Al + HNO3 loãng: phương trình, cân bằng, hiện tượng

Trả lời nhanh

Nhôm tác dụng với dung dịch HNO₃ loãng theo phương trình: 8Al + 30HNO₃ → 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O↑ + 15H₂O. Nhôm bị oxi hoá thành Al³⁺, còn N⁺⁵ trong HNO₃ bị khử xuống N⁺¹ trong khí N₂O. Tuỳ nồng độ axit, sản phẩm khử còn có thể là NO, N₂ hoặc NH₄NO₃.

Phương trình phản ứng

8Al + 30HNO₃ (loãng) → 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O↑ + 15H₂O

Điều kiện: dung dịch HNO₃ loãng, thường đun nhẹ để phản ứng nhanh hơn.

Cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron

Xác định số oxi hoá thay đổi: Al⁰ → Al⁺³; N⁺⁵ → N⁺¹ (trong N₂O).
Viết quá trình cho – nhận electron:
- Al⁰ → Al⁺³ + 3e (chất khử)
- 2N⁺⁵ + 8e → 2N⁺¹ (chất oxi hoá, vì 1 phân tử N₂O chứa 2 nguyên tử N)
Cân bằng số electron: bội chung của 3 và 8 là 24, nên nhân quá trình đầu với 8 và quá trình sau với 3.
Đặt hệ số: 8Al, 3N₂O, 8Al(NO₃)₃.
Cân bằng gốc nitrat và nước: số N trong HNO₃ = 24 (trong muối) + 6 (trong N₂O) = 30, nên hệ số HNO₃ là 30. Cân bằng H được 15H₂O.
Kiểm tra O: vế trái 30 × 3 = 90, vế phải 8 × 9 + 3 + 15 = 90. Cân bằng.

Phương trình ion thu gọn: 8Al + 30H⁺ + 6NO₃^– → 8Al³⁺ + 3N₂O↑ + 15H₂O.

Hiện tượng nhận biết

Mảnh nhôm tan dần, bề mặt sủi bọt khí.
Khí N₂O thoát ra không màu, không mùi rõ rệt. Nếu sinh ra thêm NO thì khí hoá nâu đỏ khi tiếp xúc với không khí.
Dung dịch thu được không màu (muối nhôm nitrat), có thể hơi nóng lên vì phản ứng toả nhiệt.

Sản phẩm khử của HNO₃ phụ thuộc điều kiện nào?

Nhôm là kim loại khử mạnh, nên khi tác dụng với HNO₃ có thể kéo N⁺⁵ xuống nhiều mức khác nhau. Nồng độ axit càng loãng, hoặc kim loại càng mạnh, sản phẩm khử càng “sâu”. Các phương trình thường gặp:

Điều kiện	Phương trình
HNO₃ loãng (sản phẩm NO)	Al + 4HNO₃ → Al(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O
HNO₃ rất loãng (N₂O)	8Al + 30HNO₃ → 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O↑ + 15H₂O
HNO₃ rất loãng (N₂)	10Al + 36HNO₃ → 10Al(NO₃)₃ + 3N₂↑ + 18H₂O
HNO₃ rất loãng (muối amoni)	8Al + 30HNO₃ → 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O
HNO₃ đặc, nóng	Al + 6HNO₃ → Al(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O

Trong bài tập, đề sẽ cho biết rõ khí nào thoát ra. Trường hợp “HNO₃ loãng” mà không nói gì thêm, đa số giáo trình dùng sản phẩm NO. Phương trình N₂O ở trên áp dụng khi đề nêu khí là N₂O.

Lưu ý: nhôm thụ động trong HNO₃ đặc nguội

Al, Fe, Cr không tan trong HNO₃ đặc nguội và H₂SO₄ đặc nguội, vì bề mặt kim loại bị phủ một lớp oxit mỏng bền vững bảo vệ. Vì vậy người ta dùng thùng nhôm để chuyên chở axit nitric đặc. Khi đun nóng, lớp oxit bị phá và phản ứng mới xảy ra.

Cách làm bài tập nhanh bằng bảo toàn electron

Số electron nhôm nhường bằng số electron mà N⁺⁵ nhận. Với mỗi sản phẩm khử, số electron nhận trên một phân tử là: NO 3e, N₂O 8e, N₂ 10e, NO₂ 1e, NH₄NO₃ 8e. Đây là bảng nên thuộc lòng.

Lỗi sai thường gặp

Quên rằng 1 phân tử N₂O chứa 2 nguyên tử N nên nhận 8e chứ không phải 4e.
Chỉ tính số mol HNO₃ tạo muối mà bỏ sót phần HNO₃ bị khử.
Cho rằng Al giải phóng H₂ khi tác dụng với HNO₃. HNO₃ là axit có tính oxi hoá mạnh, thông thường không sinh H₂.
Viết hệ số NH₄NO₃ nhưng quên rằng nó nằm trong dung dịch, không phải là khí.

Bài tập vận dụng

Bài 1. Hoà tan hoàn toàn 5,4 gam Al trong dung dịch HNO₃ loãng, thu được khí N₂O là sản phẩm khử duy nhất. Tính thể tích khí (đktc) và số mol HNO₃ đã phản ứng.

Lời giải: n(Al) = 5,4/27 = 0,2 mol, nhường 0,6 mol e. Mỗi mol N₂O nhận 8 mol e nên n(N₂O) = 0,6/8 = 0,075 mol, V = 0,075 × 22,4 = 1,68 lít. n(HNO₃) = 0,2 × 30/8 = 0,75 mol (kiểm tra: 0,6 mol tạo muối + 0,15 mol tạo N₂O).

Bài 2. Cũng 5,4 gam Al, nhưng sản phẩm khử là NO. Tính thể tích NO và khối lượng muối.

Lời giải: NO nhận 3e nên n(NO) = 0,6/3 = 0,2 mol, V = 4,48 lít. Muối Al(NO₃)₃ có 0,2 mol, khối lượng 0,2 × 213 = 42,6 gam.

Câu hỏi thường gặp

Al tác dụng với HNO3 loãng tạo ra những sản phẩm nào?

Tạo muối Al(NO3)3, nước và sản phẩm khử của N+5 như NO, N2O, N2 hoặc NH4NO3 tuỳ nồng độ axit; với phản ứng trong bài, sản phẩm khử là N2O.

Hệ số cân bằng của phản ứng Al + HNO3 tạo N2O là gì?

8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O.

Vì sao Al không tan trong HNO3 đặc nguội?

Vì nhôm bị thụ động hoá: bề mặt được phủ một lớp oxit mỏng bền vững ngăn không cho kim loại bên trong tiếp tục phản ứng.

Mỗi mol N2O khi tạo thành nhận bao nhiêu mol electron?

Nhận 8 mol electron, vì hai nguyên tử N+5 chuyển thành N+1, mỗi nguyên tử nhận 4 electron.