ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI
I. Nguyên tắc điều chế kim loại
Thực hiện quá trình khử ion kim loại: ${{M}^{n+}}+ne\to M$
II. Phương pháp điều chế kim loại
Phương pháp thủy luyện |
Phương pháp nhiệt luyện |
Phương pháp điện phân |
- Điều chế những kim loại đứng sau Mg. - Cơ sở: dùng các kim loại mạnh hơn (như Mg, Al) để khử ion kim loại thành kim loại cần điều chế. Ví dụ: $Fe+CuS{{O}_{4}}$ $\to FeS{{O}_{4}}+\text{ }Cu~~$
|
- Điều chế những kim loại đứng sau Al. - Cơ sở: khử những ion kim loại trong các hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử mạnh như C, CO, ${{H}_{2}}$hoặc kim loại Al, kim loại kiềm, kiềm thổ. Ví dụ: $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}+3CO\xrightarrow{{{t}^{o}}}2Fe+3CO$ - Phản ứng nhiệt nhôm: dùng Al để khử các oxit của kim loại khó nóng chảy như Cr, Fe,… $C{{r}_{2}}{{O}_{3}}+2Al\xrightarrow{{{t}^{o}}}$$2Cr+A{{l}_{2}}{{O}_{3}}~$ - Với những kim loại kém hoạt động như Hg, Ag thì chỉ cần đốt cháy quặng. $HgS\text{ }+\text{ }{{O}_{2}}~\xrightarrow{{{t}^{o}}}Hg\text{ }+\text{ }S{{O}_{2}}$ |
- Điều chế hầu hết các kim loại. - Cơ sở: Với các kim loại từ Al trở về trước: điện phân nóng chảy muối, oxit hay bazơ của chúng. Ví dụ: $2A{{l}_{2}}{{O}_{3}}$ $\xrightarrow[N{{a}_{3}}Al{{F}_{6}}]{dpnc}$$2Al\text{ }+\text{ }3{{O}_{2}}$ - Với các kim loại đứng sau Al: điện phân dung dịch muối của chúng. Ví dụ: $2ZnS{{O}_{4}}+\text{ }2{{H}_{2}}O$$\xrightarrow{dpdd}$ $2Zn\text{ }+\text{ }{{O}_{2}}+\text{ }2{{H}_{2}}S{{O}_{4}}$ |
III. Lí thuyết trọng tâm về điện phân
- Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot).
- Tại catot xảy ra quá trình khử cation (${{M}^{n+}}~+\text{ }ne\text{ }\to \text{ }M$) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (${{X}^{n-}}~\to X\text{ }+\text{ }ne$).
Điện phân nóng chảy |
điện phân dung dịch |
Các bước xác định quá trình điện phân
B1: Xác định các cation và anion ứng với mỗi điện cực (ion dương chuyển về cực (-) là catot, ion âm chuyển về cực (+) là anot ).
B2: Viết quá trình cho – nhận e ở mỗi điện cực.
B3: Áp dụng phương pháp cân bằng electron để viết PT điện phân.
1. Điện phân nóng chảy
Ví dụ: Điện phân $A{{l}_{2}}{{O}_{3}}~$nóng chảy pha thêm criolit ($N{{a}_{3}}Al{{F}_{6}}$) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot (–) |
← $A{{l}_{2}}{{O}_{3}}~$→ |
Anot (+) |
$A{{l}^{3+}}~+\,\,3e\to Al~~$ |
|
$2{{O}^{2-}}~\to {{O}_{2}}~+\,\,4e$ |
Phương trình điện phân là: $2A{{l}_{2}}{{O}_{3}}~\to ~4Al\text{ }+\text{ }3{{O}_{2}}$
2. Điện phân dung dịch
a) Quá trình điện phân ở catot: khử cation (sau Al): ${{M}^{n+}}~+\text{ }ne\to M~$
- Nếu điện phân dung dịch có các cation${{K}^{+}}$, $N{{a}^{+}}$, $C{{a}^{2+}}$, $B{{a}^{2+}}$, $M{{g}^{2+}}$, $A{{l}^{3+}}$thì ${{H}_{2}}O$sẽ tham gia điện phân theo PT: $2{{H}_{2}}O\text{ }+\text{ }2e\to {{H}_{2}}~+\text{ }2O{{H}^{-}}~$
- Nếu trong dung dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị điện phân trước (tuân theo dãy điện hoá).
Ví dụ: Điện phân dung dịch mà catot chứa các cation sau: $N{{a}^{+}}$, $F{{e}^{2+}}$, $C{{u}^{2+}}$,${{H}^{+}}$. Thứ tự điện phân:
$\begin{array}{*{20}{l}}{C{u^{2 + }}\; + {\rm{ }}2e \to Cu\;}\\{2{H^ + } + {\rm{ }}2e \to {H_2}\;}\\{F{e^{2 + }}\; + {\rm{ }}2e \to Fe}\\{{H_2}O{\rm{ }} + {\rm{ }}2e \to {H_2} + \;O{H^ - }\;}\end{array}$
$N{{a}^{+}}$không bị điện phân
b) Quá trình điện phân ở anot: oxi hóa anion: ${{X}^{n-}}~\to X\text{ }+\text{ }ne~~$
* Gốc axit không chứa oxi $\mathbf{C}{{\mathbf{l}}^{-}},{{\mathbf{S}}^{\mathbf{2}-}}$... hoặc ion $\mathbf{O}{{\mathbf{H}}^{-}}$của bazơ kiềm hoặc nước thì tham gia điện phân.
- Thứ tự anion bị oxi hóa: ${{S}^{2-}}>{{I}^{-}}>B{{r}^{-}}>C{{l}^{-}}>RCO{{O}^{-}}>O{{H}^{-}}>{{H}_{2}}O$
* Gốc axit có chứa $\mathbf{N}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{3}}}^{-},\text{ }\mathbf{S}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{4}}}^{\mathbf{2}},\text{- }\mathbf{P}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{4}}}^{\mathbf{3-}},\text{ }\mathbf{C}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{3}}}^{\mathbf{2-}},\text{ }\mathbf{Cl}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{4}}}^{-}\ldots $ thì nước tham gia điện phân.
$2{{H}_{2}}O\to {{O}_{2}}~+\text{ }4{{H}^{+}}~+\text{ }4e~$
c) Ví dụ về điện phân dung dịch
- Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ngăn có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot (–) |
← NaCl → |
Anot (+) |
${{H}_{2}}O$, Na+ $2{{H}_{2}}O\text{ }+\text{ }2e\to ~{{H}_{2}}~+2O{{H}^{-}}$ |
${{H}_{2}}O$ |
$C{{l}^{-}},\text{ }{{H}_{2}}O~$ $2C{{l}^{-}}~~\to C{{l}_{2~}}+\text{ }2e$ |
Phương trình điện phân: $2NaCl\text{ }+\text{ }2{{H}_{2}}O~\to ~2NaOH\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}~+\text{ }C{{l}_{2}}~$
Nếu không có màng ngăn thì: $C{{l}_{2}}~+\text{ }2NaOH\to ~NaCl\text{ }+\text{ }NaClO\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}O$
=> phương trình điện phân: $NaCl\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}O\to ~NaClO\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}~$
3. 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: $m=\frac{A.I.t}{n.F}$
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 (F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1)
Biểu thức liên hệ:
$n=\frac{I.t}{F}$
4. Ứng dụng điện phân
- Điều chế kim loại.
- Điều chế một số phi kim: ${{H}_{2}},\text{ }{{O}_{2}},\text{ }{{F}_{2}},\text{ }C{{l}_{2}}.$
- Điều chế một số hợp chất: NaOH, Ja-ven.
- Tinh chế kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au.
- Mạ điện: Cu, Ag, Au, Cr, Ni.
Những kim loại thoả mãn là kim loại yếu hơn Al (xét về tính khử)
Theo đề bài, đó là Fe, Cu, Ag
Những kim loại thoả mãn là kim loại yếu hơn Al (xét về tính khử)
Theo đề bài, đó là Ni, Fe, Pb
Phản ứng $2CuS{O_4} + 2{H_2}O\xrightarrow{{dpdd}}2Cu + 2{H_2}S{O_4} + {O_2}$ thuộc phương pháp điện phân.
Các cation có tính oxi hóa yếu hơn nước không bị điện phân ( thường là ion của kim loại kiềm, kiềm thổ, $ A{{l}^{3+}}) $
Các anion chứa oxi thường không bị điện phân bên anot
Trong dung dịch những ion không bị điện phân là $ C{{a}^{2+}},{{K}^{+}},S{{O}_{4}}^{2-},N{{O}_{3}}^{-}. $
Kim loại điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện khi dùng CO khử oxit kim loại là Fe.
Trong công nghiệp, kim loại Ca được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy.
Chất khử được dùng trong phương pháp nhiệt luyện là $ C,CO,{{H}_{2}},Al $
Trong dung dịch điện phân thì các ion có tính oxi hóa mạnh hơn nước sẽ bị điện phân gồm $ C{{u}^{2+}},A{{g}^{+}},F{{e}^{3+}} $.
Các ion có tính oxi hóa càng mạnh thì điện phân trước : thứ tự điện phân là $ A{{g}^{+}},F{{e}^{3+}},C{{u}^{2+}},F{{e}^{2+}} $.
Trong công nghiệp, Fe được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện.
các kim loại được điều chế bằng phương pháp thủy luyện thường là các kim loại quý hiếm như: Cu, Ag, Au
Những kim loại thoả mãn là kim loại yếu hơn Al (xét về tính khử)
Theo đề bài, đó là Fe, Cu, Ag.
Ở nhiệt độ cao, CO có thể khử được oxit $ F{{e}_{2}}{{O}_{3}}. $
Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là thực hiện sự khử các ion kim loại
$ Zn\text{ }+\text{ }CuS{{O}_{4}}\to ZnS{{O}_{4}}+\text{ }Cu $.
$ {{H}_{2}}+CuO\xrightarrow{{{t}^{o}}}Cu+{{H}_{2}}O $
Các kim loại Na, Mg, Ca, K đều có tính khử mạnh khả năng tương tác với nước hoặc hơi nước nên không dùng điện phân dung dịch để điều chế và không dùng phương pháp đẩy muối (thủy luyện)
Phương pháp thủy luyện thường dùng để điều chế các kim loại sau Mg (thường là kim loại yếu). Vậy kim loại Cu được điều chế bằng phương pháp thủy luyện.
Kim loại điều chế được bằng phương pháp nhiệt luyện là Cu.
Na, Ca và Al có thể điều chế bằng điện phân nóng chảy
Fe, Cu, Ag có thể điều chế bằng điện phân dung dịch.
Nhóm các kim loại đều có thể được điều chế bằng phương pháp thủy luyện là Cu, Ag.
các ion không bị thủy phân trong dung dịch là $ N{{a}^{+}},C{{l}^{-}},{{K}^{+}}.$
Quá trình xảy ra ở catot là: $ N{{a}^{+}}+\text{1}e\to Na. $
Phương pháp thủy luyện thường dùng để điều chế các kim loại sau Mg (thường là kim loại yếu). Vậy kim loại Cu được điều chế bằng phương pháp thủy luyện.
Kim loại điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện khi dùng CO khử oxit kim loại là Fe.
Kim loại được điều chế chủ yếu bằng phương pháp nhiệt luyện là Fe.
Xem thêm các bài tiếp theo bên dưới