Phản ứng giữa nhôm (Al) và axit nitric (HNO₃) để tạo ra khí cười (N₂O) là một trong những nội dung trọng tâm của chương trình Hóa học phổ thông. Hiểu rõ bản chất oxy hóa – khử Al + HNO3 không chỉ giúp bạn giải quyết các bài toán phức tạp mà còn nắm vững tính chất hóa học đặc trưng của kim loại nhôm.
Phương trình và cách cân bằng
Trong các đề thi đại học và học sinh giỏi, phản ứng của Al với dung dịch HNO₃ loãng thường được đưa vào để kiểm tra kỹ năng cân bằng phương trình bằng phương pháp thăng bằng electron. Đây là một phản ứng thú vị vì tùy vào nồng độ axit mà sản phẩm khử của Nitơ sẽ khác nhau.
Cách cân bằng phương trình theo phương pháp thăng bằng electron
Để cân bằng chính xác phản ứng này, chúng ta thực hiện theo các bước khoa học sau đây:
- Bước 1: Xác định số oxi hóa thay đổi.
- Al từ 0 lên + (Chất khử).
- N trong HNO3 từ +5 xuống +1 trong N2O (Chất oxy hóa).
- Bước 2: Viết các quá trình oxy hóa và quá trình khử.
- Quá trình oxy hóa: Al0 → Al+3 + 3e
- Quá trình khử: 2N+5 + 8e →2N+1 (N2O)
- Bước 3: Tìm hệ số thăng bằng (BCNN của 3 và 8 là 24).
- Nhân hệ số 8 cho quá trình oxy hóa.
- Nhân hệ số 3 cho quá trình khử.
- Bước 4: Đặt hệ số vào phương trình và kiểm tra.
8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O
Điều kiện và hiện tượng phản ứng
Phản ứng này thường xảy ra với HNO3 loãng. Khi cho lá nhôm vào dung dịch, ta thấy nhôm tan dần, có sủi bọt khí không màu, mùi hơi ngọt (khí N₂O) thoát ra từ dung dịch.
Tính chất hóa học đặc trưng của Nhôm (Al)
Nhôm là một kim loại có tính khử mạnh, chỉ đứng sau kim loại kiềm và kiềm thổ. Tuy nhiên, trong đời sống, nhôm lại rất bền nhờ lớp màng oxit bảo vệ. Việc hiểu sâu các phản ứng của nhôm giúp chúng ta ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp và đời sống.
Tác dụng với Phi kim và Axit thông thường
Nhôm dễ dàng phản ứng với Oxy tạo thành Al2O3 hoặc bốc cháy trong khí Clo tạo thành muối AlCl3. Đối với các axit không có tính oxy hóa mạnh như HCl hay H2SO4 loãng, nhôm giải phóng khí Hydro:
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
Tác dụng với dung dịch Kiềm (Tính chất đặc biệt)
Đây là tính chất quan trọng nhất của nhôm. Nhôm tan được trong dung dịch kiềm (NaOH, KOH) do lớp màng oxit bị phá hủy, sau đó nhôm phản ứng với nước:
2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2
Phản ứng nhiệt nhôm
Nhôm có khả năng khử nhiều oxit kim loại (Fe, Cr, Cu…) ở nhiệt độ cao, tỏa ra nhiệt lượng rất lớn, thường được dùng để hàn đường ray tàu hỏa:
2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe
Bài tập vận dụng liên quan đến phản ứng Al + HNO₃
Sau khi nắm vững lý thuyết, học sinh cần luyện tập các dạng bài quen thuộc để củng cố kiến thức và nâng cao kỹ năng giải toán.
Câu 1. Nhận biết khí sinh ra
Hòa tan hoàn toàn nhôm trong dung dịch HNO₃ loãng, thu được khí X không màu, không mùi, không làm đổi màu quỳ tím ẩm. Khí X là
- NO2
- NO
- N2O
- H2
Hướng dẫn giải
NO2 có màu nâu đỏ nên loại. NO tuy không màu nhưng dễ hóa nâu trong không khí. H2 không sinh ra khi Al tác dụng với HNO3. Khí phù hợp là N2O.
Đáp án: C
Câu 2. Viết phương trình phản ứng
Phương trình phản ứng giữa Al và HNO3 loãng tạo N2O là
- 4Al + 12HNO3 → 4Al(NO3)3 + N2O + 6H2O
- 8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O
- 6Al + 18HNO3 → 6Al(NO3)3 + 3N2O + 9H2O
- 2Al + 6HNO3 → 2Al(NO3)3 + N2O + 3H2O
Hướng dẫn giải
Phương trình cân bằng đúng là:
8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O
Đáp án: B
Câu 3. Tính khối lượng nhôm
Hòa tan hoàn toàn m gam Al trong dung dịch HNO3 loãng dư, thu được 2,24 lít khí N2O (đktc). Giá trị của m là
- 5,4 gam
- 7,2 gam
- 8,1 gam
- 10,8 gam
Hướng dẫn giải
Số mol N2O:
n=2,2422,4=0,1 mol
1 mol N2O nhận 8 mol electron. Tổng electron nhận: 0,8 mol.
Nhôm nhường electron:
3nAl = 0,8 ⇒ nAl = 0,2667 mol
Khối lượng Al:
m = 0,2667 × 27 = 7,2 gam
Đáp án: B
Câu 4. Bài toán hỗn hợp khí
Hòa tan hoàn toàn Al trong dung dịch HNO3 loãng thu được hỗn hợp khí gồm NO và N2O có tỉ lệ mol 2 : 1. Tổng thể tích khí là 6,72 lít (đktc). Khối lượng Al phản ứng là
- 9,0 gam
- 10,8 gam
- 12,6 gam
- 13,5 gam
Hướng dẫn giải
Số mol khí: 0,3 mol. NO: 0,2 mol, nhận 3e/mol. N2O: 0,1 mol, nhận 8e/mol
Tổng electron nhận:
0,2 × 3 + 0,1 × 8 = 1,4
3nAl = 1,4 ⇒ nAl = 0,4667
m = 12,6 gam
Đáp án: C
Kết Luận
Phản ứng Al + HNO3 là nội dung then chốt trong chương trình Hóa học THPT, đòi hỏi học sinh phải hiểu rõ bản chất oxi hóa – khử, điều kiện phản ứng và phương pháp giải bài tập. Việc nắm chắc dạng phản ứng tạo N₂O cùng các dạng bài vận dụng sẽ giúp học sinh tự tin xử lý những câu hỏi khó trong đề thi và đạt điểm cao.