Hỗn hợp bột của kim loại magiê (Mg, magnesium) và sắt (Fe, iron) được nghiền bằng kỹ thuật luyện kim năng lượng cao, tạo thành hợp kim “siêu ăn mòn”. Thực hiện quá trình thiêu kết hỗn hợp gồm hợp kim “siêu ăn mòn” với bột polyethylene và sodium chloride (NaCl), tạo thành vật liệu xốp gọi là hỗn hợp FRH. Một nhóm học sinh tiến hành thí nghiệm để kiểm tra thành phần hóa học của hỗn hợp FRH theo các bước sau:
• Bước 1: Để gói FRH treo thẳng đứng và đưa nam châm lại gần.
• Bước 2: Thêm nước (dư) vào cốc thủy tinh chứa sẵn một lượng hỗn hợp FRH, thấy xảy ra phản ứng tỏa nhiệt, tạo thành kết tủa và khí không màu. Chia hỗn hợp sau phản ứng làm 2 phần; acid hóa phần 1 bằng dung dịch HNO3 loãng, dư. Thêm tiếp vài giọt dung dịch silver nitrate, thấy xuất hiện kết tủa trắng.
• Bước 3: Tiến hành lọc phần còn lại (phần 2) của hỗn hợp sau phản ứng ở bước 2, thu được dung dịch lọc và chất rắn màu trắng.
– Cho chất rắn vào cốc thủy tinh chứa nước cất, nhỏ thêm vài giọt dung dịch phenolphthalein.
– Đốt dung dịch lọc trên ngọn lửa không màu.
i. Nêu hiện tượng và giải thích cách làm trong bước 1 và bước 3; viết phương trình hóa học các phản ứng xảy ra (nếu có) ở bước 2.
ii. Tại sao magiê phản ứng chậm với nước ở nhiệt độ thường (25 °C) nhưng magiê trong FRH lại phản ứng nhanh chóng với nước?
iii. Một gói FRH sử dụng 7,5 gam bột hợp kim Mg – Fe (gồm 95% Mg và 5% Fe theo khối lượng), 0,5 gam sodium chloride, ngoài ra còn có chất độn trơ. Khi thêm 30 mL nước vào hỗn hợp FRH này để hâm nóng một gói thức ăn nặng 230 gam trong khoảng 10 phút. Biết rằng: enthalpy tạo thành chuẩn (kJ/mol) của magnesium hydroxide (rắn) và nước (lỏng) lần lượt là -928,4 và -285,8; nhiệt dung riêng của loại thức ăn trên là 3,52 kJ/kg.K; phần thức ăn được làm nóng chỉ nhận được tối đa 50% lượng nhiệt tỏa ra. Hãy cho biết, gói thực phẩm từ 25°C sẽ được tăng đến nhiệt độ (°C) bao nhiêu? Cho biết: Q = m.C.ΔT. Với Q: nhiệt lượng hấp thu (kJ); m: khối lượng (kg); C: nhiệt dung riêng (kJ/kg.K); ΔT: biến thiên nhiệt độ (K).
Câu trả lời tốt nhất
i.
Bước 1: Kiểm tra sự có mặt của sắt bằng nam châm: Gói FRH bị nam châm hút chứng tỏ hỗn hợp bên trong có chứa sắt.
Bước 2:
Mg + 2H2O —> Mg(OH)2 + H2
Chất rắn còn lại gồm Mg(OH)2, Fe, NaCl. Khi acid hóa bằng HNO3:
Mg(OH)2 + 2HNO3 —> Mg(NO3)2 + 2H2O
Fe + 4HNO3 —> Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
Thêm AgNO3 tạo kết tủa trắng là AgCl:
NaCl + AgNO3 —> NaNO3 + AgCl
Bước 3: Chất rắn gồm Mg(OH)2, Fe. Dung dịch nước lọc là NaCl.
Cho chất rắn vào nước và nhỏ thêm phenolphthalein thì thấy màu hồng do Mg(OH)2 phân li một phần tạo môi trường base:
Mg(OH)2 ⇋ Mg2+ + 2OH-
Dung dịch lọc làm ngọn lửa nhuốm màu vàng sáng, đặc trưng cho Na+.
ii.
Mg phản ứng chậm với nước ở nhiệt độ thường nhưng Mg trong FRH lại phản ứng nhanh chóng với nước vì:
+ Có sự ăn mòn điện hóa, trong đó Mg là anode, Fe là cathode và NaCl/H2O làm môi trường điện li.
+ Mg, Fe được nghiền thành bột, sau đó thiêu kết với PE và NaCl tạo vật liệu xốp, có diện tích bề mặt rất lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho vô số cặp ăn mòn điện hóa Mg-Fe hoạt động.
+ Nhiệt sinh ra từ quá trình ăn mòn điện hóa đã hỗ trợ quá trình ăn mòn xảy ra nhanh hơn, mạnh hơn.
iii.
Mg(s) + 2H2O(l) → Mg(OH)2(s) + H2(g)
= -928,4 – 2(-285,8) = -356,8 kJ
m thức ăn = 0,23 kg
Q = 50%.356,8.7,5.95%/24 = 0,23.3,52(T – 298)
—> T = 363,4K (hay 90,4°C)