Mở đầu: Trong tự nhiên, các kim loại (trừ vàng, bạc và platinum) thường tồn tại ở các dạng hợp chất trong quặng. Làm thế nào để tách kim loại ra khỏi quặng?
Lời giải:
Nguyên tắc đề điều chế kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử:
Mn+ + ne → M
- Những kim loại hoạt động hoá học mạnh được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy các hợp chất của chúng.
- Những kim loại hoạt động trung bình, yếu thường được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện hoặc điện phân dung dịch muối của chúng hoặc thuỷ luyện.
I. Kim loại trong tự nhiên
Câu hỏi 1:
a) Hãy tìm hiểu và cho biết những kim loại nào tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.
b) Hãy tìm hiểu và cho biết một số mỏ quặng kim loại quan trọng ở Việt Nam.
Lời giải:
a) Những kim loại tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên: vàng, bạc, platinum,…
b) Các mỏ quặng kim loại quan trong ở Việt Nam:
- Quặng bauxite: Đăk Nông, Lâm Đồng, Đồng Nai,…
- Quặng zinc blende: Thái Nguyên.
- Quặng chalcopyrite: Cao Bằng, Lạng Sơn, Quảng Ninh,…
II. Các phương pháp tách kim loại
Hoạt động nghiên cứu: Hãy tìm hiểu quá trình điện phân Al2O3 nóng chảy và thực hiện các yêu cầu sau:
1. Nêu vai trò của cryolite trong quá trình điện phân.
2. Tại sao sau một thời gian, cần phải thay cực dương của bình điện phân. Viết các phương trình hoá học để giải thích.
Lời giải:
1. Vai trò của cryolite:
- Giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3.
- Tăng khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân.
- Tạo lớp xỉ trên bề mặt, ngăn cản quá trình oxi hoá Al bởi không khí.
2. Sau một thời gian, cần phải thay cực dương của bình điện phân vì khí O2 sinh ra ở cực dương đốt cháy dần dần than chì sinh ra CO2. Do đó cần phải thay cực dương của bình điện phân và để bảo đảm hiệu suất của quá trình.
Câu hỏi 2:
a) Hãy cho biết những kim loại nào thường được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy. Giải thích.
b) Hãy viết các quá trình xảy ra trên các điện cực và phương trình hoá học của phản ứng khi điện phân nóng chảy muối ăn.
Lời giải:
a) Để điều chế các kim loại như K, Na, Ca, Mg … người ta điện phân muối chloride của chúng ở trạng thái nóng chảy do các kim loại này hoạt động hoá học rất mạnh.
b) Quá trình xảy ra ở mỗi điện cực:
Cực dương (anode):
Cực âm (cathode):
Phương trình hoá học của phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân:
Câu hỏi 3: Hãy kể tên một số kim loại được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện.
Lời giải:
- Phương pháp nhiệt luyện dùng để điều chế các kim loại có độ hoạt động trung bình, yếu như zinc (Zn), iron (Fe), tin (Sn), lead (Pb), copper (Cu),...
Hoạt động nghiên cứu: Quan sát Hình 20.2 và thực hiện các yêu cầu sau:
1. Cho biết điện cực nào là điện cực dương, điện cực nào là cực âm.
2. Hãy viết các phương trình xảy ra trên các điện cực và phương trình hoá học của phản ứng điện phân dung dịch CuSO4.
Lời giải:
1. Điện cực gắn với dây màu đỏ là anode (cực dương); điện cực gắn với dây màu đen là cathode (cực âm) do có lớp kim loại bám ngoài điện cực.
2.
+ Ở anode có thể xảy ra sự oxi hoá ion sulfate hoặc phân tử H2O. Tuy nhiên, vì H2O dễ bị oxi hoá hơn ion sulfate nên H2O bị oxi hoá trước, tạo thành sản phẩm là khí O2.
+ Ở cathode có thể xảy ra sự khử ion Cu2+ hoặc phân tử H2O. Vì ion Cu2+ dễ bị khử hơn H2O nên ion Cu2+ bị khử trước, tạo thành ion kim loại Cu bám trên cathode.
Phương trình hoá học của phản ứng điện phân dung dịch CuSO4:
2CuSO4 + 2H2O 2Cu + O2 + 2H2SO4
(Lưu ý: Thường coi ion không bị điện phân)
III. Tái chế kim loại
Hoạt động nghiên cứu: Em hãy tìm hiểu, trình bày nhu cầu sử dụng và thực tiễn tái chế nhôm, sắt, đồng ở Việt Nam.
Lời giải:
Nhu cầu sử dụng: hiện nay, trữ lượng các mỏ quặng kim loại ngày càng cạn kiệt, trong khi nhu cầu sử dụng kim loại ngày càng tăng và lượng phế thải kim loại tạo ra ngày càng nhiều.
Thực tiễn tái chế sắt, nhôm, đồng ở Việt Nam:
- Tái chế sắt:
+ Sắt thường được tái chế từ các vật liệu phế liệu, các đồ dùng cũ,…
+ Người ta thường tái chế sắt bằng phương pháp như nung chảy, sử dụng điện phân dung dịch để tách sắt từ các vật liệu,…
+ Sắt sau khi tái chế được ứng dụng trong sản xuất thép, trong các lĩnh vực xây dựng, sản xuất ô tô,…
- Tái chế nhôm:
+ Nhôm thường được tái chế từ các sản phẩm như lon nước ngọt, lon bia, các đồ gia dụng bằng nhôm,…
+ Người ta thường tái chế nhôm bằng phương pháp điện phân nóng chảy.
+ Nhôm có thể tái chế nhiều lần, nhôm sau khi tái chế được ứng dụng trong các lĩnh vực như sản xuất ô tô, xe máy, xe đạp, xây dựng, trong thiết bị điện tử,…
- Tái chế đồng:
+ Đồng thường được tái chế từ cáp dây điện, đồ gia dụng bằng đồng, các sản phẩm điện tử,…
+ Đồng thường được tách bằng phương pháp thuỷ luyện, nhiệt luyện,…
+ Đồng sau khi tái chế được sử dụng làm vật liệu xây dựng, phương tiện giao thông, dụng cụ nấu ăn, nhạc cụ, dây dẫn điện,…
Do đó, việc tái chế kim loại là công việc cần thiết, vừa bảo đảm nguồn cung, vừa gia tăng giá trị kinh tế, bảo vệ môi trường và thực hiện mục tiêu phát triển bền vững.