Mở đầu: Người ta có thể thu được kim loại bằng cách tách kim loại từ các hợp chất của chúng, hoặc bằng quá trình tái chế kim loại.
a) Việc lựa chọn phương pháp phù hợp để tách kim loại từ hợp chất cần dựa vào cơ sở nào?
b) Vì sao cần phải tái chế kim loại?
Lời giải:
a. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp để tách kim loại từ hợp chất, ta cần khử cation M+ thành kim loại.
b. Tái chế kim loại từ các phế liệu kim loại để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong cuộc sống.
I. Trạng thái tự nhiên của kim loại
Câu hỏi 1: Dựa vào độ hoạt động hoá học hoặc giá trị thế điện cực chuẩn, giải thích vì sao vàng, bạc có thể tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.
Lời giải:
- Vàng, bạc có mức hoạt động hóa học yếu nên hầu như không tác dụng với các chất khác trong tự nhiên, vì vậy vàng, bạc tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.
Câu hỏi 2: Nước tự nhiên ở khu vực có khoáng vật calcite thường chứa cation kim loại nào?
Lời giải:
- Thành phần chính của khoáng vật calcite là CaCO3.
- Nước tự nhiên ở khu vực có khoáng vật calcite thường chứa cation kim loại Ca2+.
Vận dụng 1: Mỏ khoáng vật là nơi tập trung quặng tới mức có thể khai thác được, như mỏ vàng Bồng Miêu, Quảng Nam; mỏ sắt Thạch Khê, Hà Tĩnh.
Hãy tìm hiểu và cho biết một số mỏ kim loại quan trọng ở Việt Nam.
Lời giải:
- Ở Việt Nam có một số mỏ kim loại quan trọng như: Mỏ apatite ở Lào Cai; mỏ đồng ở Lạng Sơn, Cao Bằng; mỏ wolfram ở Thái Nguyên...
II. Phương pháp tách kim loại
Luyện tập 1: Chỉ ra chất khử được sử dụng trong các phản ứng ở Ví dụ 1.
Lời giải:
+ Phản ứng: Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO2(g)
Chất khử được sử dụng là: CO.
+ Phản ứng: ZnO(s) + C(s) Zn(g) + CO(g)
Chất khử được sử dụng là: C.
+ Phản ứng: Fe(s) + CuSO4(aq) ⟶ Cu(s) + FeSO4(aq)
Chất khử được sử dụng là: Fe.
Câu hỏi 3: Chỉ ra một số đặc điểm khác nhau giữa phương pháp nhiệt luyện và phương pháp thuỷ luyện.
Lời giải:
- Phương pháp nhiệt luyện thực hiện dựa trên nguyên tắc khử oxide kim loại bằng CO, C.
- Phương pháp thủy luyện dựa trên nguyên tắc kim loại mạnh đẩy kim loại yếu ra khỏi dung dịch muối.
- Phương pháp nhiệt luyện để tách kim loại trung bình như Zn, Fe. Phương pháp thủy luyện tách kim loại yếu như Cu, Ag.
Luyện tập 2: Viết phương trình hóa học của phản ứng tách nhôm từ aluminium oxide bằng phương pháp điện phân nóng chảy.
Lời giải:
Phương trình hóa học của phản ứng tách nhôm từ aluminium oxide bằng phương pháp điện phân nóng chảy.
2Al2O3(l) 4Al(l) + 3O2(g)
Trong đó, tại anode và cathode xảy ra các quá trình sau:
Anode (+): 2O2- ⟶ O2 + 4e
Cathode (−): Al3+ + 3e ⟶ Al
Luyện tập 3: Hãy đề xuất phương pháp tách kim loại sodium từ hợp chất sodium chloride. Giải thích.
Lời giải:
- Để tách kim loại sodium từ hợp chất sodium chloride, người ta dùng phương pháp điện phân nóng chảy, do sodium là một kim loại mạnh, có thể dễ dàng phản ứng với nhiều dung dịch, do đó không thể thu được kim loại sodium từ điện phân dung dịch.
III. Tái chế kim loại
Câu hỏi 4: Cho biết một số phế liệu có thể dùng để tái chế nhôm.
Lời giải:
- Một số phế liệu có thể dùng để tái chế nhôm: lon bia, xoong,…
Luyện tập 4: Hình dưới đây liên quan đến công đoạn nào trong quá trình tái chế kim loại?
Lời giải:
Hình dưới đây liên quan đến công đoạn tạo vật liệu từ kim loại nóng chảy trong quá trình tái chế kim loại.
Vận dụng 2: Hãy tìm hiểu về quy trình tái chế nhôm thủ công. Nêu và giải thích nguyên nhân gây ô nhiễm mỗi trường từ quá trình tái chế nhôm thủ công.
Lời giải:
- Quy trình tái chế nhôm thủ công bao gồm các bước:
+ Bước 1: Nhập nhôm phế liệu từ nhiều nguồn.
+ Bước 2: Giảm bớt thể tích nhôm bằng cách cắt thành mảnh nhỏ, ép, đập...
+ Bước 3: Làm sạch các mảnh nhôm bằng phương pháp hóa học hoặc cơ học.
+ Bước 4: Cho các khối nhôm vào lò nung (ở nhiệt độ lên đến 750oC) để tạo thành nhôm nóng chảy.
+ Bước 5: Loại bỏ đi các cặn bã, tạp chất rồi đổ vào khuôn tạo hình sản phẩm.
Do trong các công đoạn tái chế nhôm thủ công, quá trình tẩy rửa các sản phẩm nhôm đã thải trực tiếp ra môi trường nước thải có chứa các dung dịch độc hại như acid, hơi kim loại... khiến cho môi trường bị ô nhiễm.
Bài tập
Bài tập 1: Đề xuất phương pháp tách kim loại magnesium từ magnesium carbonate và viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra.
Lời giải:
Dùng dung dịch HCl loãng để hòa tan MgCO3
Điện phân nóng chảy MgCl2 để thu được kim loại Mg
Bài tập 2: Kim loại kẽm được tách từ hợp chất zinc sulfide trong khoáng vật sphalerite. Trước tiên, đốt zinc sulfide trong khí oxygen dư để tạo zinc oxide và sulfur dioxide. Để thu được zinc, có thể khử zinc oxide bằng carbon. Viết các phương trình hoá học của phản ứng xảy ra.
Lời giải:
Các phương trình hoá học của phản ứng xảy ra:
2ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g)
ZnO(s) + C(s) Zn(g) + CO(g)
Bài tập 3: Để tái chế nhôm, người ta có thể sử dụng phế liệu kim loại như vỏ của các lon, hộp chứa nước giải khát hay thực phẩm. Phế liệu này còn lẫn các tạp chất là các hợp chất hữu cơ và vô cơ (có trong nhãn, mác in hoặc sơn trên vỏ lon, hộp). Phế liệu được cắt, băm nhỏ rồi cho vào lò nung đến khi chảy lỏng. Phần lớn các tạp chất biến thành xỉ lỏng, nổi lên trên, được vớt ra khỏi lò. Phần còn lại trong lò là nhôm tái chế ở trạng thái nóng chảy.
a) Nêu lợi ích của việc cắt, băm nhỏ phế liệu nhôm trước khi nung chảy.
b) Theo em, có nên dùng nhôm tái chế theo mô tả trên để chế tạo dụng cụ nhà bếp (xoong, chảo, thau,...), dụng cụ y tế không? Vì sao?
Lời giải:
a. Việc cắt, băm nhỏ phế liệu nhôm trước khi nung chảy giúp giảm bớt thể tích và dễ dàng cho việc phân loại tái chế.
b. Không nên dùng nhôm tái chế theo mô tả trên để chế tạo dụng cụ nhà bếp và dụng cụ y tế vì các vật dụng bằng nhôm này được sản xuất theo phương thức thô sơ và không đảm bảo quy chuẩn chất lượng. Chúng đều lẫn nhiều loại tạp chất, được rửa bằng các hóa chất độc hại và có thể gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người.