Phản ứng oxi hóa khử Al + HNO3 → Al(NO3)3 + NO + H2O

1. Phản ứng oxi hóa khử: Al + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NO + 2H2O

Quá trình trao đổi electron:

Al – 3e → Al3+
N5+ + 3e → N2+

Bản chất của các chất tham gia trong phản ứng là:

– Nhôm (Al) trong phản ứng trên đóng vai trò là chất khử.

– Nhôm tác động với các axit có tính oxi hoá mạnh, như dung dịch HNO3 loãng, dung dịch HNO3 đặc nóng và dung dịch H2SO4 đặc nóng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhôm sẽ bị ức chế trong dung dịch HNO3 đặc nguội hoặc dung dịch H2SO4 đặc nguội.

– Axit nitric (HNO3) trong phản ứng trên đóng vai trò là chất oxi hoá.

– HNO3 là một monoaxit mạnh có tính oxi hóa mạnh, có khả năng chuyển nhiều hợp chất vô cơ thành nitrat.

Điều kiện phản ứng Al+HNO3:  Nhiệt độ phòng – không cần thêm điều kiện gì khác nữa.

Cách thực hiện phản ứng Al+HNO3:

Bước 1: Chuẩn bị:

1 mẫu nhôm tinh khiết (Al) trong dạng lá hoặc mảnh nhỏ. Đảm bảo nhôm không bị ẩm ướt hoặc oxi hóa trước khi sử dụng. Chuẩn bị axit nitric (HNO3) có nồng độ phù hợp. Đối với phản ứng này, thường sử dụng axit nitric ở nồng độ 1-2 M.

Bước 2: Thực hiện phản ứng:

Đặt mẫu nhôm vào một bình hoá học hoặc chất chứa phản ứng.
Dùng pipet hoặc ống nhỏ, thêm từ từ axit nitric vào mẫu nhôm. Chú ý cẩn thận để tránh tiếp xúc trực tiếp với axit nitric, vì nó là một chất ăn mòn mạnh.

Khi axit nitric tác dụng lên nhôm, ta sẽ quan sát thấy sự phát sinh khí nitơ monôxít (NO) và có thể có hiện tượng bọt khí và sủi bọt xảy ra. Đồng thời, mẫu nhôm sẽ tan dần trong axit nitric và hình thành muối nitrat nhôm (Al(NO3)3).
Tiếp tục thêm axit nitric cho đến khi phản ứng hoàn toàn xảy ra hoặc mẫu nhôm đã hoàn toàn tan.

Bước 3: Kết quả và xử lý:

Khi phản ứng kết thúc, bạn sẽ thu được dung dịch chứa muối nitrat nhôm (Al(NO3)3), khí nitơ monôxít (NO) và nước (H2O). 

Dung dịch có thể được cô đặc hoặc tinh chế để thu được muối nitrat nhôm tinh khiết. Chú ý rằng phản ứng giữa nhôm và axit nitric là một phản ứng oxi hóa-khử, vì nhôm bị oxi hóa thành Al(NO3)3 trong khi axit nitric bị khử thành nitơ monôxít (NO). Đảm bảo tiến hành phản ứng trong một môi trường thoáng khí và tuân thủ các quy tắc an toàn khi làm việc với axit nitric.

2. Hiện tượng nhận biết phản ứng:

Khi nhôm (Al) tác dụng với axit nitric (HNO3), một số hiện tượng quan sát được bao gồm:

Phát sinh khí nitơ monôxít (NO): Trong quá trình phản ứng, nhôm sẽ oxi hóa thành muối nitrat nhôm (Al(NO3)3), đồng thời tạo ra khí nitơ monôxít (NO). Khí này có màu nâu đỏ và thường có mùi hắc nhẹ. Hiện tượng này thường được quan sát được trong quá trình phản ứng. Sủi bọt và giảm kích thước mẫu nhôm: Khi nhôm tác động với axit nitric, có thể thấy sủi bọt và khí bọt khí được giải phóng. Mẫu nhôm cũng sẽ giảm kích thước và tan dần trong axit nitric. Quá trình này xảy ra do nhôm bị oxi hóa trong axit.

Nhiệt phát: Phản ứng giữa nhôm và axit nitric có thể là một phản ứng exothermic (phát nhiệt). Do đó, có thể cảm nhận được sự nóng lên trong quá trình phản ứng.Màu xanh của dung dịch: Dung dịch sau khi phản ứng có thể có màu xanh do có sự hình thành của muối nitrat nhôm (Al(NO3)3). Tuy nhiên, màu sắc chính xác của dung dịch có thể phụ thuộc vào nồng độ và tỉ lệ phản ứng.

3. Tính chất hóa học của nhôm:

Tác dụng với oxi và một số phi kim:

4Al + 3O2→ 2Al2O3

Ở điều kiện thường, nhôm phản ứng với oxi tạo thành lớp Al2O3 mỏng bền vững, lớp oxit này bảo vệ đồ vật bằng nhôm, không cho nhôm tác dụng oxi trong không khí, nước.

2Al + 3Cl2 → 2AlCl3

Nhôm tác dụng với axit (HCl, H2SO4 loãng,..):

– Tác dụng với axit (HCl, H2SO4 loãng,..)

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

Chú ý: Nhôm không tác dụng với H2SO4, HNO3đặc, nguội

– Tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh như HNO3 hoặc H2SO4 đậm đặc

Al + 4HNO3→ Al(NO3)3 + NO + 2H2O

Al + 6HNO3 → Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

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

Tác dụng với dung dịch muối của kim loại yếu hơn:

AI + 3AgNO3 → Al(NO3)3 + 3Ag

2Al + 3FeSO4 → Al2(SO4)3 + 3Fe

Tính chất hóa học riêng của nhôm:

Do lớp oxit nhôm bị hòa tan trong kiềm nên nhôm phản ứng với dung dịch kiềm.

2Al + 2H2O + 2NaOH → 2NaAlO2+ 3H2↑

Phản ứng nhiệt nhôm:

Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học toả nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở nhiệt độ cao.

Nổi bật nhất là phản ứng nhiệt nhôm giữa oxit sắt III và nhôm: Fe2O3+ 2Al → 2Fe + Al2O3

Một số phản ứng khác như:

3CuO + 2Al → Al2O3 + 3Cu

8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe

Cr2O3 + 2Al →  Al2O3 + 2Cr

4. Cách cân bằng phương trình hóa học:

Ở phương trình hoá học, chúng ta biểu diễn các chất tham gia, chất xúc tác (nếu có) và các chất được tạo thành khi phản ứng kết thúc. Thông qua phương trình hoá học, chúng ta có thể hiểu được tỷ lệ số nguyên tử và phân tử giữa các chất hoặc cặp chất tham gia vào phản ứng hóa học, cũng như giữa các chất hoặc cặp chất tạo thành sau phản ứng.

Để viết một phương trình hoá học hoàn chỉnh, cần thực hiện các bước sau:

Bước 1: Lập sơ đồ phản ứng: Bắt đầu viết sơ đồ phản ứng bằng cách liệt kê các chất tham gia, chất xúc tác (nếu có), và điều kiện phản ứng như điều kiện tiêu chuẩn hoặc điều kiện thường, nhiệt độ, v.v. Cuối cùng, thêm các chất tạo thành với đúng công thức hoá học.

Bước 2: Cân bằng phương trình hoá học: Tiến hành cân bằng tỷ lệ số nguyên tử hoặc phân tử của các cặp chất tham gia và sản phẩm sao cho phương trình hoá học hoàn chỉnh nhất, đồng thời đảm bảo tuân thủ nguyên tắc bảo toàn khối lượng và nguyên tử.

Bước 3: Hoàn thiện phương trình hoá học: Sau khi đã cân bằng các hệ số phù hợp cho các chất tham gia và sản phẩm, ta hoàn thiện phương trình hoá học bằng cách kiểm tra lại tính cân bằng và chính xác của các hệ số đã được gán.

Quá trình cân bằng phương trình hóa học là một bước để hoàn thiện phương trình hóa học, là quá trình sử dụng các số tự nhiên để điền vào vị trí của các chất tham gia và chất sản phẩm trong phương trình, sao cho tổng số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong chất tham gia bằng tổng số nguyên tử của cùng nguyên tố trong chất sản phẩm.

Ví dụ: Cân bằng phương trình hóa học:

aCH4 + [b]O2 →[c]CO2 + [d]H2O

Quá trình cân bằng phương trình phản ứng sử dụng các số tự nhiên từ tập N* để điền vào vị trí a, b, c, d, đảm bảo rằng số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong chất tham gia và chất sản phẩm là bằng nhau.

Trong ví dụ trên có các hợp chất sau:

Chất tham gia:

– CH4 bao gồm 1 nguyên tử cacbon và 4 nguyên tử hidro.

– O2 bao gồm 2 nguyên tử oxi.

Chất sản phẩm:

– CO2 bao gồm 1 nguyên tử cacbon và 2 nguyên tử oxi.

– H2O bao gồm 2 nguyên tử hidro và 1 nguyên tử oxi.

Số nguyên tử cacbon đã bằng nhau, vì vậy không cần kiểm tra nữa. Số nguyên tử hidro trong chất sản phẩm bị thiếu 2, vì vậy chúng ta điền số 2 vào vị trí [d]. Sau đó, ta kiểm tra lại số nguyên tử oxi và thấy rằng chất tham gia thiếu 2 nguyên tử oxi. Điền số 2 vào vị trí [b]. Kiểm tra lại một lần nữa, chúng ta thấy rằng số nguyên tử của các nguyên tố đã bằng nhau. Do đó, phương trình hóa học đã được cân bằng.