Giải SGK Hóa 12 Chân trời sáng tạo Bài 15: Các phương pháp tách kim loại

Mở đầu: Sau khi khai thác quặng, cần thực hiện quá trình tách kim loại để thu được kim loại tinh khiết. Có những phương pháp nào để tách kim loại?

Lời giải:

- Các phương pháp có thể tách kim loại là: phương pháp nhiệt luyện, phương pháp thuỷ luyện và phương pháp điện phân.

1. Cấu tạo của kim loại

Thảo luận 1: Hãy nêu nhận xét về số electron lớp ngoài cùng của các nguyên tử kim loại Na, Mg, Al, Fe, Cu, Zn.

Lời giải:

- Các kim loại tồn tại ở dạng đơn chất như vàng, bạc, platinum,...

- Hầu hết các kim loại tồn tại ở dạng hợp chất trong các quặng, mỏ, ví dụ như nhôm trong quặng bauxite (Al₂O₃), sắt trong quặng pyrite (FeS₂)…

2. Phương pháp tách kim loại

Thảo luận 2: Xác định chất oxi hoá, chất khử trong các phản ứng ở Ví dụ 1.

Ví dụ 1:

ZnO + C $\stackrel{t^o}{\to }$  Zn + CO

Fe2O3 + 3CO $\stackrel{t^o}{\to }$  2Fe + 3CO2

Lời giải:

- Xét phản ứng:

$\stackrel{+2}{Zn}O+\stackrel{0}{C}\stackrel{t^o}{\to }\stackrel{0}{Zn}+\stackrel{+2}{C}O$

Số oxi hoá của C tăng từ 0 lên +2 nên C đóng vai trò là chất khử; số oxi hoá của Zn giảm từ +2 xuống 0 nên ZnO đóng vai trò là chất oxi hoá.

- Xét phản ứng:

${\stackrel{+3}{Fe}}_2{O}_3+3\stackrel{+2}{C}O\stackrel{t^o}{\to }2\stackrel{0}{Fe}+3\stackrel{+4}{C}{O}_2$

Số oxi hoá của C tăng từ +2 lên +4 nên CO đóng vai trò là chất khử; số oxi hoá của Fe giảm từ +3 xuống 0 nên Fe2O3 đóng vai trò là chất oxi hoá.

Luyện tập: Trình bày cách tách Cu từ Cu(OH)2 bằng phương pháp nhiệt luyện. Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra.

Lời giải:

Bước 1: Nhiệt phân Cu(OH)2 thu được CuO:

Cu(OH)2 $\stackrel{t^o}{\to }$ CuO + H2O

Bước 2: Dùng CO hoặc C khử CuO thu được kim loại Cu:

CO + CuO $\stackrel{t^o}{\to }$ Cu + CO2

Hoặc C + 2CuO → 2Cu + CO2

Thảo luận 3: Hãy so sánh phương pháp nhiệt luyện và phương pháp thuỷ luyện. Phương pháp nào thường dùng trong phòng thí nghiệm để tách kim loại? Giải thích.

Lời giải:

* So sánh phương pháp nhiệt luyện và phương pháp thuỷ luyện:

- Giống nhau: cả hai phương pháp đều dùng nguyên tắc khử những ion của kim loại.

- Khác nhau:

+ Phương pháp nhiệt luyện thực hiện khử những ion của kim loại hoạt động yếu và trung bình trong các oxide của chúng ở nhiệt độ cao bằng chất khử C, CO,…

+ Phương pháp thuỷ luyện thực hiện bằng cách hoà tan kim loại hoặc hợp chất của những kim loại hoạt động yếu trong dung dịch thích hợp để tách ra khỏi phần không tan có trong quặng. Sau đó, các ion kim loại được khử bằng kim loại hoạt động mạnh hơn.

* Phương pháp thường được dùng trong phòng thí nghiệm là phương pháp thuỷ luyện vì phương pháp này dễ xảy ra trong dung dịch thích hợp, an toàn và không đòi hỏi nhiệt độ cao như phương pháp nhiệt luyện.

Thảo luận 4: Có thể điện phân dung dịch muối của bạc để tách kim loại này được không? Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra (nếu có).

Lời giải:

Có thể điện phân dung dịch muối của bạc, sản phẩm tạo thành là kim loại Ag, O2 và H+.

PTHH: Ví dụ muối AgNO3

2AgNO3 + H2O → 2Ag + O2 + 2HNO3

3. Nhu cầu và thực tiễn tái chế kim loại

Thảo luận 5: Tìm hiểu về một số làng nghề tái chế kim loại phổ biến Al, Fe, Cu ở Việt Nam. Nêu thực trạng về môi trường tại làng nghề đó.

Lời giải:

Ở Việt Nam, tái chế kim loại ở các làng nghề đa phần là tái chế kim loại thủ công. Tái chế kim loại thủ công được hiểu là chế tạo theo quy trình đơn giản bằng các công cụ thô sơ tại hộ gia đình hay các cơ sở sản xuất nhỏ. Vì vậy, người sản xuất thường không có đủ điều kiện đầu tư đồng bộ để đảm bảo hiệu quả, chất lượng và an toàn. Từ đó, hoạt động tái chế kim loại thủ công thường tác động tiêu cực đến môi trường và con người.

Một số ảnh hưởng của quy trình tái chế kim loại thủ công đối với môi trường và sức khoẻ người dân ở một số làng nghề tái chế được thể hiện dưới các hình ảnh sau:

Bài tập

Bài tập 1: Viết sơ đồ tách kim loại bằng một phương pháp hoá học thích hợp từ mỗi nguyên liệu MgO và Fe2O3. Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra (nếu có).

Lời giải:

- Tách Mg từ MgO bằng phương pháp điện phân nóng chảy: MgO $\stackrel{đpnc}{\to }$  Mg.

Phương trình hoá học:

2MgO $\stackrel{đpnc}{\to }$ 2Mg + O2

- Tách Fe từ Fe2O3 bằng phương pháp nhiệt luyện: Fe2O3 $\stackrel{+C/CO}{\to }$ Fe.

Phương trình hoá học:

Fe2O3 + 3CO $\stackrel{t^o}{\to }$  2Fe + 3CO2

Hoặc Fe2O3 + 3C $\stackrel{t^o}{\to }$  2Fe + 3CO

Bài tập 2: Trình bày phương pháp hoá học thích hợp để tách kim loại bạc ra khỏi hỗn hợp kim loại bạc và đồng. Viết phương trình hoá học của các phản ứng.

Lời giải:

Bài tập 3: Đá vôi là loại đá trầm tích bao gồm các khoáng vật calcite và các dạng kết tinh khác nhau của calcium carbonate. Đá vôi (thành phần chính CaCO3) có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất. Hãy lựa chọn và trình bày phương pháp hoá học thích hợp điều chế calcium từ CaCO3. Viết phương trình hoá học của các phản ứng.

Lời giải:

Có thể điều chế calcium từ CaCO3 theo sơ đồ sau:

CaCO3(s)$\stackrel{+HCl}{\to }$ CaCl2(aq)$\stackrel{t^o}{\to }$ CaCl2(s) $\stackrel{đpnc}{\to }$ Ca(s)

Phương trình hoá học minh hoạ:

CaCO3(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)

Cô cạn thu CaCl2 khan sau đó đem điện phân nóng chảy:

CaCl2 $\stackrel{đpnc}{\to }$  Ca + Cl2