Bài 24. Điều chế kim loại

I- 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

II- PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

Để khử những ion kim loại trong hợp chất, có những phương pháp phổ biến sau:

1. Phương pháp thủy luyện

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 các ion kim loại trong dung dịch được khử bằng kim loại có tính khử mạnh hơn, như Fe,Zn,…

Thí dụ:

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

Ag₂S+4NaCN→2Na[Ag(CN)₂]+Na₂S

Ag₂S+4CN⁻→2[Ag(CN)₂]⁻+S²⁻

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

2Na[Ag(CN)₂]+Zn→Na₂[Zn(CN)₄]+2Ag

2[Ag(CN)₂]⁻+Zn→[Zn(CN)₄]²⁻+2Ag

Phương pháp thủy luyện (còn gọi là phương pháp ướt) được dùng điều chế những kim loại có tính khử yếu, như Cu,Hg,Ag,Au,…

2. Phương pháp nhiệt luyện

Cơ sở của phương pháp này là khử những ion kim loại trong các hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử mạnh như C,CO,H₂ hoặc kim loại Al, kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ.

Thí dụ:

Fe₂O₃+3CO→^to 2Fe+3CO₂

Trường hợp là quặng 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. Thí dụ với ZnS:

– Nung quặng ZnS với khí O₂ dư: 2ZnS+3O₂→t^o 2ZnO+2SO₂

– Khử ZnO bằng C ở nhiệt độ cao: ZnO+C→t^o CO+Zn

Đối với những kim loại khó nóng chảy như Cr, người ta dùng Al làm chất khử (phương pháp nhiệt nhôm):

Cr₂O₃+2Al→t^o 2Cr+Al₂O₃

Phương pháp nhiệt luyện được ứng dụng rỗng rãi trong công nghiệp để điều chế những kim loại có độ hoạt động trung bình như Zn,Fe,Sn,Pb,…

Với những kim loại kém hoạt động như Hg,Ag chỉ cần đốt cháy quặng cũng đã thu được kim loại mà không cần phải khử bằng các tác nhân khác: HgS+O₂→t^o Hg+SO₂

3. Phương pháp điện phân

Cơ sở cả phương pháp này là dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại. Bằng phương pháp điện phân, người ta có thể điều chế được hầu hết các kim loại.

– Điều chế kim loại có tính khử mạnh như Li,Na,k,Al,… bằng cách điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của chúng.

Thí dụ: Điều chế kim loại natri bằng phương pháp điện phân muối NaCl nóng chảy.

– Điều chế kim loại có tính khử trung bình và kim loại có tính khử yếu như Zn,Cu,… bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng.

Thí dụ: Điều chế kim loại kẽm bằng phương pháp điện phân dung dịch kẽm sunfat với điện cực trơ.

Sơ đồ điện phân dung dịch ZnSO₄:

            Cực (−) ← ZnSO₄(dd) → Cực (+)

         Zn²⁺,H₂O                       SO2−4,H2O

Zn²⁺+2e→Zn                     2H₂O→4H⁺+O₂+4e

Phương trình điện phân:

2ZnSO₄+2H₂O→điệnphân  2Zn+2H₂SO₄+O₂↑

III- ĐỊNH LUẬT FARADAY

Dựa vào công thức biễu diễn định luật Faraday, ta có thể xác định được khối lượng các chất thu được ở các điện cực.

m=AIt / nF

Trong đó:

m: Khối lượng chất thu được ở điện cực, tính bằng 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, tính bằng ampe (A).

t: Thời gian điện phân, tính bằng giây (s).

F: Hằng số Faraday (F=96500 culông/mol).

Thí dụ: Tính khối lượng của Cu thu được ở cực (−) (catot) sau 1 giờ điện phân dung dịch CuCl2 với cường độ dòng điện là 5 ampe.

– Phương trình điện phân dung dịch CuCl₂:

CuCl₂→điệnphân Cu+Cl₂

– Khối lượng Cu thu được ở catot: