Cân bằng phản ứng: Al + HNO3 → Al(NO3)3 + N2 + H2O

1. Cân bằng phản ứng: Al + HNO3 → Al(NO3)3 + N2 + H2O:

Cân bằng phản ứng là một quá trình quan trọng trong hóa học, giúp xác định số mol của các chất tham gia và sản phẩm trong một phản ứng hóa học. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu cách cân bằng phản ứng sau:

10Al + 36HNO3 loãng → 10Al(NO3)3 + 3N2 + 18H2O

Đây là một phản ứng oxi hóa khử, trong đó kim loại nhôm (Al) bị oxi hóa từ số oxi hóa 0 lên +3, còn nitơ (N) trong axit nitric (HNO3) bị khử từ số oxi hóa +5 xuống 0. Để cân bằng phản ứng này, chúng ta có thể áp dụng các bước sau:

– Bước 1: Viết phương trình chưa cân bằng, ghi rõ trạng thái của các chất: 10Al(s) + 36HNO3(aq) → 10Al(NO3)3(aq) + 3N2(g) + 18H2O(l)

– Bước 2: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong các chất: Al(0), H(+1), N(+5), O(-2)

– Bước 3: Xác định nguyên tố nào bị oxi hóa và nguyên tố nào bị khử: Al bị oxi hóa, N bị khử

– Bước 4: Viết phương trình ion electron cho quá trình oxi hóa và quá trình khử:

Oxi hóa: Al(s) → Al^3+^(aq) + 3e^-

Khử: N(+5) + e^- → N(0)

– Bước 5: Nhân các hệ số sao cho tổng số electron bị nhường và nhận bằng nhau:

Oxi hóa: 10Al(s) → 10Al^3+^(aq) + 30e^-

Khử: 30e^- + 36HNO3(aq) → 18H2O(l) + 3N2(g)

– Bước 6: Cộng hai phương trình ion electron lại với nhau để được phương trình cân bằng:

10Al(s) + 36HNO3(aq) → 10Al(NO3)3(aq) + 18H2O(l) + 3N2(g)

– Bước cuối cùng: Kiểm tra lại xem có cân bằng về số nguyên tử, điện tích và khối lượng hay không. Nếu có, ta đã hoàn thành việc cân bằng phản ứng.

2. Điều kiện xảy ra phương trình phản ứng 10Al + 36HNO3 loãng → 10Al(NO3)3 + 3N2 + 18H2O:

Phương trình phản ứng trên cho biết sự phản ứng giữa nhôm và axit nitric loãng, tạo ra muối nhôm nitrat, khí nitơ và nước. Để xảy ra phản ứng này, cần có một số điều kiện như sau:

– Nồng độ của dung dịch HNO3 loãng phải đủ cao, khoảng 65-70%.

– Nhiệt độ của dung dịch HNO3 loãng phải đủ cao, khoảng 80-90 độ C.

– Kim loại nhôm phải có bề mặt sạch, không bị phủ lớp nhôm oxit bảo vệ.

– Kim loại nhôm phải có dạng mảnh, dây hoặc bột để tăng diện tích tiếp xúc với dung dịch HNO3 loãng.

Khi thỏa mãn các điều kiện trên, kim loại nhôm sẽ phản ứng với axit nitric loãng theo tỉ lệ 1:3,6, tạo ra muối nhôm nitrat, khí nitơ và nước. Dung dịch sẽ có màu xanh nhạt do chứa muối nhôm nitrat. Phương trình phản ứng có thể viết như sau:

10Al + 36HNO3 loãng → 10Al(NO3)3 + 3N2 + 18H2O

Phương trình này là một phương trình phản ứng oxi hóa – khử, trong đó nhôm bị oxi hóa từ số oxi hóa 0 lên +3, còn nitơ bị khử từ số oxi hóa +5 xuống 0. Phản ứng này thuộc loại phản ứng nhiệt nhôm, tức là phản ứng giữa kim loại nhôm với một chất oxi hóa mạnh, thường là axit nitric hoặc muối nitrat, tạo ra nhiệt lượng lớn và khí nitơ.

3. Cách thực hiện thí nghiệm phản ứng 10Al + 36HNO3 loãng → 10Al(NO3)3 + 3N2 + 18H2O:

Để thực hiện thí nghiệm phản ứng 10Al + 36HNO3 loãng → 10Al(NO3)3 + 3N2 + 18H2O, bạn cần chuẩn bị những dụng cụ và hóa chất sau:

– Một bình cầu có dung tích khoảng 500 ml, có nút cao su có hai lỗ.

– Một ống nghiệm có dung tích khoảng 100 ml, có nút cao su có một lỗ.

– Một đèn cồn hoặc đèn bếp gas.

– Một que đèn hoặc một que diêm.

– Một miếng nhôm dạng tấm hoặc dạng dây, có khối lượng khoảng 2,7 g.

– Một dung dịch HNO3 loãng, có nồng độ khoảng 1M, có thể mua tại các cửa hàng hóa chất hoặc tự pha loãng từ HNO3 đậm đặc.

– Một dung dịch phenolphtalein, có thể mua tại các cửa hàng hóa chất hoặc tự làm từ phenolphtalein bột và cồn.

Các bước thực hiện thí nghiệm như sau:

– Đổ khoảng 200 ml dung dịch HNO3 loãng vào bình cầu, nhỏ vài giọt phenolphtalein vào dung dịch để quan sát màu sắc. Dung dịch sẽ có màu hồng do HNO3 là axit mạnh.

– Cắt miếng nhôm thành những mảnh nhỏ, cho vào ống nghiệm. Đậy nút cao su có một lỗ cho ống nghiệm, đưa ống nghiệm vào bình cầu sao cho miệng ống nghiệm chìm trong dung dịch HNO3 loãng. Đậy nút cao su có hai lỗ cho bình cầu, đưa que đèn hoặc que diêm qua một lỗ của nút cao su để thu khí N2 sinh ra trong phản ứng.

– Đun nóng dung dịch HNO3 loãng bằng đèn cồn hoặc đèn bếp gas. Khi dung dịch sôi, nhôm sẽ phản ứng với HNO3 loãng theo phương trình: 10Al + 36HNO3 loãng → 10Al(NO3)3 + 3N2 + 18H2O. Bạn sẽ thấy khí N2 thoát ra từ miệng ống nghiệm và đi qua que đèn hoặc que diêm. Bạn có thể thổi que đèn hoặc que diêm để tạo ngọn lửa và quan sát khí N2 cháy với không khí tạo thành NO2 màu nâu đỏ.

– Quan sát dung dịch trong bình cầu, bạn sẽ thấy màu hồng của phenolphtalein biến mất do dung dịch trở thành trung tính sau khi nhôm phản ứng hết với HNO3 loãng. Đây là một phản ứng trao đổi ion giữa kim loại và axit.

Thí nghiệm này cho thấy tính chất hóa học của nhôm và HNO3 loãng, cũng như khả năng cháy của khí N2. Bạn cần thận trọng khi thực hiện thí nghiệm này vì dung dịch HNO3 loãng có tính ăn mòn và khí NO2 sinh ra khi N2 cháy có thể gây kích ứng đường hô hấp.

4. Bài tập về phương trình: Al + HNO3 → Al(NO3)3 + N2 + H2O:

Bài 1: Cho 2,7 gam Al tác dụng với dung dịch HNO3 đặc, nóng. Tính khối lượng muối Al(NO3)3 thu được và thể tích khí N2 (đktc) thoát ra.

Lời giải:

Phương trình phản ứng: Al + HNO3 → Al(NO3)3 + N2 + H2O

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có: nAl = nAl(NO3)3 = mAl/MAl = 2,7/27 = 0,1 (mol)

Theo định luật bảo toàn nguyên tố, ta có: nN2 = nAl/2 = 0,1/2 = 0,05 (mol)

– Khối lượng muối Al(NO3)3 thu được là: mAl(NO3)3 = nAl(NO3)3 x MAl(NO3)3 = 0,1 x (27 + 3 x 14 + 9 x 16) = 21,3 (gam)

– Thể tích khí N2 thoát ra là: VN2 = nN2 x Vđktc = 0,05 x 22,4 = 1,12 (lít)

Bài 2: Cho biết trong phản ứng Al + HNO3 → Al(NO3)3 + N2 + H2O, nếu thay đổi nồng độ của dung dịch HNO3 thì có ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng hay không? Giải thích.

Lời giải:

– Có. Nếu nồng độ của dung dịch HNO3 càng cao thì hiệu suất của phản ứng càng cao. Ngược lại, nếu nồng độ của dung dịch HNO3 càng thấp thì hiệu suất của phản ứng càng thấp.

– Lý do là vì khi nồng độ của dung dịch HNO3 cao thì tốc độ phản ứng cũng cao, do đó số mol HNO3 phản ứng được cũng nhiều hơn. Khi đó, số mol sản phẩm Al(NO3)3 và N2 cũng nhiều hơn. Ngược lại, khi nồng độ của dung dịch HNO3 thấp thì tốc độ phản ứng cũng thấp, do đó số mol HNO3 phản ứng được cũng ít hơn. Khi đó, số mol sản phẩm Al(NO3)3 và N2 cũng ít hơn.

Bài 3: Cho biết trong phản ứng Al + HNO3 → Al(NO3)3 + N2 + H2O, nếu thay đổi nhiệt độ của dung dịch HNO3 thì có ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng hay không? Giải thích.

Lời giải:

– Có. Nếu nhiệt độ của dung dịch HNO3 càng cao thì hiệu suất của phản ứng càng cao. Ngược lại, nếu nhiệt độ của dung dịch HNO3 càng thấp thì hiệu suất của phản ứng càng thấp.

– Lý do là vì khi nhiệt độ của dung dịch HNO3 cao thì tốc độ phản ứng cũng cao, do đó số mol HNO3 phản ứng được cũng nhiều hơn. Khi đó, số mol sản phẩm Al(NO3)3 và N2 cũng nhiều hơn. Ngược lại, khi nhiệt độ của dung dịch HNO3 thấp thì tốc độ phản ứng cũng thấp, do đó số mol HNO3 phản ứng được cũng ít hơn. Khi đó, số mol sản phẩm Al(NO3)3 và N2 cũng ít hơn.

Bài 4: Cho 2,7 gam Al vào dung dịch chứa 0,1 mol Al(NO3)3. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được dung dịch X và khí Y. Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch X và thể tích khí Y (đktc).

Lời giải: Phương trình phản ứng: 2Al + 3Al(NO3)3 -> 6Al(NO3)2 + Al2O3

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có: n(Al) = n(Al2O3) = 0,1 mol

n(Al(NO3)3) = 0,1 – 1,5n(Al) = 0,1 – 0,15 = 0,05 mol

n(Al(NO3)2) = 3n(Al) = 0,3 mol

Vậy nồng độ mol của các chất trong dung dịch X là:

[Al(NO3)2] = n(Al(NO3)2)/V = 0,3/V (mol/l)

[Al(NO3)3] = n(Al(NO3)3)/V = 0,05/V (mol/l)

Thể tích khí Y (đktc) là: V(Y) = n(Y).22,4 = 0 (l)

Bài 5: Cho m gam Al vào dung dịch chứa a mol HNO3. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được dung dịch chứa b mol NO và c gam muối khan. Tìm m, a, b, c.

Lời giải: Phương trình phản ứng: Al + HNO3 -> Al(NO3)3 + NO + H2O

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có hệ phương trình:

m + a.63 = c + b.30

m/27 + a/4 = b/2 + c/213

Giải hệ phương trình trên, ta được:

m = (c – a.63)/4 + b.15

a = (c – m)/63 – b.15/63

b = (m/27 + c/213 – a/4)*2

c = m + a.63 – b.30

Bài 6: Cho m gam hỗn hợp gồm Al và Fe vào dung dịch chứa 0,5 mol HNO3 loãng. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được dung dịch chứa 0,25 mol NO và khí H2 thoát ra có thể tích là V (đktc). Tìm m và V.

Lời giải:

Phương trình phản ứng:

Al + HNO3 -> Al(NO3)3 + NO + H2O

Fe + HNO3 -> Fe(NO3)2 + NO + H2O

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có hệ phương trình:

m = n(Al).27 + n(Fe).56

n(HNO3) = n(Al)/4 + n(Fe)/6

n(NO) = n(Al)/4 + n(Fe)/6

n(H2) = n(Fe)/6

Thay các giá trị đã cho vào hệ phương trình trên, ta được:

m = n(Al).27 + (0,5 – n(Al)/4).56

0,25 = n(Al)/4 + (0,5 – n(Al)/4)/6

Giải hệ phương trình trên, ta được:

n(Al) = 0,16 mol

n(Fe) = 0,24 mol

m = 14,52 gam

V(H2) = n(H2).22,4 = 0,24.22,4 = 5,376 (l)