HÓA HỌC 12 · KIM LOẠI — Điều chế và luyện kim: chọn phương pháp theo dãy hoạt động, lò cao, thép, nhôm, tinh chế đồng và hợp kim
Bài khái niệm Hóa học 12 về điều chế kim loại và luyện kim: điều chế là cấp electron cho ion kim loại, với ba nguồn electron (nhiệt, chất khử hóa học, dòng…
HÓA HỌC 12 · KIM LOẠI · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Điều chế kim loại: ai trả lại electron cho ion kim loại?
Chọn phương pháp theo dãy hoạt động, lò cao, luyện thép, sản xuất nhôm, tinh chế đồng và hợp kim
Trong quặng, kim loại nằm ở dạng ion M n+ . Điều chế kim loại là ép ion ấy nhận lại n electron. Vậy ai cung cấp electron, cung cấp ở đâu, tốn bao nhiêu? Vì sao kim loại càng hoạt động càng khó tách? Và vì sao hợp kim lại cứng hơn kim loại nguyên chất? Bài này dựng một hệ thống khái niệm trả lời các câu hỏi đó: ba nguồn electron, quy tắc chọn phương pháp, và "sổ cái" electron – khối lượng của lò cao, lò thổi, bể điện phân nhôm và bể tinh chế đồng. Có sơ đồ, câu "em thử xem" và ba phòng thí nghiệm. Mọi tình huống và con số đều là hư cấu.
12 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 3 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
BẢN ĐỒ BÀI
Một câu hỏi xuyên suốt: nguồn electron nào đủ mạnh?
Hãy hình dung mỗi ion kim loại trong quặng như một người "thiếu" vài electron. Muốn có kim loại, ta phải trả đủ số electron ấy. Có ba loại "nguồn electron": nhiệt (chính hợp chất tự phân hủy), chất khử hóa học (C, CO, H 2 , Al, kim loại mạnh hơn) và dòng điện (cathode của bể điện phân). Kim loại càng hoạt động thì ion của nó càng "giữ chặt" trạng thái đã mất electron, nên càng cần nguồn mạnh. Cả bài chỉ là câu chuyện chọn đúng nguồn và đếm đúng số electron.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Bản đồ bài: ba nguồn electron xếp theo độ mạnh, bốn quy trình công nghiệp như bốn "sổ cái" electron – khối lượng, và phần hợp kim, tái chế.
Các bài về dãy điện hóa và pin Daniell, pin điện hóa – thế điện cực chuẩn, điện phân và đồ thị điện phân, kim loại kiềm – kiềm thổ đã có trong thư viện; bài này dùng kết quả của chúng để giải thích công nghiệp, không dạy lại.
Câu hỏi · Công cụ tư duy · Ở mục
Kim loại này điều chế bằng cách nào? Vì sao không dùng cách khác? · Dãy hoạt động chia bốn tầng, thang nguồn electron · 1
Trong lò cao, cái gì khử oxide sắt, khử theo thứ tự nào, cần bao nhiêu CO? · Số oxi hóa và sổ cái electron · 2
Gang khác thép ở đâu? Luyện thép là thêm hay bớt? · Sổ cái carbon: phần không phải carbon giữ nguyên · 3
Vì sao nhôm phải điện phân trong cryolite, và vì sao anode bị mòn? · Bayer, Hall–Héroult, sổ cái điện lượng · 4
Tạp chất trong đồng thô đi đâu khi tinh chế? · Thang E° và sổ cái electron ở anode · 5
Vì sao hợp kim cứng hơn? Vì sao tái chế nhôm tiết kiệm? · Mạng tinh thể bị lệch, năng lượng tách kim loại · 6
Vuốt ngang để xem hết bảng
Công cụ A · Thang nguồn electron
Nhiệt < chất khử hóa học < dòng điện. Đặt kim loại vào dãy hoạt động là biết nấc nào đủ.
Công cụ B · Sổ cái electron
Mỗi mol M n+ → M cần n mol electron; chất khử nhường đúng bấy nhiêu. Điện phân: n e = I·t/F.
Công cụ C · Sổ cái khối lượng
Nguyên tố không tự sinh ra hay mất đi: theo dõi Fe, C, Cu, tạp chất qua từng công đoạn.
Giả định của bài. (a) Nguyên tử khối: H 1; C 12; O 16; Na 23; Mg 24; Al 27; Si 28; S 32; Ca 40; Fe 56; Zn 65; Ag 108; Cu 63,5 và Ni 58,7 (đề thi thường làm tròn Cu = 64, Ni = 59). (b) F = 96485 C/mol; thể tích mol khí 24,79 L/mol ở 25 °C và 1 bar. (c) Phương trình của quy trình công nghiệp là sơ đồ rút gọn; nhà máy thật có nhiều phản ứng phụ. (d) Các mốc nhiệt độ, phần trăm carbon là giá trị khoảng.
Về chữ "hư cấu". Khối lượng quặng, mẻ gang, cường độ dòng, thời gian, điện áp bể, thành phần đồng thô và mọi con số trong tình huống đều do bài tự đặt, được kiểm bằng máy tính, và mang nhãn hư cấu . Chỉ nguyên tử khối, F, thể tích mol khí, E° và các mốc ghi "khoảng" là số thật hoặc quy ước. Phần ngoài chương trình bắt buộc mang nhãn MỞ RỘNG .
MỤC 1 · BA NGUỒN ELECTRON
Điều chế kim loại là khử ion kim loại
Mọi phương pháp điều chế kim loại, dù là lò cao khổng lồ hay một ống nghiệm, đều làm cùng một việc: đưa electron đến ion kim loại. Khác nhau chỉ ở chỗ electron lấy từ đâu và mạnh đến mức nào.
1.1 Một phương trình chung, ba nguồn electron
M n+ + ne → M Mỗi mol kim loại hóa trị n cần đúng n mol electron, dù electron đến từ nhiệt, chất khử hay dòng điện
NGUỒN 1 · NHIỆT Hợp chất tự phân hủy khi đun nóng; electron đến từ chính anion trong hợp chất
NGUỒN 2 · CHẤT KHỬ HÓA HỌC C, CO, H 2 , Al hoặc kim loại mạnh hơn nhường electron
NGUỒN 3 · DÒNG ĐIỆN Cathode của bể điện phân bơm electron vào ion kim loại
Nhiệt. Khi đun HgO, ion O 2− nhường electron cho Hg 2+ ngay trong tinh thể: 2HgO → 2Hg + O 2 (đun nóng). Oxygen đi từ −2 lên 0, thủy ngân đi từ +2 xuống 0. Nguồn này rất yếu: chỉ dùng được khi ion kim loại giữ electron rất lỏng.
Chất khử hóa học. Ở nhiệt độ cao, CO lấy oxygen khỏi oxide sắt: Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 . Carbon trong CO đi từ +2 lên +4, nhường electron cho Fe 3+ . Kim loại mạnh cũng là chất khử: Cr 2 O 3 + 2Al → Al 2 O 3 + 2Cr (nhiệt nhôm), hoặc trong dung dịch: Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu (thủy luyện). Gọi chung là nhiệt luyện khi khử oxide ở nhiệt độ cao, và thủy luyện khi hòa tan quặng thành dung dịch rồi dùng kim loại mạnh hơn đẩy ion kim loại ra.
Dòng điện. Trong bể điện phân, cathode nối với cực âm của nguồn điện và đẩy electron vào ion kim loại; điện thế đặt vào có thể tăng tùy ý. Vì thế đây là nguồn electron mạnh nhất, dùng cho các kim loại hoạt động mạnh nhất: 2NaCl → 2Na + Cl 2 (điện phân nóng chảy).
1.2 Dãy hoạt động chia thành bốn tầng
Đặt kim loại vào dãy hoạt động là đọc được nguồn electron cần dùng. Kim loại đứng càng trước thì nhường electron càng dễ, nên ngược lại ion của nó nhận electron càng khó.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Dãy hoạt động rút gọn chia bốn tầng (1)–(4), mỗi tầng ứng với một nguồn electron (tầng không phải nhóm IA, IIA của bảng tuần hoàn). Đi xuống, ion kim loại nhận electron dễ dần nên nguồn yếu hơn đã đủ.
Tầng · Phương pháp chính · Ví dụ (rút gọn) · Không dùng được
(1) · K, Na, Ca, Mg, Al · Điện phân hợp chất nóng chảy · MgCl 2 → Mg + Cl 2 (điện phân nóng chảy) · Điện phân dung dịch; khử oxide bằng C, CO, H 2
(2) · Zn, Cr, Fe, Sn, Pb · Nhiệt luyện bằng C, CO, H 2 hoặc Al · ZnO + C → Zn + CO ; PbO + CO → Pb + CO 2 ; Fe 2 O 3 + 2Al → Al 2 O 3 + 2Fe (hàn đường ray) · Không cần điện phân nóng chảy
(3) · Cu · Nhiệt luyện quặng sulfide hoặc thủy luyện, rồi điện phân tinh chế · Cu 2 S + O 2 → 2Cu + SO 2 ; Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu · Không cần điện phân nóng chảy
(4) · Hg, Ag, Pt, Au · Hg: nhiệt phân HgO hoặc rang HgS; Ag: thủy luyện (Zn đẩy Ag khỏi phức cyanide), thu từ bùn anode; Ag 2 O tự phân hủy khi đun chỉ là minh họa; Au, Pt: dạng đơn chất · HgS + O 2 → Hg + SO 2 (rang); Zn + 2Na[Ag(CN) 2 ] → Na 2 [Zn(CN) 4 ] + 2Ag ; 2Ag 2 O → 4Ag + O 2 (đun nóng, minh họa) · Không cần chất khử mạnh hay dòng điện
Vuốt ngang để xem hết bảng
Một số kim loại tầng (2) còn được điện phân dung dịch: phần lớn kẽm hiện nay được sản xuất bằng điện phân dung dịch ZnSO 4 . Điều đó vẫn hợp với thang nguồn electron: dòng điện là nguồn mạnh, dùng được ở mọi tầng; chỉ có tầng (1) là bắt buộc phải dùng nó, và phải dùng ở dạng nóng chảy.
1.3 Vì sao kim loại càng hoạt động càng khó tách?
Kim loại hoạt động mạnh nhường electron rất dễ để thành ion. Quá trình điều chế là quá trình ngược lại , nên càng dễ nhường thì càng khó lấy lại. Theo thế điện cực chuẩn, E° của cặp M n+ /M càng âm thì ion M n+ càng khó nhận electron.
Nhìn theo năng lượng: khi kim loại hoạt động kết hợp với oxygen hay chlorine, rất nhiều năng lượng tỏa ra và hợp chất tạo thành rất bền. Muốn tách kim loại ra, ta phải trả lại ít nhất phần năng lượng ấy. C, CO, H 2 chỉ "trả" được đến một mức; Al trả được nhiều hơn; còn dòng điện thì có thể tăng điện thế cho đến khi đủ. Đó là lí do Al 2 O 3 phải điện phân, Fe 2 O 3 chỉ cần CO, còn HgO chỉ cần đun nóng.
MỞ RỘNG Giản đồ Ellingham (định tính). Các nhà luyện kim vẽ năng lượng tự do chuẩn ΔG° của phản ứng tạo oxide (tính cho cùng một lượng O 2 ) theo nhiệt độ. Đường của oxide càng nằm thấp thì oxide càng bền; một chất khử khử được oxide nằm phía trên đường của nó. Phần lớn đường oxide kim loại đi lên khi nhiệt độ tăng, còn đường 2C + O 2 → 2CO lại đi xuống (phản ứng tạo thêm khí). Vì thế ở nhiệt độ đủ cao, carbon khử được nhiều oxide hơn, nhưng các oxide rất bền như Al 2 O 3 , MgO, CaO vẫn nằm quá thấp ở nhiệt độ lò công nghiệp thông thường.
1.4 Dung dịch hay nóng chảy: nước là đối thủ ở cathode
Điện phân là nguồn mạnh nhất, nhưng trong dung dịch nước, cathode còn có một "người nhận" khác: chính phân tử H 2 O. Với ion của kim loại tầng (1) (K đến Al), nước nhận electron dễ hơn rất nhiều, nên cathode chỉ cho khí H 2 . Bài Điện phân trong thư viện đã giải thích quy tắc thứ tự ở cathode; ở đây ta chỉ dùng hệ quả.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. Điện phân dung dịch NaCl và NaCl nóng chảy: có nước thì nước nhận electron ở cathode và không thu được Na; không có nước thì Na + là chất duy nhất nhận electron.
Điện phân dung dịch NaCl (có màng ngăn): 2NaCl + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 + Cl 2 . Đây là cách sản xuất NaOH và Cl 2 , không phải Na. Muốn có Na, phải bỏ nước đi: điện phân NaCl nóng chảy. Ngược lại, ion Cu 2+ nhận electron dễ hơn nước, nên điện phân dung dịch CuSO 4 cho Cu bám ở cathode.
1.5 Trong thực tế, các nguồn electron thường kết hợp
Kim loại · Chuỗi công đoạn (rút gọn) · Nguồn electron quyết định
Al · Bauxite → tinh chế (Bayer) → Al 2 O 3 → điện phân trong cryolite (mục 4) · Dòng điện
Fe · Quặng oxide + than cốc → lò cao → gang → lò thổi → thép (mục 2, 3) · CO sinh ra từ C
Cu · Quặng sulfide → rang, nấu chảy → đồng thô → điện phân tinh chế (mục 5) · Nhiệt luyện, rồi dòng điện để làm sạch
Zn · ZnS → rang: 2ZnS + 3O 2 → 2ZnO + 2SO 2 → khử bằng C hoặc hòa tan rồi điện phân dung dịch · C hoặc dòng điện
Hg · Rang HgS trong không khí, thủy ngân bay hơi rồi ngưng tụ · Nhiệt
Vuốt ngang để xem hết bảng
MỞ RỘNG Mg thuộc tầng (1) mà vẫn có thể sản xuất bằng nhiệt luyện? Chương trình xếp Mg vào tầng điện phân MgCl 2 nóng chảy. Nhưng một phần lớn magnesium trên thế giới hiện nay được sản xuất bằng quy trình Pidgeon: khử MgO (có trong dolomite đã nung) bằng ferrosilicon ở nhiệt độ cao, trong chân không. Phản ứng chỉ chạy được vì Mg sinh ra ở dạng hơi và bị rút ra liên tục, kéo cân bằng về phía tạo Mg. Đây không phải ngoại lệ của ý chính: muốn khử oxide rất bền bằng hóa chất, phải trả giá bằng nhiệt độ cao, chân không và việc rút sản phẩm. Quy trình khử CaO bằng Al trong chân không cũng dựa trên ý ấy.
PHÒNG A Chọn nguồn electron hư cấu
Hai chế độ. "Chọn phương pháp": chọn một kim loại để xem tầng trong dãy hoạt động, nấc nguồn electron tối thiểu, phương trình (đã kiểm cân bằng), vì sao không dùng cách khác và giới hạn. "Ai khử được ai": chọn một oxide và một chất khử để xem kết quả theo quy ước chương trình, kèm ghi chú thực tế; bảng bên dưới tô ô đang chọn. Việc chọn kim loại là tình huống minh họa (hư cấu); phương trình và quy tắc là hóa học thật.
Mẫu có sẵn
Chế độ
Kim loại
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Tầng trong dãy hoạt động
Nguồn electron
Phương pháp chính
Phương trình (rút gọn)
Vì sao không dùng cách khác
Giới hạn, lưu ý
Oxide
Chất khử
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Kết quả
Phương trình
Ghi chú
Vuốt ngang để xem hết bảng
Chốt ý mục 1: M n+ + ne → M · nhiệt < chất khử < dòng điện Kim loại càng hoạt động, ion càng khó nhận electron, nên cần nguồn càng mạnh. K đến Al: điện phân hợp chất NÓNG CHẢY (nước sẽ nhận electron trước nếu dùng dung dịch). Zn đến Pb: C, CO, H 2 , Al. Cu: nhiệt luyện hoặc thủy luyện rồi điện phân tinh chế. Hg: nhiệt; Ag: thủy luyện, thu từ bùn anode; Au, Pt: dạng đơn chất.
một bạn muốn lấy Cu từ dung dịch CuSO 4 bằng cách thả mẩu Na vào, "vì Na mạnh hơn Cu nhiều". Bạn thu được gì?
Hãy nghĩ xem trong cốc, Na gặp chất nào trước và nhiều nhất.
Giải thích. Na gặp nước trước: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 . Sau đó NaOH tạo kết tủa xanh với Cu 2+ : CuSO 4 + 2NaOH → Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 . Bạn thu được khí H 2 và kết tủa Cu(OH) 2 , không thu được Cu. Kim loại mạnh chỉ đẩy được kim loại yếu ra khỏi dung dịch khi bản thân nó không phản ứng với nước, như Fe hay Zn.
MỤC 2 · LÒ CAO
Lò cao: than cốc vừa là nhiên liệu vừa là nguồn electron
Sắt thuộc tầng (2) của dãy hoạt động: chất khử hóa học ở nhiệt độ cao là đủ. Lò cao là một cỗ máy liên tục: chất rắn đi xuống, khí nóng đi lên, và trên đường gặp nhau, CO lấy dần oxygen khỏi oxide sắt.
2.1 Bốn nguyên liệu, bốn vai trò
Nguyên liệu · Vai trò