Điều chế kim loại là một chủ đề quan trọng trong chương trình Hóa học lớp 12. Các bạn cần hiểu rõ nguyên lý và các phương pháp điều chế để có thể áp dụng vào các bài tập, câu hỏi trong kỳ thi tốt nghiệp THPT Quốc Gia.
1. Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là gì?
Điều chế kim loại - Nguyên tắc cần nhớ
Các kim loại hầu như tồn tại dưới dạng tự do. Trong hợp chất đó, kim loại tồn tại dưới dạng ion dương. Vì vậy nguyên tắc điều chế kim loại là phải khử được ion kim loại thành dạng nguyên tử, hiểu đơn giản là phải tách các hợp chất chứa kim loại cần điều chế thành nguyên tử chứa kim loại độc lập
2. Các phương pháp điều chế kim loại:
(1) Phương pháp thủy luyện
- Nguyên tắc chung: Dùng kim loại tự do có tính khử mạnh đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch muối của nó.
- Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong phòng thí nghiệm để điều chế các kim loại có tính khử yếu như: Pb, Ag, Cu,...
Thí dụ:
Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag
Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag
- Lưu ý khi dùng phương pháp thủy luyện
Ba điều kiện để kim loại A đẩy được kim loại B ra khỏi dung dịch muối của nó dưới dạng tự do là:
+ Điều kiện 1: Kim loại A phải hoạt động mạnh hơn kim loại B (nghĩa là A đứng trước B trong dãy điện hóa)
+ Điều kiện 2: Kim loại A và kim loại B đều phải không tan trong nước ở điều kiện thường.
Ví dụ: Na + CuSO4 sẽ xảy ra các phản ứng sau:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
2NaOH + CuSO4 → Cu(OH)2 + Na2SO4
(kết tủa màu xanh)
+ Điều kiện 3: Muối B (tham gia phản ứng) và muối của A (tạo thành) đều là muối tan.
Thí dụ: Zn + PbSO4 không phản ứng vì PbSO4 không tan
(2) Phương pháp nhiệt luyện
- Nguyên tắc: Dùng chất khử thích hợp như CO, C, Al, H2 khử ion kim loại trong oxit của chúng ở nhiệt độ cao.
- Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong công nghiệp với kim loại có tính khử trung bình đến yếu (sau Al).
Thí dụ:
3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
- Lưu ý
Để thu được kim loại tính khiết nên dùng CO hay H2 dư (vì khí dư sẽ thoát ra, không ảnh hưởng đến độ tinh khiết của kim loại cần điều chế).
Nếu dùng CO thiếu để khử oxit sắt ở nhiệt độ cao (do sắt có nhiều hóa trị) quá trình phản ứng xảy ra theo từng giai đoạn
Có thể dùng nhiệt để phân hủy một số hợp chất (oxit, muối, ...) của các kim loại yếu để điều chế kim loại tự do.
Trường hợp quặng là sunfua kim loại như Cu2S, ZnS, FeS2…thì phải chuyển sunfua kim loại thành oxit kim loại. Sau đó khử oxit kim loại bằng chất khử thích hợp
Ví dụ với ZnS:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
ZnO + C → Zn + CO
(3) Phương pháp điện phân
Nguyên tắc chung: Dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại thành kim loại tự do
Phạm vi áp dụng: Bằng phương pháp điện phân có thể điều chế được hầu hết các kim loại
Lưu ý:
Khác với phản ứng oxi hóa – khử thông thường, phản ứng điện phân do tác dụng của điện năng và các chất trong môi trường điện phân không trực tiếp cho nhau electron mà phải truyền qua dây dẫn.
K Ca Na Mg Al Zn Fe ..... Pt Au
- Điện phân chất điện li nóng chảy
Điều chế được hầu hết các kim loại. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ dùng điều chế các kim loại như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al. Vì phương pháp này tốn kém hơn so với phương pháp điện phân dung dịch.
- Điện phân dung dịch chất điện li trong nước
Điều chế các kim loại trung bình, yếu (sau Al).
Mn+ + ne → M
* Lưu ý:
Nếu điện phân dung dịch mà có các ion K+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+ thì nước sẽ tham gia điện phân.
2H2O + 2e → H2 + 2OH–
Nếu trong dung dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước.
3. Ứng dụng của các phương pháp điều chế:
Các phương pháp điều chế kim loại phổ biến và ứng dụng của chúng:
(1) Phương pháp nhiệt luyện:
Nguyên tắc: Dùng chất khử (C, CO, H₂) để khử oxit kim loại ở nhiệt độ cao.
Ứng dụng:
- - Điều chế sắt: Quá trình luyện gang và thép từ quặng sắt là ứng dụng điển hình của phương pháp này.
- - Điều chế một số kim loại khác: Đồng, chì, thiếc... cũng được điều chế bằng phương pháp này.
Ưu điểm:
- - Phương pháp đơn giản, hiệu quả cao.
- - Chi phí sản xuất tương đối thấp.
Nhược điểm:
- - Tốn nhiều năng lượng do cần nhiệt độ cao.
- - Gây ô nhiễm môi trường nếu không xử lý khí thải.
(2) Phương pháp thủy luyện:
Nguyên tắc: Hòa tan quặng kim loại trong dung dịch thích hợp, sau đó dùng chất khử mạnh hơn để đẩy kim loại ra khỏi dung dịch.
Ứng dụng:
- - Điều chế kim loại quý: Vàng, bạc thường được điều chế bằng phương pháp này.
- - Điều chế đồng: Từ quặng đồng sunfua.
Ưu điểm:
- - Có thể điều chế được kim loại có độ tinh khiết cao.
- - Điều kiện phản ứng thường nhẹ hơn phương pháp nhiệt luyện.
Nhược điểm:
- - Chi phí sản xuất cao hơn.
- - Tốn nhiều hóa chất.
(3) Phương pháp điện phân:
Nguyên tắc: Dùng dòng điện một chiều để khử ion kim loại trong dung dịch hoặc chất điện ly nóng chảy.
Ứng dụng:
- - Điều chế kim loại hoạt động mạnh: Natri, kali, nhôm...
- - Tinh luyện kim loại: Đồng, nhôm.
- - Mạ điện: Tạo lớp phủ kim loại lên bề mặt vật liệu khác.
Ưu điểm:
- - Điều chế được kim loại có độ tinh khiết cao.
- - Có thể điều khiển quá trình điện phân để thu được sản phẩm mong muốn.
Nhược điểm:
- - Tốn nhiều điện năng.
- - Thiết bị điện phân phức tạp.
Ứng dụng của các kim loại điều chế:
Các kim loại điều chế được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ xây dựng, công nghiệp, giao thông vận tải đến điện tử, y tế...
- - Sắt: Là kim loại được sử dụng nhiều nhất, làm nguyên liệu chính cho ngành xây dựng và cơ khí.
- - Đồng: Dùng làm dây dẫn điện, vật liệu xây dựng, hợp kim.
- - Nhôm: Ứng dụng trong ngành hàng không, đóng tàu, bao bì.
- - Vàng, bạc: Là kim loại quý, dùng làm trang sức, tiền tệ, chất xúc tác.
- - Các kim loại khác: Chì, thiếc, kẽm, niken... cũng có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp.
Lựa chọn phương pháp điều chế kim loại phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- - Tính chất của quặng: Thành phần, độ tinh khiết, kích thước hạt.
- - Tính chất của kim loại cần điều chế: Độ hoạt động hóa học, điểm nóng chảy.
- - Yêu cầu về độ tinh khiết của sản phẩm.
- - Chi phí sản xuất và tác động đến môi trường.
Bài tập vận dụng:
Câu 1: Để điều chế Ca từ CaCO3 cần thực hiện ít nhất mấy phản ứng ?
A. 2
B. 3
C. 4
D. 5
phản ứng (1): CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
Phản ứng (2): CaCl2 → Ca + Cl2
Câu 2: Những kim loại nào sau đây có thể được điều chế từ oxit bằng phương pháp nhiệt luyện nhờ chất khử CO?
A, Zn, Mg, Fe
B, Ni, Cu, Ca
C. Fe, Ni Zn
D. Fe, Al, Cu
Câu 3: Khẳng định nào sau đây không đúng
A, Khí điện phân dung dịch Zn(NO3)3 sẽ thu được Zn ở catot.
B, Có thể điều chế Ag bằng cách nhiệt phân AgNO3 khan.
C, Cho một luồng H2 dư qua bột Al2O3 nung nóng sẽ thu được Al.
D, Có thể điều chế đồng bằng cách dùng kẽm để khử ion Cu2+ trong dung dịch muối.
Câu 4: Cho các kim loại : Li, Na, Cu, Al, Fe, Cu, Ag, Pt. Bằng phương pháp điện phân có thể điều chế được bao nhiêu kim loại trong số các kim loại trên ?
A, 3
B 4
C. 6
D. 8
Câu 5: Điện phân một dung dịch chứa đồng thời các cation Mg2+, Fe3+, Zn2+ , Pb2+ , Ag+. Thứ tự các kim loại sinh ra ở catot lần lượt là
A. Ag, Fe, Pb, Zn,
B. Ag, Pb, Fe, Zn.
C Ag, Fe, Pb, Zn, Mg.
D.Ag, Pb, Fe, Zn, Mg.
Câu 6: Điện phân (với cực điện trơ, màng ngăn xốp) dung dịch gồm 0,2 mol Fe2(SO)4, 0,2 mol CuSO4 và 0,4 mol NaCl. Biết rằng hiệu suất điện phân đạt 100%. Điều khẳng định nào sau đây là đúng ?
A. Khi khối lượng catot tăng 12,8 gam thì dung dịch hoàn toàn chỉ có màu nâu vàng.
B. Khi khối lượng catot tăng lên 6,4 gam thì đã có 19300 culong chạy qua bình điện phân.
C. Khi có 4,48 lít khí (đktc) thoát ra ở anot thì khối lượng catot không thay đổi.
D. Khi có khi bắt đầu thoát ra ở catot thì đã có 8,96 lít khí (đktc) thoát ra ở anot.
