^{-}}}+{{n}_{\text{Cr}{{(OH)}_{2}}}}\to {{n}_{C\text{r}{{(OH)}_{2}}}}=2.0,01-a=0,02-a$

Bảo toàn Fe : n_{Fe trong kết tủa} = 3.n_Fe3O4 = 0,06

=> m_{kết tủa} = m_Cr + m_Fe + m_OH  → m_OH = 6,6 – 52.(0,02 – a) – 0,06.56 = 2,2 +52a

$=>\,\,{{n}_{OH}}=\frac{2,2+52a}{17}\,\,mol$

=> n_NaOH = n_{OH trong kết tủa} + 4.n_Al(OH)3 + 4.n_Cr(OH)3­ => z $=\frac{2,2+52a}{17}\,+\text{ }4.0,02\text{ }+\text{ }4a\text{ }\left( 2 \right)$

Giải hệ (1), (2) → z = 0,28; a = 0,01

n_{Al bđ} = 21,6 : 27 = 0,8 mol

- Do Z tác dụng với NaOH thu được khí H₂ => Z có chứa Al => Al dư, các oxit sắt hết

2Al + 3Fe_xO_y \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) yAl₂O₃ + 3xFe   (1)

Chất rắn Y: Fe, Al₂O₃, Al dư

Al_dư + NaOH  + H₂O → NaAlO₂ + 1,5H₂↑    (2)

0,2                                      ←        0,3

- Khi cho Z tác dụng với HNO₃:

Bảo toàn electron: 3n_Al + 3n_Fe = 3n_NO => n_Al + n_Fe = n_NO hay 0,2 + n_Fe = 0,85 => n_Fe = 0,65 (mol)

BTNT "Al": n_Al2O3 = (n_{Al bđ} - n_{Al dư})/2 = (0,8 - 0,2)/2 = 0,3 mol

BTNT "O": n_O(X) = 3n_Al2O3 = 0,9 mol

=> m = m_Fe + m_O = 0,65.56 + 0,9.16 = 50,8(gam)