Nguyên tắc của phương pháp thủy luyện

♦  Khử ion kim loại thành nguyên tử.

Mn+  +  ne → M

II – Các phương pháp điều chế kim loại

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, H2 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.

2. Phương pháp thuỷ luyện 

♦  Nguyên tắc: Dùng những dung dịch thích hợp như: H2SO4, 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 + CuSO4→ FeSO4 + Cu↓

Fe + Cu2+ → Fe2+  + 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 hoá học mạnh như K, Na, Ca, Mg, Al.

Thí dụ 1: Điện phân Al2O3 nóng chảy để điều chế Al.

$\begin{array}  {} K\left( - \right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ \leftarrow \ \ \ \ \ \ \ \ A{{l}_{2}}{{O}_{3}}\ \ \ \ \ \ \ \to \ \ \ \ \ \ \ \ A\left( + \right) \\  {} \ \ \ \ \ \ \ \ A{{l}^{3+}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ {{O}^{2-}} \\  {} A{{l}^{3+}}+3\text{e}\to \text{Al}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{2}{{\text{O}}^{2-}}\to {{O}_{2}}+4\text{e} \\  {} \ \ \ \ \ \ \ \ 2A{{l}_{2}}{{O}_{3}}\xrightarrow{dpnc}4Al+3{{O}_{2}} \\ \end{array}$

Thí dụ 2: Điện phân MgCl2 nóng chảy để điều chế Mg.

$\begin{array}  {} K\left( - \right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ \leftarrow \ \ \ \ \ \ \ \ MgC{{l}_{2}}\ \ \ \ \ \ \ \to \ \ \ \ \ \ \ \ A\left( + \right) \\  {} \ \ \ \ \ \ \ \ M{{g}^{2+}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ {{O}^{2-}} \\  {} M{{g}^{2+}}+2\text{e}\to Mg\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{2C}{{\text{l}}^{-}}\to C{{l}_{2}}+2\text{e} \\  {} \ \ \ \ \ \ \ MgC{{l}_{2}}\xrightarrow{dpnc}Mg+C{{l}_{2}} \\ \end{array}$

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 hoá học trung bình hoặc yếu.

♦  Thí dụ: Điện phân dung dịch CuCl2 để điều chế kim loại Cu.

c. Tính lượng chất thu được ở các điện cực

♦ Dựa vào công thức Farađây: $m=\frac{AIt}{nF}$ 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 (giấy)

F: Hằng số Farađây (F = 96.500).

08:30:3902/11/2021

Trong tự nhiên chỉ có một số ít kim loại như vàng, palatin,... tồn tại ở dạng tự do, hầu hết các kim loại còn lại đều tồn tại ở dạng hợp chất. Trong kim loại kim loại tồn tại dưới dạng ion dương Mn+.

Vậy làm sao để điều chế kim loại, bài viết này sẽ giúp các em biết nguyên tắc điều chế kim loại? cách điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện, thủy luyện và điện phân (điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch).

I. Nguyên tắc điều chế kim loại

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

 Mn+ + ne → M

II. Phương pháp điều chế kim loại

Tùy thuộc vào độ hoạt động hóa học của kim loại mà người ta chọn phương pháp điều chế phù hợp. Dưới đây là các phương pháp điều chế kim loại thường được sử dụng.

1. Điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện

- Được sử dụng để điều chế các kim loại có mức hoạt động trung bình (Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb)

- Phương pháp này sẽ khử ion kim loại trong hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO, H2, Al hoặc các kim loại hoạt động.

* Ví dụ: Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2

- Phương pháp này được dùng để sản xuất kim loại trong công nghiệp. Chất khử hay được sử dụng là cacbon.

2. Điều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện

- Được sử dụng để điều chế các kim loại có mức hoạt động trung bình và yếu (như: Cu, Hg, Ag, Pt, Au)

- Cơ sở của phương pháp này là dùng những dung dịch thích hợp như dung dịch H2SO4, NaOH, NaCN,... để hòa tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có trong quặng. Sau đó khử những ion kim loại này trong dung dịch bằng kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn,...

* Ví dụ: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

3. Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân

a) Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân nóng chảy

- Được sử dụng để điều chế các kim loại có mức độ hoạt động mạnh (K, Ba, Ca, Na, Mg, Al)

- Là phương pháp dùng dòng điện một chiều khử ion kim loại trong chất điện li nóng chảy (muối halogenua, oxit, hidroxit)

* Ví dụ: Điện phân MgCl2 nóng chảy để điều chế Mg

 Ở catot (cực âm): Mg2+ + 2e → Mg

 Ở anot (cực dương): 2Cl- → Cl2↑ + 2e

    MgCl2  Mg + Cl2↑

b) Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân dung dịch

- Được sử dụng để điều chế các kim loại hoạt động trung bình hoặc yếu

- Là phương pháp dùng dòng điện một chiều để khử ion kim loại yếu trong dung dịch muối của nó.

* Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2 để điều chế Cu

 Ở catot (cực âm): Cu2+ + 2e → Cu

 Ở anot (cực dương): 2Cl- → Cl2 + 2e

   CuCl2  Cu + Cl2

c) Công thức tính lượng chất thu được ở các điện cực

- Dựa vào công thức biểu diễn định luật Farađây, có thể xác định được khối lượng các chất thu được ở điện cực:

  , trong đó

 m: Khối lượng chất thu được ở điện cực (gam).

 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).

Trên đây KhoiA.Vn đã giới thiệu với các em về cách điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện, thủy luyện và điện phân. Hy vọng bài viết giúp các em hiểu rõ hơn. Nếu có câu hỏi hay góp ý các em hãy để lại bình luận dưới bài viết, chúc các em thành công.

Cùng Top Tài Liệu trả lời chi tiết, chính xác câu hỏi: “Phương pháp thủy luyện và nhiệt luyện kim loại” và đọc thêm phần kiến thức tham khảo giúp các bạn học sinh ôn tập và tích lũy kiến thức bộ về phương pháp điều chế kim loại.

– Nguyên tắc: Dùng kim loại mạnh đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch của nó.

–  Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong phòng thí nghiệm để điều chế kim loại yếu.

– Ví dụ 1:

Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag

Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag

2. Phương pháp nhiệt luyện

– Nguyên tắc: Dùng chất khử CO, C, Al, H2 khử oxit kim loại ở nhiệt độ cao.

– Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong công nghiệp với kim loại có tính khử trung bình và yếu (sau Al).

– Ví dụ:  3Fe3O4 + 8Al  →   9Fe + 4Al2O3

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Cùng Top Tài Liệu tìm hiểu thêm về phương pháp điều chế kim loại các bạn nhé!

– Khử ion kim loại thành nguyên tử.

Mn+ +  ne → M

– Phương pháp điện phân là phương pháp vạn năng, được dùng để điều chế hầu hết các kim loại, từ những kim loại có độ hoạt động hóa học cao đến trung bình và thấp

– Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

– 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 nóng chảy          điện phân dung dịch

 b.  Điện phân chất điện li nóng chảy

– Nguyên tắc: dùng dòng điện 1 chiều khử ion kim loại trong chất điện li nóng chảy (muối halogenua, oxit, hidroxit)

– Phạm vi sử dụng: có thể dùng để điều chế tất cả các kim loại nhưng thường dùng với kim loại mạnh: K, Na, Ba, Mg, Ca, Al

– Ví dụ: điện phân  nóng chảy để điều chế Al

 c. Điện phân dung dịch

– Đối tượng:  Dùng điều chế các kim loại yếu.

– Phương thức điều chế: Dùng dòng điện một chiều khử ion kim loại yếu trong dung dịch muối của nó.

– Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2 để điều chế kim loại Cu.

– Phương trình điện phân

d. Định luật Faraday 

+ Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của chất

+ Trong đó:

–  m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

– 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 (A)

– t: thời gian điện phân (s)

– F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1)

Bài 1: Điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực trơ, cường độ dòng điện 10A. Khi ở anot có 4 gam khí oxi bay ra thì ngưng. Phát biểu nào sau đây là đúng ?

a. Khối lượng đồng thu được ở catot là 16 gam.

b. Thời gian điện phân là 9650 giây.

c. pH của dung dịch trong quá trình điện phân luôn giảm.

d. Không có khí thoát ra ở catot.

Hướng dẫn giải chi tiết:

– nO2 = 0,125 mol

– Catot: Cu2+ + 2e → Cu

– Anot: 2H2O → O2 ↑ + 4H+ + 4e

=> ne trao đổi = 4.nO2 = 0,5 mol

=> nCu = 0,5 / 2 = 0,25 mol => m = 16 gam => A đúng

t = n.F / I = 4825s => B sai

– m pH của dung dịch ban đầu giảm, khi hết Cu2+ thì nước điện phân ở catot tạo OH–, ở anot tạo ra H+ và nOH– = nH+ nên pH không đổi => C sai

– Hết Cu2+, nước điện phân ở catot tạo khí H2 => D sai

Bài 2: Cho thanh sắt Fe vào dung dịch X chứa 0,2 mol AgNO3 và 0,4 mol Cu(NO3)2. Khi thấy thanh kim loại tăng lên 17,6 gam thì dừng lại. Tính khối lượng kim loại bám vào thanh sắt

Hướng dẫn giải chi tiết:

nAg+ = 0,1 mol;

nCu2+ = 0,2 mol

Nếu Ag+ phản ứng hết :

Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag

0,1 ← 0,2 → 0,2

=> mtăng = 0,2.108 – 0,1.56 = 16 < 17,6

=> Ag+ phản ứng hết; Cu2+ phản ứng 1 phần

Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu

x       → x   → x

=> mtăng= 64x – 56x = 16x

=> tổng khối lượng tăng ở 2 phản ứng là:

mtăng = 16 + 16x =  17,6 => x = 0,1 mol

=> mkim loại bám vào = mAg + mCu = 17,2 gam

Bài 3: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

– nNO2 = 0,195 mol

– Xét toàn bộ quá trình chỉ có CO cho e (tạo CO2) và HNO3 nhận e (tạo NO2)

– Bảo toàn e: 2.nCO = nNO2  => nCO = 0,0975 mol

=> nCO2= nCO = 0,0975 mol

Bảo toàn khối lượng: mCO + mFe2O3 = mCO2 + mhh oxit

=> mFe2O3 = 0,0975.44 + 10,44 – 0,0975.28 = 12 gam

Bài 4: Cho 1,12 gam bột sắt vào 200 ml dung dịch gồm AgNO3 0,3M và Cu(NO3)2 0,5M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được m gam chất rắn X. Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

– nFe = 0,02 mol; nAgNO3 = 0,06 mol; nCu(NO3)2 = 0,1 mol

ne Fe cho tối đa = 0,02.3 = 0,06 mol = ne Ag+ nhận tối đa

=> Fe phản ứng hết với Ag, tạo thànhFe3+ và Ag

=> nAg = nAgNO3 = 0,06 mol => m = 0,06.108 = 6,48 gam

Bài 5: Cho m gam Zn vào dung dịch chứa 0,15 mol FeCl3. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 3,92 gam chất rắn. Giá trị của m là:

Hướng dẫn giải chi tiết:

– nFeCl3 = 0,15mol => mFe tối đa sinh ra = 0,15 . 56 = 8,4 gam > 3,92 gam

=> chất rắn chỉ có Fe, còn Zn đã phản ứng hết

– nFe = 3,92 / 56 = 0,07 mol

– FeCl3 phản ứng với Zn tạo thành Fe (0,07 mol) và FeCl2 (0,15 – 0,07 = 0,08 mol)

– Bảo toàn e: 2nZn = 3nFe + nFeCl2 => nZn = 0,145 mol

=> m = 9,425 gam

Bài 6: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 20,88 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3và Fe3O4. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 8,736 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

– nNO2 = 0,39 mol

– Xét toàn bộ quá trình chỉ có CO cho e (tạo CO2) và HNO3 nhận e (tạo NO2)

– Bảo toàn e: 2.nCO = nNO2 => nCO = 0,195 mol

=> nCO2 = nCO= 0,195 mol

Bảo toàn khối lượng: mCO + mFe2O3 = mCO2 + mhh oxit

=> mFe2O3= 0,195.44 + 20,88 – 0,195.28 = 24 gam.