Bài học

Ôn tập tổng hợp: Nhôm, sắt và hợp kim

Em sẽ làm được gì?

Hệ thống hóa và vận dụng phối hợp kiến thức về tính chất, phản ứng của nhôm và sắt, ăn mòn kim loại, và hợp kim để giải được các bài tập tổng hợp dạng đề thi.

Cần nhớ trước

Ôn lại toàn bộ nội dung các chương 1–5 của khóa học: tính chất và phản ứng của Al, Fe; điều kiện gỉ sắt và biện pháp bảo vệ; hợp kim gang, thép; sản xuất sắt trong lò cao.

Khởi động

Trong một bài thi, đề bài thường không hỏi riêng lẻ từng kiến thức mà kết hợp nhiều ý: vừa phản ứng hóa học, vừa tính toán, vừa giải thích thực tế. Bài ôn tập này sẽ luyện đúng dạng câu hỏi tổng hợp đó.

So sánh nhanh nhôm và sắt

Nhôm (Al): nhẹ ( $D\approx 2{,}7$ g/cm³), hóa trị III cố định, bền trong không khí nhờ lớp Al₂O₃ đặc chắc dù bản thân hoạt động khá mạnh.
Sắt (Fe): nặng hơn ( $D\approx 7{,}86$ g/cm³), có hai hóa trị II hoặc III tùy chất phản ứng (Cl₂ mạnh → FeCl₃; acid loãng, muối → hợp chất sắt II), dễ bị gỉ vì lớp gỉ xốp, giòn, không bảo vệ được như Al₂O₃.

- **Nhôm (Al)**: nhẹ ($D\approx 2{,}7$ g/cm³), hóa trị **III cố định**, bền trong không khí nhờ lớp Al₂O₃ đặc chắc dù bản thân hoạt động khá mạnh. - **Sắt (Fe)**: nặng hơn ($D\approx 7{,}86$ g/cm³), có **hai hóa trị II hoặc III** tùy chất phản ứng (Cl₂ mạnh → FeCl₃; acid loãng, muối → hợp chất sắt II), dễ bị gỉ vì lớp gỉ xốp, giòn, không bảo vệ được như Al₂O₃.

Hai hợp kim quan trọng của sắt

Gang (2–5% C): cứng, giòn, dễ đúc — dùng cho vật đúc phức tạp. Thép (dưới 2% C): dẻo dai, chịu uốn tốt — dùng cho vật cần chịu lực. Cả hai đều được sản xuất bắt nguồn từ quặng sắt qua quá trình khử trong lò cao (3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂), sau đó gang được luyện thành thép bằng cách giảm bớt hàm lượng carbon.

Ba nhóm kiến thức này là trục chính xuyên suốt toàn bộ khóa học.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Ôn tập phản ứng và hóa trị (dạng chuẩn)

1
Hoàn thành các phương trình sau và cho biết hóa trị của kim loại trong sản phẩm: (a) Al + Cl₂ → ?; (b) Fe + HCl → ?.
2
$2Al + 3Cl_2 \rightarrow 2AlCl_3$ — Al hóa trị III (cố định).
$2Al + 3Cl_2 \rightarrow 2AlCl_3$ — Al hóa trị III (cố định).
3
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2$ — Fe hóa trị II (vì HCl có tính oxi hóa yếu).
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2$ — Fe hóa trị II (vì HCl có tính oxi hóa yếu).
4
Al luôn hóa trị III; Fe hóa trị II hoặc III tùy chất oxi hóa của chất phản ứng — đây là điểm khác biệt cốt lõi cần nhớ giữa hai kim loại.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Bài toán hỗn hợp kim loại (dạng đề thi tổng hợp)

1
Cho 8,3 gam hỗn hợp Al và Fe tác dụng vừa đủ với dung dịch HCl, thu được 6,1975 lít khí H₂ (đkc, $V_m=24{,}79$ lít/mol). Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp.
Cho 8,3 gam hỗn hợp Al và Fe tác dụng vừa đủ với dung dịch HCl, thu được 6,1975 lít khí H₂ (đkc, $V_m=24{,}79$ lít/mol). Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp.
2
Gọi $x$ = số mol Al, $y$ = số mol Fe. Khối lượng: $27x + 56y = 8{,}3$ (1).
Gọi $x$ = số mol Al, $y$ = số mol Fe. Khối lượng: $27x + 56y = 8{,}3$ (1).
3
$2Al+6HCl\rightarrow 2AlCl_3+3H_2$ cho $n_{H_2}=1{,}5x$ ; $Fe+2HCl\rightarrow FeCl_2+H_2$ cho $n_{H_2}=y$ . Tổng: $1{,}5x + y = n_{H_2}$ .
$2Al+6HCl\rightarrow 2AlCl_3+3H_2$ cho $n_{H_2}=1{,}5x$; $Fe+2HCl\rightarrow FeCl_2+H_2$ cho $n_{H_2}=y$. Tổng: $1{,}5x + y = n_{H_2}$.
4
$n_{H_2} = 6{,}1975 / 24{,}79 = 0{,}25$ mol, nên $1{,}5x + y = 0{,}25$ (2).
$n_{H_2} = 6{,}1975 / 24{,}79 = 0{,}25$ mol, nên $1{,}5x + y = 0{,}25$ (2).
5
Từ (2): $y = 0{,}25 - 1{,}5x$ . Thay vào (1): $27x + 56(0{,}25 - 1{,}5x) = 8{,}3 \Rightarrow 27x + 14 - 84x = 8{,}3 \Rightarrow -57x = -5{,}7 \Rightarrow x = 0{,}1$ mol. Suy ra $y = 0{,}25 - 1{,}5\times 0{,}1 = 0{,}1$ mol.
Từ (2): $y = 0{,}25 - 1{,}5x$. Thay vào (1): $27x + 56(0{,}25 - 1{,}5x) = 8{,}3 \Rightarrow 27x + 14 - 84x = 8{,}3 \Rightarrow -57x = -5{,}7 \Rightarrow x = 0{,}1$ mol. Suy ra $y = 0{,}25 - 1{,}5\times 0{,}1 = 0{,}1$ mol.
6
$m_{Al}=0{,}1\times 27=2{,}7$ gam; $m_{Fe}=0{,}1\times 56=5{,}6$ gam; tổng $2{,}7+5{,}6=8{,}3$ gam (khớp đề bài). $\%Al = \dfrac{2{,}7}{8{,}3}\times100\% \approx 32{,}5\%$ , $\%Fe \approx 67{,}5\%$ .
$m_{Al}=0{,}1\times 27=2{,}7$ gam; $m_{Fe}=0{,}1\times 56=5{,}6$ gam; tổng $2{,}7+5{,}6=8{,}3$ gam (khớp đề bài). $\%Al = \dfrac{2{,}7}{8{,}3}\times100\% \approx 32{,}5\%$, $\%Fe \approx 67{,}5\%$.
7
Dạng bài hỗn hợp hai kim loại + acid luôn cần hai phương trình: một theo khối lượng, một theo số mol khí — rồi giải hệ để tìm số mol từng kim loại. Luôn kiểm tra lại nghiệm bằng cách thay ngược vào cả hai phương trình.

Ăn mòn và bảo vệ kim loại — tổng hợp nhanh

Điều kiện gỉ sắt: cần đồng thời nước và oxygen; thiếu một trong hai thì gỉ rất chậm; muối tan làm tăng tốc độ gỉ. Biện pháp bảo vệ: có hai nhóm chính — ngăn tiếp xúc trực tiếp với môi trường (sơn, dầu mỡ, tráng men, bảo quản khô ráo) và dùng kim loại hoạt động mạnh hơn để bảo vệ hi sinh (mạ kẽm, khối anode hi sinh gắn trên tàu biển/đường ống). Khi hai kim loại khác hoạt động tiếp xúc trực tiếp trong môi trường ẩm, kim loại mạnh hơn luôn bị ăn mòn thay cho kim loại yếu hơn — nguyên lí này vừa giải thích hiện tượng ăn mòn nhanh hơn tại điểm nối khác kim loại, vừa là cơ sở của cơ chế bảo vệ hi sinh bằng mạ kẽm.

**Điều kiện gỉ sắt:** cần đồng thời **nước và oxygen**; thiếu một trong hai thì gỉ rất chậm; muối tan làm tăng tốc độ gỉ. **Biện pháp bảo vệ:** có hai nhóm chính — ngăn tiếp xúc trực tiếp với môi trường (sơn, dầu mỡ, tráng men, bảo quản khô ráo) và dùng kim loại hoạt động mạnh hơn để bảo vệ hi sinh (mạ kẽm, khối anode hi sinh gắn trên tàu biển/đường ống). Khi hai kim loại khác hoạt động tiếp xúc trực tiếp trong môi trường ẩm, kim loại **mạnh hơn** luôn bị ăn mòn thay cho kim loại yếu hơn — nguyên lí này vừa giải thích hiện tượng ăn mòn nhanh hơn tại điểm nối khác kim loại, vừa là cơ sở của cơ chế bảo vệ hi sinh bằng mạ kẽm.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Bài toán tổng hợp lớn: ăn mòn, hợp kim và tính toán (dạng đề thi tổng hợp cuối khóa)

1
Một tấm tôn mạ kẽm (thép được phủ một lớp kẽm) bị trầy xước để lộ phần thép bên trong. Đem toàn bộ lớp kẽm (6,5 gam) và phần thép lộ ra (5,6 gam Fe) cho tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Tính tổng thể tích khí H₂ thu được ở đkc, và giải thích vì sao trong thực tế (không ngâm acid, chỉ tiếp xúc nước mưa) phần thép lộ ra lại không bị gỉ ngay.
Một tấm tôn mạ kẽm (thép được phủ một lớp kẽm) bị trầy xước để lộ phần thép bên trong. Đem toàn bộ lớp kẽm (6,5 gam) và phần thép lộ ra (5,6 gam Fe) cho tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Tính tổng thể tích khí H₂ thu được ở đkc, và giải thích vì sao trong thực tế (không ngâm acid, chỉ tiếp xúc nước mưa) phần thép lộ ra lại **không** bị gỉ ngay.
2
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$ và $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2$ — cả hai đều có tỉ lệ kim loại : H₂ = 1 : 1. $n_{Zn} = 6{,}5/65 = 0{,}1$ mol; $n_{Fe} = 5{,}6/56 = 0{,}1$ mol.
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$ và $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2$ — cả hai đều có tỉ lệ kim loại : H₂ = 1 : 1. $n_{Zn} = 6{,}5/65 = 0{,}1$ mol; $n_{Fe} = 5{,}6/56 = 0{,}1$ mol.
3
$n_{H_2} = n_{Zn} + n_{Fe} = 0{,}1 + 0{,}1 = 0{,}2$ mol. $V_{H_2} = 0{,}2\times 24{,}79 = 4{,}958$ lít.
$n_{H_2} = n_{Zn} + n_{Fe} = 0{,}1 + 0{,}1 = 0{,}2$ mol. $V_{H_2} = 0{,}2\times 24{,}79 = 4{,}958$ lít.
4
Trong điều kiện tự nhiên (không có acid mạnh, chỉ có nước mưa và oxygen), tại vết xước kẽm hoạt động mạnh hơn sắt nên bị ăn mòn điện hóa thay cho sắt (cơ chế bảo vệ hi sinh) — nên phần thép lộ ra chưa bị gỉ ngay dù tiếp xúc nước mưa, khác hẳn khi ngâm trực tiếp trong acid mạnh (phản ứng hóa học thông thường, xảy ra với cả hai kim loại không phân biệt "hi sinh").
Trong điều kiện tự nhiên (không có acid mạnh, chỉ có nước mưa và oxygen), tại vết xước kẽm hoạt động **mạnh hơn** sắt nên bị ăn mòn điện hóa thay cho sắt (cơ chế bảo vệ hi sinh) — nên phần thép lộ ra chưa bị gỉ ngay dù tiếp xúc nước mưa, khác hẳn khi ngâm trực tiếp trong acid mạnh (phản ứng hóa học thông thường, xảy ra với cả hai kim loại không phân biệt "hi sinh").
5
Bài toán này kết hợp cả kỹ năng tính theo phương trình (như các chương đầu) lẫn khả năng giải thích hiện tượng ăn mòn — bảo vệ (chương 3) — đúng dạng câu hỏi tổng hợp thường gặp trong đề thi cuối kì hoặc đề thi vào lớp 10.

Sai lầm thường gặp

Lỗi tổng hợp phổ biến nhất: dùng chung một tỉ lệ mol kim loại : H₂ cho cả Al và Fe. Luôn nhớ Al (hóa trị III) cho tỉ lệ 2:3, còn Fe, Zn (hóa trị II) cho tỉ lệ 1:1 — nhầm lẫn này làm sai toàn bộ hệ phương trình. Trong bài tổng hợp, lỗi hay gặp nhất là áp dụng phản ứng hóa học thông thường (như với acid) để giải thích hiện tượng ăn mòn tự nhiên — thực chất ăn mòn điện hóa hi sinh chỉ xảy ra khi có sự chênh lệch hoạt động hóa học giữa hai kim loại tiếp xúc, không phải phản ứng trực tiếp như với acid mạnh.

Lỗi tổng hợp phổ biến nhất: dùng chung một tỉ lệ mol kim loại : H₂ cho cả Al và Fe. Luôn nhớ Al (hóa trị III) cho tỉ lệ 2:3, còn Fe, Zn (hóa trị II) cho tỉ lệ 1:1 — nhầm lẫn này làm sai toàn bộ hệ phương trình. Trong bài tổng hợp, lỗi hay gặp nhất là áp dụng phản ứng hóa học thông thường (như với acid) để giải thích hiện tượng ăn mòn tự nhiên — thực chất ăn mòn điện hóa hi sinh chỉ xảy ra khi có sự **chênh lệch hoạt động hóa học** giữa hai kim loại tiếp xúc, không phải phản ứng trực tiếp như với acid mạnh.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Nhôm nhẹ, hóa trị III cố định, bền nhờ lớp Al₂O₃. Sắt có hai hóa trị tùy chất phản ứng, dễ gỉ khi có đồng thời nước và oxygen, được bảo vệ bằng sơn/dầu mỡ/mạ kẽm. Gang (nhiều carbon, giòn) và thép (ít carbon, dẻo dai) là hai hợp kim quan trọng của sắt, được sản xuất từ quặng sắt qua quá trình khử trong lò cao. Cả sáu chương của khóa học đều gói gọn trong mấy dòng này.

Kim loại tạm khép lại ở đây. Khóa học tiếp theo trong chương trình Hóa học 9 sẽ chuyển sang phi kim, carbon và các hợp chất vô cơ của carbon.