Các phương pháp điều chế kim loại?

Câu hỏi: Các phương pháp điều chế kim loại?

Lời giải:

NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

 Trong tự nhiên chỉ có một số rất ít kim loại ở trạng thái tự do, hầu hết các kim loại tồn tại ở dạng ion trong các hợp chất hóa học. Muốn chuyển hóa những ion này thành kim loại ta thực hiện quá trình khử ion kim loại:

            Mⁿ⁺ + ne → M

Ví dụ: Na⁺ + 1e → Na

           Cu²⁺ + 2e → Cu

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

1. Phương pháp thủy luyện

- 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: Người ta điều chế Ag bằng cách nghiền nhỏ quặng bạc sunfua Ag₂S, xử lí bằng dung dịch NaCN, rồi lọc để thu được dung dịch muối phức bạc: 

Ag₂S+ 4NaCN → 2Na[Ag(CN)₂] + Na₂S

 - Sau đó, ion Ag+ trong phức được khử bằng kim loại Zn: 

Zn + 2Na[Ag(CN)₂] → Na [Zn(CN)₄] + 2Ag↓

 * Ví dụ 2: Vàng lẫn trong đất đá có thể hòa tan dần trong dung dịch NaCN cùng với oxi của không khí, được dung dịch muối phức của vàng:

 4Au + 8NaCN + O₂ + 2H₂O → 4Na[Au(CN)₂] + 4NaOH 

- Sau đó, ion Au³⁺ trong phức được khử bằng kim loại Zn:

Zn + 2Na[Au(CN)₂] → Na [Zn(CN)₄] + 2Au↓ 

* Lưu ý: Không dùng các kim loại mạnh như Li, Na, k, Ba, Ca để đẩy các ion kim loại yếu hơn. Vì

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 

* Lưu ý:

 - Các phản ứng dùng kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ làm chất khử đều phải thực hiện trong môi trường khí trơ hoặc chân không 

 - 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

 - Đối với những kim loại kém hoạt động như Hg, Ag chỉ cần đốt cháy quặng cũng thu được kim loại mà không cần dùng chất khử

    HgS + O₂ → Hg + SO₂

3. Phương pháp điện phân

 - 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

a. 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.

b. 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.

Ví dụ: Điện phân dung dịch mà catot có chứa các ion Na⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Ag⁺ và Zn²⁺ thì thứ tự điện phân sẽ là 

  Ag⁺ +  1e  → Ag 

  Cu²⁺ + 2e → Cu 

  Fe²⁺ + 2e → Fe 

  Zn²⁺ + 2e → Zn 

  2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^– 

 - Các ion H⁺ của axit dễ bị khử hơn các ion H⁺ của nước

c. 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)