Bài 21: ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

A. BÀI GIẢNG

I. NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

Trong tự nhiên, ngoài vàng và platin có ở trạng thái tự do, hầu hết các kim loại còn lại đều tồn tại ở dạng hợp chất. Trong hợp chất, kim loại tồn tại dưới dạng ion dương $M^{n+}$. Do đó để điều chế kim loại phải khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại.

Vậy: Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại:

$M^{n+}+ne\rightarrow M$

II. PHƯƠNG PHÁP

1. Phương pháp nhiệt luyện

- Nguyên tắc: Khử ion kim loại trong hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO, $H_{2}$ hoặc các kim loại hoạt động.

- Phạm vi áp dụng: Sản xuất các kim loại có tính khử trung bình (Zn, Fe, Sn, Pb,...) trong công nghiệp.

Thí dụ:

$PbO+H_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Pb+H_{2}O$

$Fe_{2}O_{3}+4CO\overset{t^{0}}{\rightarrow}3Fe+4CO_{2}$

$Fe_{2}O_{3}+2Al\overset{t^{0}}{\rightarrow}2Fe+Al_{2}O_{3}$

2. Phương pháp thủy luyện

- Nguyên tắc: Dùng những dung dịch thích hợp như: $H_{2}SO_{4}$, NaOH, NaCN,... để hoà tan kim loại hoặc các hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có ở trong quặng. Sau đó khử những ion kim loại này trong dung dịch bằng những kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn,...

Thí dụ:

$Fe+CuSO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+Cu$

$Fe+Cu^{2+}\rightarrow Fe^{2+}+Cu$

- Phạm vi áp dụng: Thường sử dụng để điều chế các kim loại có tính khử yếu.

3. Phương pháp điện phân

a) Điện phân hợp chất nóng chảy

- Nguyên tắc: Khử các ion kim loại bằng dòng điện bằng cách điện phân nóng chảy hợp chất của kim loại.

- Phạm vi áp dụng: Điều chế các kim loại hoạt động hóa học mạnh như K, Na, Ca, Mg, Al.

Thí dụ 1: Điện phân $Al_{2}O_{3}$ nóng chảy để điều chế Al.

Thí dụ 2: Điện phân $MgCl_{2}$ nóng chảy để điều chế Mg.

b) Điện phân dung dịch

- Nguyên tắc: Điện phân dung dịch muối của kim loại.

- Phạm vi áp dụng: Điều chế các kim loại có độ hoạt động hóa học trung bình hoặc yếu.

Thí dụ: Điện phân dung dịch $CuCl_{2}$ để điều chế kim loại Cu.

c) Tính lượng chất thu được ở các điện cực

Để tính lượng chất thu được ở các điện cực ta dùng công thức định luật Farađây: m = $\large \frac{AIt}{nF}$, trong đó:

m: khối lượng chất thu được ở điện cực (g).

A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực.

n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận.

I: cường độ dòng điện (ampe).

t: thời gian điện phân (giây).

F: hằng số Farađây (F = 96500).

Thí dụ: Điện phân bằng điện cực trơ dung dịch muối sunfat đồng với dòng điện cường độ 6A. Tính độ tăng khối lượng của catot sau 29 phút điện phân. Cho F=96500.

Giải:

Độ tăng khối lượng catot chính là khối lượng đồng bám vào sau thời gian điện phân. Theo định luật Farađây, ta có:

m = $\large \frac{AIt}{nF}$ = $\large \frac{64.6.29.60}{2.96500}$ = 3,45g

Vậy: Sau 29 phút điện phân, khối lượng catot của bình điện phân tăng lên là 3,45g.