Al + HCl | Phương trình, hiện tượng và bài tập có lời giải

Phản ứng Al + HCl tạo muối nhôm clorua (AlCl₃) và khí hiđro (H₂), với hiện tượng nhôm tan dần và xuất hiện bọt khí. Đây là phản ứng kim loại tác dụng với axit, đồng thời là phản ứng oxi hóa – khử.

Bài viết hệ thống phương trình nhôm tác dụng với HCl, cách cân bằng, điều kiện phản ứng và bài tập vận dụng có lời giải, gồm xác định Al dư, HCl dư, tính khối lượng muối và thể tích khí H₂.

Al + HCl là phản ứng gì?

Al tác dụng với HCl là phản ứng hóa học giữa kim loại nhôm và dung dịch axit clohiđric, tạo thành muối nhôm clorua và khí hiđro. Phản ứng trên xảy ra ở điều kiện thường, không cần chất xúc tác.

Điều kiện phản ứng: Nhôm tiếp xúc với dung dịch HCl ở nhiệt độ thường, không cần đun nóng. HCl loãng vẫn phản ứng với Al; axit loãng không có nghĩa là axit yếu.

Phương trình hóa học tổng quát là: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Nhôm đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học nên có thể đẩy hiđro ra khỏi dung dịch HCl, tạo muối và khí H₂. Đây là phản ứng thế. [1]

Xét về sự trao đổi electron, đây còn là phản ứng oxi hóa – khử: Al là chất khử, số oxi hóa tăng từ 0 lên +3; H⁺ là chất oxi hóa, số oxi hóa giảm từ +1 xuống 0. Ion Cl⁻ không thay đổi số oxi hóa. Các quá trình nhường và nhận electron là: [4]

• Nhôm nhường electron: Al → Al³⁺ + 3e.

• Ion H⁺ nhận electron: 2H⁺ + 2e → H₂.

Ở mức mở rộng, học sinh có thể tìm hiểu dãy điện hóa kim loại để giải thích chiều phản ứng theo các cặp oxi hóa – khử.

Phương trình Al + HCl và cách cân bằng

Phương trình Al + HCl đã cân bằng

Phương trình ban đầu chưa cân bằng là: Al + HCl → AlCl₃ + H₂

Để phương trình đúng, số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế phải bằng nhau. Học sinh cân bằng lần lượt như sau.

Bước 1: Cân bằng nguyên tố Al và Cl.

Trong AlCl₃ có 1 nguyên tử Al và 3 nguyên tử Cl. Vì vậy, cần cân bằng hệ số của Al và HCl để số nguyên tử clo ở hai vế bằng nhau.

Đặt hệ số 2 trước Al và AlCl₃: 2Al + HCl → 2AlCl₃ + H₂

Lúc này, vế phải có 6 nguyên tử Cl. Do đó, đặt hệ số 6 trước HCl: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + H₂

Bước 2: Cân bằng nguyên tố H.

Vế trái có 6 nguyên tử H, tương ứng với 3 phân tử H₂ ở vế phải. Vì vậy, đặt hệ số 3 trước H₂.

Phương trình hoàn chỉnh là: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑

Bước 3: Kiểm tra lại phương trình.

Số nguyên tử của cả ba nguyên tố đều bằng nhau ở hai vế. Như vậy, phương trình đã được cân bằng chính xác.

Hiện tượng của phản ứng Al + HCl

Khi nhôm tiếp xúc với dung dịch HCl và phản ứng diễn ra, học sinh có thể quan sát được một số hiện tượng đặc trưng:

• Miếng nhôm tan dần theo thời gian tạo dung dịch nhôm clorua.

• Có các bọt khí H₂ không màu xuất hiện trên bề mặt nhôm rồi thoát lên.

• Dung dịch AlCl₃ thu được không màu; phản ứng tỏa nhiệt nên hỗn hợp có thể ấm lên.

Trong phòng thí nghiệm, khí hiđro có thể được nhận biết bằng phép thử thích hợp do giáo viên hướng dẫn. Khi thực hiện thí nghiệm, cần tuân thủ quy định an toàn, tránh để khí hiđro tiếp xúc với nguồn lửa không được kiểm soát vì đây là khí dễ cháy.

Nhôm thường có lớp oxide Al₂O₃ mỏng bảo vệ trên bề mặt. Lớp này có thể làm phản ứng ban đầu diễn ra chậm. Dung dịch HCl có thể hòa tan lớp oxide, nên không bắt buộc phải cạo lớp này trước khi phản ứng. [2]

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

Phản ứng của Al₂O₃ với HCl tạo muối và nước, không sinh khí H₂; khí H₂ được tạo thành khi kim loại Al phản ứng với axit.

Al có tác dụng với HCl đặc nguội không?

Có. Nhôm vẫn có thể phản ứng với dung dịch HCl đặc nguội. Không nên nhầm trường hợp này với hiện tượng thụ động hóa nhôm khi tiếp xúc với một số axit khác. [4]

Trong chương trình phổ thông, học sinh cần phân biệt hai nhóm trường hợp sau:

• Với HCl: Nhôm phản ứng tạo muối nhôm clorua và khí hiđro. HCl đặc nguội không phải trường hợp điển hình gây thụ động hóa nhôm.

• Với HNO₃ đặc nguội và H₂SO₄ đặc nguội: Nhôm có thể bị thụ động hóa trong điều kiện thích hợp do hình thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt, khiến phản ứng bị hạn chế mạnh.

Đây là điểm dễ gây nhầm lẫn trong câu hỏi trắc nghiệm về tính chất hóa học của kim loại. Khi gặp đề bài, học sinh nên xác định chính xác loại axit, nồng độ và nhiệt độ trước khi dự đoán sản phẩm.

Học sinh có thể đối chiếu phản ứng Al + HNO₃ để phân biệt điều kiện phản ứng và hiện tượng thụ động hóa.

Bài tập vận dụng phản ứng Al + HCl

Quy ước M(Al) = 27 g/mol; M(AlCl₃) = 133,5 g/mol. Trong các bài dưới đây, thể tích khí H₂ được tính ở 25 °C, 1 bar, với thể tích mol khí là 24,79 L/mol. Nếu đề cho nhiệt độ, áp suất khác, phải dùng thể tích mol khí tương ứng.

Dạng 1: Tính khối lượng nhôm từ thể tích khí H₂

Bài 1: Cho nhôm tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl dư, thu được 8,9244 lít khí H₂ ở 25 °C, 1 bar. Tính khối lượng nhôm đã phản ứng.

Phân tích đề bài: Đề bài cho thể tích H₂ và yêu cầu tính khối lượng Al. Trước hết, cần tính số mol H₂, sau đó dựa vào tỉ lệ mol giữa Al và H₂ trong phương trình để tính số mol Al rồi tính khối lượng.

Bước 1: Viết phương trình hóa học: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Bước 2: Tính số mol H₂: n(H₂) = 8,9244 : 24,79 = 0,36 mol

Bước 3: Dựa vào tỉ lệ mol trong phương trình: n(Al) = n(H₂) × 2 : 3 = 0,24 mol

Bước 4: Tính khối lượng nhôm: m(Al) = 0,24 × 27 = 6,48 g.

Đáp số: 6,48 g

Bài 2: Cho nhôm tác dụng vừa đủ với dung dịch HCl, thu được 17,8488 lít khí H₂ ở 25 °C, 1 bar. Tính khối lượng nhôm đã phản ứng.

Phân tích đề bài: Đề bài cho thể tích H₂ và yêu cầu tính khối lượng Al. Trước hết, cần tính số mol H₂, sau đó dựa vào tỉ lệ mol giữa Al và H₂ trong phương trình để tính số mol Al rồi tính khối lượng.

Bước 1: Viết phương trình hóa học: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Bước 2: Tính số mol H₂: n(H₂) = 17,8488 : 24,79 = 0,72 mol

Bước 3: Dựa vào tỉ lệ mol trong phương trình: n(Al) = n(H₂) × 2 : 3 = 0,48 mol

Bước 4: Tính khối lượng nhôm: m(Al) = 0,48 × 27 = 12,96 g.

Đáp số: 12,96 g

Dạng 2: Tính thể tích khí H₂ từ khối lượng nhôm

Bài 1: Cho 8,1 g nhôm phản ứng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí H₂ thu được ở 25 °C, 1 bar.

Phân tích đề bài: Đề bài cho khối lượng Al và yêu cầu tính thể tích H₂. Trước hết, cần tính số mol Al, sau đó dựa vào tỉ lệ mol giữa Al và H₂ trong phương trình để tính số mol H₂ rồi đổi sang thể tích.

Bước 1: Viết phương trình: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Bước 2: Tính số mol Al: n(Al) = 8,1 : 27 = 0,3 mol.

Bước 3: Tính số mol H₂ theo phương trình: n(H₂) = 0,3 × 3 : 2 = 0,45 mol.

Bước 4: Tính thể tích khí H₂: V(H₂) = 0,45 × 24,79 = 11,1555 lít.

Đáp số: 11,1555 lít H₂

Bài 2: Cho 24,3 g nhôm phản ứng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí H₂ thu được ở 25 °C, 1 bar.

Phân tích đề bài: Đề bài cho khối lượng Al và yêu cầu tính thể tích H₂. Trước hết, cần tính số mol Al, sau đó dựa vào tỉ lệ mol giữa Al và H₂ trong phương trình để tính số mol H₂ rồi đổi sang thể tích.

Bước 1: Viết phương trình: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Bước 2: Tính số mol Al: n(Al) = 24,3 : 27 = 0,9 mol.

Bước 3: Tính số mol H₂ theo phương trình: n(H₂) = 0,9 × 3 : 2 = 1,35 mol.

Bước 4: Tính thể tích khí H₂: V(H₂) = 1,35 × 24,79 = 33,4665 lít.

Đáp số: 33,4665 lít H₂

Dạng 3: Tính khối lượng muối AlCl₃ tạo thành

Bài 1: Cho 5,4 g Al phản ứng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Tính khối lượng muối AlCl₃ thu được, biết phản ứng xảy ra hoàn toàn.

Phân tích đề bài: Đề bài cho khối lượng Al và yêu cầu tính khối lượng muối. Trước hết, cần tính số mol Al, sau đó dựa vào tỉ lệ mol 1:1 giữa Al và AlCl₃ trong phương trình để tính số mol AlCl₃ rồi đổi sang khối lượng.

Bước 1: Phương trình hóa học: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Bước 2: Tính số mol Al: n(Al) = 5,4 : 27 = 0,2 mol.

Bước 3: Theo phương trình, tỉ lệ mol Al : AlCl₃ là 1 : 1.

Do đó: n(AlCl₃) = n(Al) = 0,2 mol.

Bước 4: Tính khối lượng muối: m(AlCl₃) = 0,2 × 133,5 = 26,7 g.

Đáp số: 26,7 g AlCl₃

Bài 2: Cho 10,8 g Al phản ứng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Tính khối lượng muối AlCl₃ thu được, biết phản ứng xảy ra hoàn toàn.

Phân tích đề bài: Đề bài cho khối lượng Al và yêu cầu tính khối lượng muối. Trước hết, cần tính số mol Al, sau đó dựa vào tỉ lệ mol 1:1 giữa Al và AlCl₃ trong phương trình để tính số mol AlCl₃ rồi đổi sang khối lượng.

Bước 1: Phương trình hóa học: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Bước 2: Tính số mol Al: n(Al) = 10,8 : 27 = 0,4 mol.

Bước 3: Theo phương trình, tỉ lệ mol Al : AlCl₃ là 1 : 1.

Do đó: n(AlCl₃) = n(Al) = 0,4 mol.

Bước 4: Tính khối lượng muối: m(AlCl₃) = 0,4 × 133,5 = 53,4 g.

Đáp số: 53,4 g AlCl₃.

Dạng 4: Xác định Al dư hoặc HCl dư

Với phản ứng xảy ra hoàn toàn, so sánh n(Al) với n(HCl)/3: nếu n(Al) nhỏ hơn thì Al hết, HCl dư; nếu n(Al) lớn hơn thì HCl hết, Al dư; nếu bằng nhau thì hai chất phản ứng vừa đủ. Lượng sản phẩm phải tính theo chất phản ứng hết. [3]

Bài 1: Cho 4,86 g Al vào 250 mL dung dịch HCl 1,2 M. Sau khi phản ứng hoàn toàn, xác định chất dư, khối lượng Al còn lại và thể tích khí H₂ ở 25 °C, 1 bar.

Đổi 250 mL = 0,250 L.

n(Al) = 4,86 : 27 = 0,18 mol.

n(HCl) = 0,250 × 1,2 = 0,30 mol.

Để phản ứng hết 0,18 mol Al cần 0,54 mol HCl, lớn hơn 0,30 mol đã cho. Vì vậy, HCl hết và Al dư.

n(Al phản ứng) = 0,30 : 3 = 0,10 mol.

m(Al dư) = (0,18 − 0,10) × 27 = 2,16 g.

n(H₂) = 0,30 : 2 = 0,15 mol.

V(H₂) = 0,15 × 24,79 = 3,7185 L.

Đáp số: Al dư 2,16 g; thu được 3,7185 L H₂.

Bài 2: Cho 3,24 g Al vào 300 mL dung dịch HCl 1,5 M. Phản ứng xảy ra hoàn toàn. Tính số mol HCl còn dư và khối lượng AlCl₃ tạo thành.

n(Al) = 3,24 : 27 = 0,12 mol.

n(HCl ban đầu) = 0,300 × 1,5 = 0,45 mol.

n(HCl cần) = 3 × 0,12 = 0,36 mol, nhỏ hơn 0,45 mol nên Al hết, HCl dư.

n(HCl dư) = 0,45 − 0,36 = 0,09 mol.

n(AlCl₃) = n(Al phản ứng) = 0,12 mol.

m(AlCl₃) = 0,12 × 133,5 = 16,02 g.

Đáp số: HCl dư 0,09 mol; tạo thành 16,02 g AlCl₃.

Lưu ý khi giải bài tập Al + HCl

• Dùng hệ số tối giản 2 : 6 : 2 : 3; không thay đổi chỉ số trong công thức AlCl₃ để cân bằng.

• Chỉ dùng n(Al) = m/27 cho lượng nhôm kim loại; nếu mẫu lẫn tạp chất hoặc Al₂O₃, cần xét thành phần đề bài cho.

• Khi biết lượng cả Al và HCl, phải xác định chất phản ứng hết trước khi tính sản phẩm.

• Ghi rõ điều kiện nhiệt độ, áp suất của khí; không dùng lẫn 22,4 L/mol ở 0 °C, 1 atm với 24,79 L/mol ở 25 °C, 1 bar.

• AlCl₃ tan trong dung dịch HCl nên phản ứng này không tạo kết tủa Al(OH)₃. HCl dư không làm nhôm tạo muối có hóa trị khác.

Phản ứng Al + HCl tạo muối nhôm clorua và khí hiđro theo phương trình 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑. Hiện tượng đặc trưng là nhôm tan dần, xuất hiện bọt khí không màu. Nhôm vẫn phản ứng với HCl đặc nguội, khác với trường hợp bị thụ động hóa trong HNO₃ đặc nguội hoặc H₂SO₄ đặc nguội.

Khi giải bài tập, học sinh cần ghi nhớ tỉ lệ mol, xác định Al dư hoặc HCl dư và dùng đúng điều kiện tính thể tích khí. Học sinh có thể ôn tập thêm các chuyên đề Khoa học tự nhiên 9 tại ZIM Academy để củng cố kiến thức về tính chất hóa học của kim loại.