Bài 21 Điều chế kim loại

- Là sự khử ion kim loại thành kim loại: Mⁿ⁺ + ne → M

a. Phương pháp nhiệt luyện

- Dùng chất khử như C,CO,H₂, hoặc kim loại hoạt động để khử ion kim loại ra khỏi hợp chất ở nhiệt độ cao.

PbO + H₂ → Pb + H₂O

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

- Chú ý:

+ Phương pháp này thường được sử dụng trong công nghiệp

+ Dùng để điều chế các kim loại trung bình, yếu như: Zn, Fe, Sn, Pb,...

b. Phương pháp thủy luyện

- Dùng chất khử mạnh Zn, Fe,..để khử kim loại có tính khử yếu hơn trong dung dịch ra khỏi hợp chất. 

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Fe + Cu²⁺ →  Fe²⁺ + Cu

- Chú ý:

+ Cơ sở phương pháp này là dùng những dung dịch thích hợp như H₂SO₄, NaOH, NaCN,..để hoà tan kim loại hoặc hợp chất kim loại và tách ra khỏi phần không tan.

+ Không dùng kim loại kiềm, kiềm thổ để khử.

c. Phương pháp điện phân

- Dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại ở catot ra khỏi hợp chất.

- Điện phân hợp chất nóng chảy: Dùng để điều chế các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, ...

Ví dụ: Điều chế NaCl nóng chảy thu được Na theo pthh 2NaCl (đpnc) → 2Na + Cl_2​

- Điện phân dung dịch: Dùng điều chế các kim loại trung bình, yếu bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng.

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl₂ thu được Cu theo pthh CuCl₂ → Cu + Cl_2 ​

- Tính lượng chất thu được ở mỗi điện cực. Dựa vào định luật Faraday: 

\(m=\frac{A.I.t}{n.F}\) 

m: Khối lượng chất thu được mỗi 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 kế (A)

t: Thời gian điện phân (giây)

F: hằng số Faraday (F = 96500)

Bài 1: 

Tiến hành các thí nghiệm sau:

(a) Cho Mg vào dung dịch Fe₂(SO₄)₃ dư

(b) Sục khí Cl₂ vào dung dịch FeCl₂

(c) Dẫn khí H₂ dư qua bột CuO nung nóng

(d) Cho Na vào dung dịch CuSO₄ dư

(e) Nhiệt phân AgNO₃

(f) Điện phân nóng chảy Al₂O₃

Sau khi kết thúc các phản ứng, những thí nghiệm thu được kim loại?

Hướng dẫn:

(a) Cho Mg vào dung dịch Fe³⁺(dư) tạo Fe²⁺

(b) Cl2 + 2FeCl₂ → 2FeCl₃

(c) H₂ + CuO → Cu + H₂O 

(d) 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

(e) 2AgNO₃ → 2Ag + 2NO2 + O₂

(f) 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Vậy có 3 thí nghiệm thu được kim loại là: (c); (e); (f)

Bài 2:

Trong các kim loại Cu; Ag; Na; K và Ba, số kim loại điều chế được bằng phương pháp thủy luyện là:

Hướng dẫn:

Phương pháp thủy luyện dùng để điều chế nững kim loại yếu, đứng sau H trong dãy hoạt động hóa học. Như vậy ta có các kim loại: Cu; Ag

Bài 3:

Bốn kim loại K, Al, Fe và Ag được ấn định không theo thứ tự là X, Y, Z, và T. Biết rằng X và Y được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy; X đẩy được kim loại T ra khỏi dung dịch muối; và Z tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nóng nhưng không tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nguội. Các kim loại X, Y, Z và T theo thứ tự là:

Hướng dẫn:

Do X và Y điều chế bằng cách điện phân nóng chảy ⇒ đó là Al và K 

Mà X đẩy được T ra khỏi muối ⇒ X là Al ⇒ Y là K 

Z tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nóng nhưng không tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nguội ⇒ Z bị thụ động hóa trong H₂SO₄ đặc nguội.  

⇒ Z là Fe ⇒ T là Ag.

Bài 4:

Cho khí CO dư đi qua ống chứa 0,2 mol MgO và 0,2 mol CuO nung nóng, đến phản ứng hoàn toàn, thu được x gam chất rắn. Giá trị của x là:

Hướng dẫn:

Chất rắn gồm MgO và Cu (vì MgO không phản ứng với CO)

⇒ x = 20,8g

Bài 1:

Thổi rất chậm 2,24 lít (đktc) một hỗn hợp khí gồm CO và H₂ qua một ống sứ đựng hỗn hợp Al₂O₃, CuO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ có khối lượng là 24 gam dư đang được đun nóng. Sau khi kết thúc phản ứng khối lượng chất rắn còn lại trong ống sứ là:

Hướng dẫn:

\(n_{hh \ (CO + H_{2})} = \frac{2,24}{22,4} = 0,1 \ mol\)

Thực chất phản ứng khử các oxit là:

CO + O → CO₂

H₂ + O → H₂O

Vậy: \(n_{O}=n_{CO}+n_{H_{2}} = 0,1 \ mol\)

Khối lượng chất rắn còn lại trong ống sứ là: 24 - 1,6 = 22,4 gam. 

Bài 2:

Điện phân 10 ml dung dịch AgNO₃ 0,4M ( điện cực trơ ) trong thời gian 10 phút 30 giây với dòng điện có cường độ I = 2A, thu được m gam Ag. Giả sử hiệu suất phản ứng điện phân đạt 100%.

Hướng dẫn:

Tại catot:

 Ag+      +       e       →      Ag

0,004  →    0,004   →    0,004

2H2O    +   2e      →    H2     +   2OH-

Tại anot:

2H2O  →   4H+   +     O2     +   4e

Ta có:

\({n_{e{\rm{ trao doi}}}} = \frac{{It}}{{96500}} = 0,013\,mol\)

Lớn hơn n_{e Ag nhường} = 0,004 mol  

\(\Rightarrow {m_{Ag}} = 0,004.108 = 0,432gam\)

- Là sự khử ion kim loại thành kim loại: Mⁿ⁺ + ne → M

a. Phương pháp nhiệt luyện

- Dùng chất khử như C,CO,H₂, hoặc kim loại hoạt động để khử ion kim loại ra khỏi hợp chất ở nhiệt độ cao.

PbO + H₂ → Pb + H₂O

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

- Chú ý:

+ Phương pháp này thường được sử dụng trong công nghiệp

+ Dùng để điều chế các kim loại trung bình, yếu như: Zn, Fe, Sn, Pb,...

b. Phương pháp thủy luyện

- Dùng chất khử mạnh Zn, Fe,..để khử kim loại có tính khử yếu hơn trong dung dịch ra khỏi hợp chất. 

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Fe + Cu²⁺ →  Fe²⁺ + Cu

- Chú ý:

+ Cơ sở phương pháp này là dùng những dung dịch thích hợp như H₂SO₄, NaOH, NaCN,..để hoà tan kim loại hoặc hợp chất kim loại và tách ra khỏi phần không tan.

+ Không dùng kim loại kiềm, kiềm thổ để khử.

c. Phương pháp điện phân

- Dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại ở catot ra khỏi hợp chất.

- Điện phân hợp chất nóng chảy: Dùng để điều chế các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, ...

Ví dụ: Điều chế NaCl nóng chảy thu được Na theo pthh 2NaCl (đpnc) → 2Na + Cl_2​

- Điện phân dung dịch: Dùng điều chế các kim loại trung bình, yếu bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng.

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl₂ thu được Cu theo pthh CuCl₂ → Cu + Cl_2 ​

- Tính lượng chất thu được ở mỗi điện cực. Dựa vào định luật Faraday: 

\(m=\frac{A.I.t}{n.F}\) 

m: Khối lượng chất thu được mỗi 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 kế (A)

t: Thời gian điện phân (giây)

F: hằng số Faraday (F = 96500)

Bài 1: 

Tiến hành các thí nghiệm sau:

(a) Cho Mg vào dung dịch Fe₂(SO₄)₃ dư

(b) Sục khí Cl₂ vào dung dịch FeCl₂

(c) Dẫn khí H₂ dư qua bột CuO nung nóng

(d) Cho Na vào dung dịch CuSO₄ dư

(e) Nhiệt phân AgNO₃

(f) Điện phân nóng chảy Al₂O₃

Sau khi kết thúc các phản ứng, những thí nghiệm thu được kim loại?

Hướng dẫn:

(a) Cho Mg vào dung dịch Fe³⁺(dư) tạo Fe²⁺

(b) Cl2 + 2FeCl₂ → 2FeCl₃

(c) H₂ + CuO → Cu + H₂O 

(d) 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

(e) 2AgNO₃ → 2Ag + 2NO2 + O₂

(f) 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Vậy có 3 thí nghiệm thu được kim loại là: (c); (e); (f)

Bài 2:

Trong các kim loại Cu; Ag; Na; K và Ba, số kim loại điều chế được bằng phương pháp thủy luyện là:

Hướng dẫn:

Phương pháp thủy luyện dùng để điều chế nững kim loại yếu, đứng sau H trong dãy hoạt động hóa học. Như vậy ta có các kim loại: Cu; Ag

Bài 3:

Bốn kim loại K, Al, Fe và Ag được ấn định không theo thứ tự là X, Y, Z, và T. Biết rằng X và Y được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy; X đẩy được kim loại T ra khỏi dung dịch muối; và Z tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nóng nhưng không tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nguội. Các kim loại X, Y, Z và T theo thứ tự là:

Hướng dẫn:

Do X và Y điều chế bằng cách điện phân nóng chảy ⇒ đó là Al và K 

Mà X đẩy được T ra khỏi muối ⇒ X là Al ⇒ Y là K 

Z tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nóng nhưng không tác dụng được với dung dịch H₂SO₄ đặc nguội ⇒ Z bị thụ động hóa trong H₂SO₄ đặc nguội.  

⇒ Z là Fe ⇒ T là Ag.

Bài 4:

Cho khí CO dư đi qua ống chứa 0,2 mol MgO và 0,2 mol CuO nung nóng, đến phản ứng hoàn toàn, thu được x gam chất rắn. Giá trị của x là:

Hướng dẫn:

Chất rắn gồm MgO và Cu (vì MgO không phản ứng với CO)

⇒ x = 20,8g

Bài 1:

Thổi rất chậm 2,24 lít (đktc) một hỗn hợp khí gồm CO và H₂ qua một ống sứ đựng hỗn hợp Al₂O₃, CuO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ có khối lượng là 24 gam dư đang được đun nóng. Sau khi kết thúc phản ứng khối lượng chất rắn còn lại trong ống sứ là:

Hướng dẫn:

\(n_{hh \ (CO + H_{2})} = \frac{2,24}{22,4} = 0,1 \ mol\)

Thực chất phản ứng khử các oxit là:

CO + O → CO₂

H₂ + O → H₂O

Vậy: \(n_{O}=n_{CO}+n_{H_{2}} = 0,1 \ mol\)

Khối lượng chất rắn còn lại trong ống sứ là: 24 - 1,6 = 22,4 gam. 

Bài 2:

Điện phân 10 ml dung dịch AgNO₃ 0,4M ( điện cực trơ ) trong thời gian 10 phút 30 giây với dòng điện có cường độ I = 2A, thu được m gam Ag. Giả sử hiệu suất phản ứng điện phân đạt 100%.

Hướng dẫn:

Tại catot:

 Ag+      +       e       →      Ag

0,004  →    0,004   →    0,004

2H2O    +   2e      →    H2     +   2OH-

Tại anot:

2H2O  →   4H+   +     O2     +   4e

Ta có:

\({n_{e{\rm{ trao doi}}}} = \frac{{It}}{{96500}} = 0,013\,mol\)

Lớn hơn n_{e Ag nhường} = 0,004 mol  

\(\Rightarrow {m_{Ag}} = 0,004.108 = 0,432gam\)