Bài 20. Kim loại trong tự nhiên và phương pháp tách kim loại – Tóm tắt Hoá học 12

1. Kim loại trong tự nhiên

Sự tồn tại của kim loại

Phần lớn kim loại trong vỏ Trái Đất tồn tại ở dạng hợp chất: oxide, sulfide, chloride, carbonate, silicate,…
Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất; tiếp theo là sắt, calcium, sodium, potassium, magnesium.
Một số kim loại kém hoạt động tồn tại ở dạng đơn chất (tự do) như $\mathrm{Au}$ , $\mathrm{Pt}$ , $\mathrm{Ag}$ .

Định nghĩa

Quặng là đất đá chứa khoáng vật của kim loại với hàm lượng đủ lớn để khai thác, tách kim loại có hiệu quả kinh tế. Ví dụ: quặng bauxite ( $\mathrm{Al_2O_3\cdot 2H_2O}$ ), hematite ( $\mathrm{Fe_2O_3}$ ), magnetite ( $\mathrm{Fe_3O_4}$ ).

Trước khi tách kim loại, quặng thường được làm giàu (loại bớt đất đá, tạp chất).

2. Phương pháp tách kim loại

Nguyên tắc tách kim loại.

Khử ion kim loại trong hợp chất thành kim loại: $\mathrm{M^{n+} + ne \to M}$ .

Dãy hoạt động hoá học của kim loại

\mathrm{K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au}

Tính khử giảm dần từ trái sang phải.

Ba phương pháp tách kim loại chính

Nhiệt luyện: dùng chất khử $\mathrm{C}$ , $\mathrm{CO}$ , $\mathrm{H_2}$ hoặc $\mathrm{Al}$ khử oxide kim loại ở nhiệt độ cao; dùng cho kim loại hoạt động trung bình và yếu (như $\mathrm{Zn}$ , $\mathrm{Fe}$ , $\mathrm{Sn}$ , $\mathrm{Pb}$ , $\mathrm{Cu}$ ).
Thuỷ luyện: hoà tan hợp chất của kim loại bằng dung dịch thích hợp, rồi dùng kim loại có tính khử mạnh hơn khử ion kim loại cần tách; thường dùng cho kim loại kém hoạt động như $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{Ag}$ , $\mathrm{Au}$ .
Điện phân: điện phân nóng chảy hợp chất của kim loại hoạt động mạnh ( $\mathrm{K}$ , $\mathrm{Na}$ , $\mathrm{Ca}$ , $\mathrm{Mg}$ , $\mathrm{Al}$ ); điện phân dung dịch muối để tách kim loại hoạt động trung bình, yếu (như $\mathrm{Zn}$ , $\mathrm{Cu}$ ).

Mức độ hoạt động	Ví dụ	Phương pháp
Mạnh	$\mathrm{K, Ca, Na, Mg, Al}$	Điện phân nóng chảy oxide hoặc muối chloride
Trung bình	$\mathrm{Zn, Fe, Ni, Sn, Pb}$	Nhiệt luyện; điện phân dung dịch
Yếu	$\mathrm{Cu, Hg, Ag}$	Nhiệt luyện, thuỷ luyện hoặc điện phân dung dịch
Rất kém hoạt động	$\mathrm{Pt, Au}$	Có sẵn dạng tự do; tách khỏi đất đá (có thể thuỷ luyện)

3. Phương trình hoá học tiêu biểu

Nhiệt luyện oxide sắt trong lò cao:

\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2}

Phản ứng nhiệt nhôm (dùng để hàn đường ray):

\mathrm{Fe_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + Al_2O_3}

Thuỷ luyện đồng:

\mathrm{CuO + H_2SO_4 \longrightarrow CuSO_4 + H_2O}

\mathrm{CuSO_4 + Fe \longrightarrow FeSO_4 + Cu}

Điện phân nóng chảy aluminium oxide (có mặt cryolite $\mathrm{Na_3AlF_6}$ ):

\mathrm{2Al_2O_3} \xrightarrow{\text{đpnc}} \mathrm{4Al + 3O_2} \uparrow

Điện phân nóng chảy muối chloride:

\mathrm{MgCl_2} \xrightarrow{\text{đpnc}} \mathrm{Mg + Cl_2} \uparrow

\mathrm{2NaCl} \xrightarrow{\text{đpnc}} \mathrm{2Na + Cl_2} \uparrow

Tạo xỉ để loại tạp chất $\mathrm{SiO_2}$ trong lò cao:

\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2 \uparrow}

\mathrm{CaO + SiO_2 \xrightarrow{t^\circ} CaSiO_3}

4. Tái chế kim loại

Tái chế kim loại (sắt, thép, nhôm, đồng,…) giúp tiết kiệm tài nguyên quặng, tiết kiệm năng lượng, giảm chất thải và ô nhiễm môi trường.
Quy trình chung: thu gom, phân loại phế liệu $\to$ làm sạch, nấu chảy $\to$ tinh chế, đúc thành sản phẩm.

5. Phương pháp giải bài tập

Chọn phương pháp tách kim loại

1.
Xác định vị trí kim loại trong dãy hoạt động hoá học.
2.
Kim loại từ $\mathrm{K}$ đến $\mathrm{Al}$ : dùng điện phân nóng chảy hợp chất; không dùng $\mathrm{C}$ , $\mathrm{CO}$ , $\mathrm{H_2}$ vì các chất này không khử được oxide của chúng.
3.
Kim loại sau $\mathrm{Al}$ (từ $\mathrm{Zn}$ trở đi): có thể dùng nhiệt luyện (khử oxide bằng $\mathrm{C}$ , $\mathrm{CO}$ , $\mathrm{H_2}$ , $\mathrm{Al}$ ) hoặc điện phân dung dịch muối.
4.
Kim loại kém hoạt động ( $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{Ag}$ , $\mathrm{Au}$ ): có thể dùng thuỷ luyện.

Tính toán theo phương trình hoá học

1.
Viết phương trình đã cân bằng, xác định hệ số tỉ lệ.
2.
Tính số mol chất cho trước dựa vào khối lượng hoặc thể tích.
3.
Suy ra số mol, khối lượng hoặc thể tích chất cần tìm theo hệ số.
4.
Nếu có hiệu suất phản ứng thì nhân hiệu suất với lượng sản phẩm tính theo lí thuyết.

6. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Người ta luyện gang từ quặng hematite $\mathrm{Fe_2O_3}$ có lẫn tạp chất $\mathrm{SiO_2}$ . Viết các phương trình hoá học diễn tả việc khử oxide sắt và phản ứng loại tạp chất trong lò cao.

Lời giải · 3 bước

Khử oxide sắt:

\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2}

Bước 2

Loại tạp chất $\mathrm{SiO_2}$ bằng cách tạo xỉ:

\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2 \uparrow}

\mathrm{CaO + SiO_2 \xrightarrow{t^\circ} CaSiO_3}

Bước 3

Vậy $\mathrm{CO}$ khử oxide sắt tạo sắt, còn $\mathrm{CaO}$ kết hợp với $\mathrm{SiO_2}$ tạo xỉ $\mathrm{CaSiO_3}$ dễ tách khỏi gang.

Ví dụ 2

Trong thuỷ luyện đồng, người ta hoà tan hợp chất của đồng bằng dung dịch acid rồi dùng sắt hoặc kẽm khử ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ . Viết phương trình minh hoạ.

Lời giải · 2 bước

Hoà tan copper(II) oxide:

\mathrm{CuO + H_2SO_4 \longrightarrow CuSO_4 + H_2O}

Bước 2

Dùng kim loại có tính khử mạnh hơn để tách đồng:

\mathrm{CuSO_4 + Fe \longrightarrow FeSO_4 + Cu}

\mathrm{CuSO_4 + Zn \longrightarrow ZnSO_4 + Cu}

Ví dụ 3

Tính khối lượng nhôm thu được khi điện phân nóng chảy hoàn toàn $10{,}2$ kg $\mathrm{Al_2O_3}$ . Biết hiệu suất phản ứng bằng $100\%$ .

Lời giải · 4 bước

Phương trình điện phân:

\mathrm{2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{đpnc}} 4Al + 3O_2 \uparrow}

Bước 2

$M_{\mathrm{Al_2O_3}}=102$ g/mol; khối lượng $\mathrm{Al_2O_3}$ là $10\,200$ g.

n_{\mathrm{Al_2O_3}}=\frac{10\,200}{102}=100\ \text{mol}

Bước 3

Theo phương trình, $2$ mol $\mathrm{Al_2O_3}$ cho $4$ mol $\mathrm{Al}$ , nên:

n_{\mathrm{Al}}=2\times100=200\ \text{mol}

Bước 4

Khối lượng nhôm:

m_{\mathrm{Al}}=200\times27=5\,400\ \text{g}=5{,}4\ \text{kg}.

Ví dụ 4

Chọn phương pháp tách kim loại cho sodium, sắt, đồng, vàng và giải thích ngắn gọn.

Lời giải · 4 bước

Sodium hoạt động rất mạnh, nên điện phân nóng chảy:

\mathrm{2NaCl} \xrightarrow{\text{đpnc}} \mathrm{2Na + Cl_2} \uparrow

Bước 2

Sắt hoạt động trung bình, nên nhiệt luyện:

\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2}

Bước 3

Đồng hoạt động yếu, có thể thuỷ luyện:

\mathrm{CuSO_4 + Fe \longrightarrow FeSO_4 + Cu}

Bước 4

Vàng rất kém hoạt động, thường gặp dạng tự do trong tự nhiên nên chủ yếu cần tách khỏi đất đá.

7. Lưu ý hay nhầm

Không dùng C, CO, H

_2

cho kim loại mạnh

Ion của các kim loại từ $\mathrm{K}$ đến $\mathrm{Al}$ có tính oxi hoá rất yếu, oxide của chúng rất bền nên không bị $\mathrm{C}$ , $\mathrm{CO}$ , $\mathrm{H_2}$ khử. Phải điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.

Nhôm vừa là chất khử vừa là sản phẩm điện phân

Trong phản ứng nhiệt nhôm, $\mathrm{Al}$ khử oxide kim loại như $\mathrm{Fe_2O_3}$ ; trong công nghiệp, $\mathrm{Al}$ được sản xuất bằng điện phân nóng chảy $\mathrm{Al_2O_3}$ có mặt cryolite $\mathrm{Na_3AlF_6}$ để giảm nhiệt độ nóng chảy.

Điện phân nóng chảy, không điện phân dung dịch

Khi điện phân dung dịch muối của kim loại mạnh, ion kim loại không bị khử ở cathode mà nước bị khử sinh $\mathrm{H_2}$ . Vì vậy muốn thu kim loại mạnh thì phải điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.

Phân biệt quặng và thành phần chính

Thành phần chính của quặng hematite là $\mathrm{Fe_2O_3}$ ; quặng bauxite có thành phần chính là $\mathrm{Al_2O_3\cdot 2H_2O}$ , lẫn nhiều tạp chất nên cần tinh chế để thu $\mathrm{Al_2O_3}$ sạch.

Nhớ nhanh

1. Kim loại trong tự nhiên

2. Phương pháp tách kim loại

3. Phương trình hoá học tiêu biểu

4. Tái chế kim loại

5. Phương pháp giải bài tập

6. Ví dụ minh hoạ

7. Lưu ý hay nhầm