Chào các em học sinh yêu quý của cô! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài toán Hóa học thú vị liên quan đến phản ứng của kim loại Nhôm với Axit Nitric loãng. Các em hãy cùng cô theo dõi và ghi chép cẩn thận nhé.

Đầu tiên, chúng ta cần tóm tắt lại những thông tin quan trọng mà đề bài đã cung cấp:

* Kim loại phản ứng là Nhôm (Al).
* Chất phản ứng là dung dịch Axit Nitric (HNO3) loãng, và dung dịch này dư.
* Sản phẩm khí thu được là N2O, là sản phẩm khử duy nhất.
* Thể tích khí N2O đo ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc) là 6,72 lít.
* Phương trình phản ứng đã cho: Al + HNO3 loãng -> Al(NO3)3 + N2O + H2O.
* Yêu cầu tìm khối lượng của Nhôm (m) đã phản ứng.

Bây giờ, chúng ta sẽ tiến hành các bước giải bài toán một cách chi tiết.

Bước 1: Kiểm tra và cân bằng phương trình phản ứng hóa học.

Đề bài đã cho phương trình phản ứng là: Al + HNO3 loãng -> Al(NO3)3 + N2O + H2O.
Tuy nhiên, phương trình này chưa cân bằng. Để giải bài toán chính xác, chúng ta cần phải cân bằng nó.
Đây là một phản ứng oxi hóa – khử.
Ta xác định số oxi hóa của các nguyên tố:
Trong Al: số oxi hóa là 0.
Trong N của HNO3: số oxi hóa là +5.
Trong N của N2O: số oxi hóa là +1.
Trong Al của Al(NO3)3: số oxi hóa là +3.
Trong O của HNO3 và H2O: số oxi hóa là -2.
Trong H của HNO3 và H2O: số oxi hóa là +1.

Ta thấy:
Nhôm tăng số oxi hóa từ 0 lên +3.
Nitơ giảm số oxi hóa từ +5 xuống +1.

Quá trình oxi hóa: Al -> Al(+3) + 3e
Quá trình khử: N(+5) + 4e -> N(+1) (trong N2O có 2 nguyên tử N nên là 2N(+5) + 8e -> N2(+1))

Để cân bằng electron, ta nhân quá trình oxi hóa với 4 và quá trình khử với 3 (hoặc nhân quá trình oxi hóa với 8 và quá trình khử với 3 để có 2 nguyên tử N ở sản phẩm khí):

4Al -> 4Al(+3) + 12e
3(2N(+5) + 8e -> N2(+1)) => 6N(+5) + 24e -> 3N2(+1) (cái này sai, ta cần cân bằng cho từng nguyên tử N)

Ta xem xét theo nguyên tử:
Al từ 0 lên +3 (nhận 3 electron)
N từ +5 xuống +1 (nhận 4 electron cho 1 nguyên tử N)

Để cân bằng số electron nhường và nhận, ta cần bội chung nhỏ nhất của 3 và 4 là 12.
Do đó, ta nhân Al với 4 và nguyên tử N (trong N2O) với 3. Vì N2O có 2 nguyên tử N nên ta cần 6 nguyên tử N từ HNO3 để tạo thành 3 phân tử N2O.

Cân bằng nhôm: 4Al
Cân bằng N2O: 3N2O. Điều này có nghĩa là ta cần 3 * 2 = 6 nguyên tử N ở dạng số oxi hóa +1. Vậy ta cần 6 phân tử HNO3 ban đầu cho phần khử này.

Phương trình tạm thời: 4Al + …HNO3 -> 4Al(NO3)3 + 3N2O + …H2O.

Bây giờ ta đếm số nguyên tử Nitơ ở vế phải: 4 3 (trong Al(NO3)3) + 3 2 (trong N2O) = 12 + 6 = 18 nguyên tử N.
Vậy hệ số của HNO3 là 18.

Phương trình tạm thời: 4Al + 18HNO3 -> 4Al(NO3)3 + 3N2O + …H2O.

Tiếp theo, cân bằng số nguyên tử Oxi ở vế phải: 4 3 3 (trong Al(NO3)3) + 3 * 1 (trong N2O) = 36 + 3 = 39 nguyên tử O.
Trong 18HNO3, có 18 * 3 = 54 nguyên tử O.
Số nguyên tử O còn lại để tạo thành H2O là 54 – 39 = 15 nguyên tử O. Tuy nhiên, Oxi trong nước phải là số chẵn.
Có vẻ ta đã sai ở đâu đó. Hãy làm lại quá trình cân bằng electron cho đúng.

Số oxi hóa của N trong HNO3 là +5.
Số oxi hóa của N trong N2O là +1.
Sự thay đổi số oxi hóa của N là +5 – (+1) = +4.

Số oxi hóa của Al là 0.
Số oxi hóa của Al trong Al(NO3)3 là +3.
Sự thay đổi số oxi hóa của Al là +3 – 0 = +3.

Để cân bằng electron, ta nhân Al với 4 và N với 3 (là bội chung nhỏ nhất của 3 và 4).
Vì N2O có 2 nguyên tử N, nên ta cần 3 phân tử N2O.
Do đó, ta cần 3 * 2 = 6 nguyên tử N có số oxi hóa +5.
Cân bằng electron:
4 Al(0) -> 4 Al(+3) + 12e
6 N(+5) + 24e -> 3 N2(+1) (Cái này sai logic, ta phải cân bằng cho toàn bộ quá trình)

Ta cân bằng theo từng nguyên tử cho đúng:
Al: 0 -> +3 (nhường 3e)
N: +5 -> +1 (nhận 4e cho 1 nguyên tử N)

Để số electron nhường bằng số electron nhận, ta cần bội chung nhỏ nhất của 3 và 4 là 12.
Vậy ta cần 4 nguyên tử Al (nhường 4 3 = 12e) và 3 nguyên tử N (nhận 3 4 = 12e).
Tuy nhiên, sản phẩm khí là N2O có 2 nguyên tử N.
Do đó, ta cần 3 * 2 = 6 nguyên tử N có số oxi hóa +5 để tạo thành 3 phân tử N2O.

Cân bằng Al: 4Al
Cân bằng N trong N2O: Ta cần 3 phân tử N2O, tức là có 6 nguyên tử N. Số nguyên tử N này đến từ HNO3. Vậy hệ số của HNO3 liên quan đến N sẽ là 6.

Nhưng để cân bằng electron, ta cần:
4Al nhường 4 * 3 = 12 electron.
Cần 12 electron nhận vào.
Mỗi nguyên tử N từ +5 xuống +1 nhận 4 electron.
Vậy cần 12 / 4 = 3 nguyên tử N nhận electron.
Sản phẩm là N2O có 2 nguyên tử N. Vậy hệ số của N2O sẽ là 3/2 ? Cái này không hợp lý.

Ta làm theo phương pháp thăng bằng electron chuẩn xác:
Al từ 0 lên +3, nhường 3e.
N từ +5 xuống +1, nhận 4e.

Ta nhân Al với 4 và N với 3 để có số electron là 12.
4Al -> 4Al(+3) + 12e
3 * (2N(+5) + 8e -> N2(+1)) <- Đây là cách hiểu sai. Ta phải cân bằng cho nguyên tử N: N(+5) nhận 4e để thành N(+1). Do đó, ta cần 3 nguyên tử N cho N2O, tức là 3 * 2 = 6 nguyên tử N. 4Al nhường 4 * 3 = 12e. Cần 12e nhận vào. Mỗi N(+5) nhận 4e. Vậy cần 12 / 4 = 3 nguyên tử N nhận electron. Vậy ta cần 4 nguyên tử Al. Và ta cần 3 nguyên tử N (nhận electron) để tạo thành N2O. Nhưng N2O có 2 nguyên tử N. Vậy hệ số của N2O là 3/2 ? Vẫn không đúng. Hãy nhìn vào số nguyên tử N trong các hợp chất: HNO3: có N(+5) N2O: có N(+1) Al(NO3)3: có N(+5) Số nguyên tử N trong Al(NO3)3 là 4 * 3 = 12. Số nguyên tử N trong N2O là 3 * 2 = 6. Tổng số nguyên tử N ở vế phải là 12 + 6 = 18. Vậy hệ số của HNO3 phải là 18. 4Al + 18HNO3 -> 4Al(NO3)3 + 3N2O + H2O.

Bây giờ cân bằng nguyên tử Oxi:
Vế phải: 4 3 3 (trong Al(NO3)3) + 3 * 1 (trong N2O) = 36 + 3 = 39 nguyên tử O.
Vế trái: 18HNO3 có 18 * 3 = 54 nguyên tử O.
Số nguyên tử O còn lại cho nước là 54 – 39 = 15. Vẫn sai.

Cô xin lỗi các em, cô đã nhầm lẫn ở bước cân bằng. Chúng ta sẽ cân bằng lại một cách cẩn thận hơn.
Ta tập trung vào quá trình oxi hóa – khử trước:
Al (0) -> Al (+3) + 3e
2N (+5) + 8e -> N2 (+1) (Ở đây, 2 nguyên tử N từ +5 về +1, nên mỗi N nhận 4e, tổng cộng nhận 8e)

Để số electron nhường bằng số electron nhận, ta nhân quá trình oxi hóa với 8 và quá trình khử với 3.
8 * (Al -> Al(+3) + 3e) => 8Al -> 8Al(+3) + 24e
3 * (2N(+5) + 8e -> N2(+1)) => 6N(+5) + 24e -> 3N2(+1)

Vậy ta cần 8 nguyên tử Al và 6 nguyên tử N (có số oxi hóa +5) cho phản ứng khử.
Tức là ta cần 8Al và 3 phân tử N2O.

Phương trình cân bằng sơ bộ: 8Al + …HNO3 -> 8Al(NO3)3 + 3N2O + …H2O.

Bây giờ đếm số nguyên tử N ở vế phải:
Trong 8Al(NO3)3 có 8 * 3 = 24 nguyên tử N.
Trong 3N2O có 3 * 2 = 6 nguyên tử N.
Tổng số nguyên tử N ở vế phải là 24 + 6 = 30.
Vậy hệ số của HNO3 là 30.

Phương trình cân bằng sơ bộ: 8Al + 30HNO3 -> 8Al(NO3)3 + 3N2O + …H2O.

Tiếp theo, cân bằng nguyên tử Oxi:
Vế phải: 8 3 3 (trong Al(NO3)3) + 3 * 1 (trong N2O) = 72 + 3 = 75 nguyên tử O.
Vế trái: 30HNO3 có 30 * 3 = 90 nguyên tử O.
Số nguyên tử O còn lại để tạo thành H2O là 90 – 75 = 15 nguyên tử O.
Tuy nhiên, H2O chỉ có 1 nguyên tử O. Vậy hệ số của H2O sẽ là 15.

Phương trình cân bằng hoàn chỉnh là:
8Al + 30HNO3 -> 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O

Các em hãy kiểm tra lại bằng cách đếm số nguyên tử mỗi loại ở cả hai vế:
Nhôm (Al): 8 ở cả hai vế.
Nitơ (N): 30 ở cả hai vế (30 trong HNO3, 8*3=24 trong Al(NO3)3 và 3*2=6 trong N2O).
Oxi (O): 30*3=90 ở vế trái. 8*3*3=72 + 3*1=3 + 15*1=15 = 75 + 15 = 90 ở vế phải.
Hydro (H): 30 ở vế trái. 15*2=30 ở vế phải.

Phương trình đã cân bằng chính xác.

Bước 2: Tính số mol khí N2O.

Đề bài cho thể tích khí N2O ở điều kiện tiêu chuẩn là 6,72 lít.
Chúng ta có công thức tính số mol chất khí ở đktc:
\(n = \frac{V}{22,4}\)

Trong đó:
n là số mol (đơn vị: mol)
V là thể tích khí (đơn vị: lít)
22,4 là thể tích mol của một chất khí ở đktc (đơn vị: lít/mol)

Áp dụng công thức vào bài toán:
\(n_{N_2O} = \frac{6,72}{22,4}\)

Thực hiện phép tính:
\(n_{N_2O} = 0,3 \text{ mol}\)

Vậy số mol khí N2O thu được là 0,3 mol.

Bước 3: Sử dụng tỉ lệ mol từ phương trình để tìm số mol nhôm.

Chúng ta nhìn vào phương trình hóa học đã cân bằng:
8Al + 30HNO3 -> 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O.

Theo phương trình này, tỉ lệ mol giữa Nhôm (Al) và khí N2O là 8 : 3.
Điều này có nghĩa là cứ 8 mol Al phản ứng sẽ tạo ra 3 mol N2O.

Chúng ta đã tính được số mol N2O là 0,3 mol.
Bây giờ, chúng ta sẽ tìm số mol Al tương ứng bằng cách sử dụng tỉ lệ này.

Đặt \(n_{Al}\) là số mol của nhôm. Ta có tỉ lệ thức:
\(\frac{n_{Al}}{8} = \frac{n_{N_2O}}{3}\)

Thay \(n_{N_2O} = 0,3\) mol vào tỉ lệ thức:
\(\frac{n_{Al}}{8} = \frac{0,3}{3}\)

Giải phương trình để tìm \(n_{Al}\):
\(n_{Al} = \frac{0,3 \times 8}{3}\)
\(n_{Al} = \frac{2,4}{3}\)
\(n_{Al} = 0,8 \text{ mol}\)

Vậy số mol nhôm đã phản ứng là 0,8 mol.

Bước 4: Tính khối lượng của nhôm.

Đề bài yêu cầu tìm giá trị của m, là khối lượng của nhôm.
Chúng ta đã biết số mol của nhôm là 0,8 mol.
Chúng ta cần tìm khối lượng mol (nguyên tử khối) của nhôm.
Nguyên tử khối của Nhôm (Al) là 27 g/mol.

Công thức tính khối lượng của một chất là:
\(m = n \times M\)

Trong đó:
m là khối lượng (đơn vị: gam)
n là số mol (đơn vị: mol)
M là khối lượng mol (đơn vị: gam/mol)

Áp dụng công thức vào bài toán:
\(m_{Al} = n_{Al} \times M_{Al}\)
\(m_{Al} = 0,8 \times 27\)

Thực hiện phép tính:
\(m_{Al} = 21,6 \text{ gam}\)

Vậy giá trị của m là 21,6 gam.

Kết luận:

Giá trị của m là 21,6 gam.

Các em thấy đó, chỉ cần nắm vững phương pháp cân bằng phương trình, tính số mol và sử dụng tỉ lệ mol, chúng ta có thể giải quyết bài toán này một cách dễ dàng.

Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, đừng ngần ngại hỏi cô nhé. Chúc các em học tốt!