Khảo sát phản ứng nhiệt nhôm (Al – Fe₂O₃) và ứng dụng trong hàn đường ray. Trong một thí nghiệm, giáo viên trộn bột nhôm và bột sắt(III) oxit theo tỉ lệ mol thích hợp. Hỗn hợp được đốt nóng mạnh, xảy...

a. Để viết phương trình ion – electron của phản ứng oxi hóa khử, ta phân chia các phản ứng thành các bán phản ứng: - Bán phản ứng khử: \[ Fe^{3+} + 3e^- \rightarrow Fe \quad (1) \] - Bán phản ứng oxi hóa: \[ Al \rightarrow Al^{3+} + 3e^- \quad (2) \] Ghép hai bán phản ứng lại với nhau, ta có: \[ 2Al + Fe₂O₃ \rightarrow 2Fe + Al₂O₃ \] b. Để tính khối lượng Al và Fe₂O₃ đã tham gia phản ứng, ta biết rằng khối lượng của Fe thu được là 5,376 g. Từ phương trình phản ứng (1), ta có tỉ lệ mol giữa Fe và Fe₂O₃ là 2:1. Tính số mol Fe: \[ n_{Fe} = \frac{m_{Fe}}{M_{Fe}} = \frac{5,376 \, \text{g}}{56 \, \text{g/mol}} = 0,096 \, \text{mol} \] Vì tỉ lệ mol Fe : Fe₂O₃ = 2 : 1, nên: \[ n_{Fe₂O₃} = \frac{n_{Fe}}{2} = \frac{0,096}{2} = 0,048 \, \text{mol} \] Tính khối lượng của Fe₂O₃: \[ m_{Fe₂O₃} = n_{Fe₂O₃} \times M_{Fe₂O₃} = 0,048 \, \text{mol} \times 160 \, \text{g/mol} = 7,68 \, \text{g} \] Tiếp theo, từ phản ứng ta thấy tỉ lệ mol giữa Al và Fe là 2:2 (hay 1:1), nên: \[ n_{Al} = n_{Fe} = 0,096 \, \text{mol} \] Tính khối lượng của Al: \[ m_{Al} = n_{Al} \times M_{Al} = 0,096 \, \text{mol} \times 27 \, \text{g/mol} = 2,592 \, \text{g} \] Kết luận: - Khối lượng Al tham gia phản ứng: 2,592 g - Khối lượng Fe₂O₃ tham gia phản ứng: 7,68 g c. Tính tổng năng lượng tỏa ra từ phản ứng: \[ Q_{tỏa ra} = n_{Fe₂O₃} \times 826 \, \text{kJ} = 0,048 \, \text{mol} \times 826 \, \text{kJ/mol} = 39,648 \, \text{kJ} = 39648 \, \text{J} \] Tính nhiệt độ cần thiết để đun nóng Fe từ 25°C đến 1538°C: \[ \Delta T = 1538°C - 25°C = 1513°C = 1513 \, \text{K} \] Nhiệt cần thiết để làm nóng Fe: \[ Q_{nhiệt} = m_{Fe} \times C_{Fe} \times \Delta T + m_{Fe} \times Q_{nóng chảy} \] Với \( m_{Fe} = 5,376 \, \text{g} \): \[ Q_{nhiệt} = 5,376 \, \text{g} \times 0,45 \, \text{J/g·K} \times 1513 \, \text{K} + 5,376 \, \text{g} \times 247 \, \text{J/g} \] \[ Q_{nhiệt} = 5,376 \times 0,45 \times 1513 + 5,376 \times 247 \] \[ Q_{nhiệt} = 5,376 \times 679,85 + 1324,392 = 3654,156 + 1324,392 = 4978,548 \, \text{J} \] So sánh: \[ Q_{tỏa ra} (39648 \, \text{J}) > Q_{nhiệt} (4978,548 \, \text{J}) \] Vì vậy, lượng Fe thu được có đủ để nóng chảy hoàn toàn. d. Ý nghĩa thực tiễn của phản ứng nhiệt nhôm: - Phản ứng nhiệt nhôm là một phản ứng tỏa nhiệt lớn, tạo ra nhiệt độ rất cao, giúp luyện kim và hàn nối các vật liệu kim loại, như hàn đường ray. - Ứng dụng trong hàn nối đường ray là rất quan trọng vì nó tạo ra các mối hàn chắc chắn, bền vững và có khả năng chịu tải trọng cao, giúp đảm bảo an toàn cho các chuyến tàu đi qua.