Phương pháp giải một số dạng bài tập về điều chế kim loại

Dạng 1: Điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện

* Một số lưu ý cần nhớ

- Điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện là điều chế kim loại bằng cách khử oxi kim loại bằng H₂, CO, C, Al.

=> Đây là phương pháp điều chế kim loại trung bình (đứng từ Zn trong dãy hoạt động trở đi)

Để làm được tốt dạng bài tập này, các em cần áp dụng linh loạt các định luật bảo toàn electron, bảo toàn điện tích và bảo toàn khối lượng.

* Một số ví dụ điển hình

 Ví dụ 1: Khử hoàn toàn m gam Fe₂O₃ cần vừa đủ 4,704 lít khí CO (đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

Khi oxit bị khử bởi CO:

n_O(oxit) = n_CO = 4,704/22,4 = 0,21 mol

BTNT "O": 3n_Fe2O3 = n_O(oxit) = 0,21

=> n_Fe2O3 = 0,07 mol

=> m = 160.0,07 = 11,2 gam

Ví dụ 2: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe₂O₃. Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m g hỗn hợp X nung nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64 g chất rắn A và 11,2 lít khí B (đktc) có tỉ khối so với hiđro là 20,4. Giá trị của a là

Hướng dẫn giải chi tiết:

Giả sử: \({n_{CO}} = x(mol);{n_{C{O_2}}} = y(mol)\)

Ta có hệ phương trình: 

\(\left\{ \begin{array}{l}{n_{hh}} = x + y = 0,5\\{m_{hh}} = 28{\rm{x}} + 44y = 0,5.(20,4.2)\end{array} \right. \to \left\{ \begin{array}{l}x = 0,1\\y = 0,4\end{array} \right.\)

\(n_{CO \; pư}=n_{CO_2}=0,4 mol\)

BTKL: \(m_{CO\; pu}+ m_X= m_A +m_{CO_2}\)

→ \(m_X= 64-0.4(44-28)= 70,4g\)

Ví dụ 3: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe₂O₃ nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe₂O₃ và Fe₃O₄. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO₃ đặc, nóng thu được 4,368 lít NO₂ (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_NO2 = 0,195 mol

Xét toàn bộ quá trình chỉ có CO cho e (tạo CO₂) và HNO₃ nhận e (tạo NO₂)

Bảo toàn e: 2.n_CO = n_NO2  => n_CO = 0,0975 mol

=> n_CO2= n_CO = 0,0975 mol

Bảo toàn khối lượng: m_CO + m_Fe2O3 = m_CO2 + m_{hh oxit}

=> m_Fe2O3 = 0,0975.44 + 10,44 – 0,0975.28 = 12 gam

Dạng 2: Điều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện

* Một số lưu ý cần nhớ:

Cơ sở của phương pháp này là dùng những dung môi thích hợp như dung dịch H₂SO₄, NaOH, NaCN,... để hoà tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có trong quặng. Sau đó khử những ion kim loại này bằng kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn, ...

Ví dụ : Dùng Fe để khử ion Cu²⁺ trong dung dịch muối đồng.

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu¯

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu¯

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Cho thanh sắt Fe vào dung dịch X chứa 0,1 mol AgNO₃ và 0,2 mol Cu(NO₃)₂. Khi thấy thanh kim loại tăng lên 8,8 gam thì dừng lại. Tính khối lượng kim loại bám vào thanh sắt

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_Ag+ = 0,1 mol;  n_Cu2+ = 0,2 mol

Nếu Ag⁺ phản ứng hết :

Fe  +  2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag

0,05 ← 0,1         →      0,1    

=> m_tăng = 0,1.108 – 0,05.56 = 8 < 8,8

=> Ag⁺ phản ứng hết;  Cu²⁺ phản ứng 1 phần

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

x   → x            →     x         

=> m_tăng = 64x – 56x = 8x

=> tổng khối lượng tăng ở 2 phản ứng là:

m_tăng = 8 + 8x = 8,8  => x = 0,1 mol

=> m_{kim loại bám vào} = m_Ag + m_Cu = 17,2 gam

Ví dụ 2: Cho 0,56 gam bột sắt vào 100 ml dung dịch gồm AgNO₃ 0,3M và Cu(NO₃)₂ 0,5M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được m gam chất rắn X. Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_Fe = 0,01 mol;  n_AgNO3 = 0,03 mol;  n_Cu(NO3)2 = 0,05 mol

Ta thấy : n_{e Fe cho tối đa} = 0,01.3 = 0,03 mol = n_{e Ag+ nhận tối đa}

=> Fe phản ứng hết với Ag, tạo thành Fe³⁺ và Ag

=> n_Ag  = n_AgNO3 = 0,03 mol => m = 0,03.108 = 3,24 gam

Ví dụ 3: Cho m gam Zn vào dung dịch chứa 0,15 mol FeCl₃. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 3,92 gam chất rắn. Giá trị của m là:

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_FeCl3 = 0,15mol => m_{Fe tối đa sinh ra} = 0,15 . 56 = 8,4 gam > 3,92 gam

=> chất rắn chỉ có Fe, còn Zn đã phản ứng hết

n_Fe  = 3,92 / 56 = 0,07 mol

FeCl₃ phản ứng với Zn tạo thành Fe (0,07 mol) và FeCl₂ (0,15 – 0,07 = 0,08 mol)

Bảo toàn e: 2n_Zn = 3n_Fe + n_FeCl2 => n_Zn = 0,145 mol

=> m = 9,425 gam

Dạng 3: Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân

* Một số lưu ý cần nhớ:

- Điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học

- Người ta dùng phương pháp điện phân nóng chảy để điều chế những kim loại mạnh (kim loại kiềm, kiềm thổ, ...)

VD1: 2NaCl   \(\xrightarrow{\tilde{n}pnc}\)  2Na  +  Cl₂­

- Điện cực âm: Catot , nơi diễn ra quá trình khử: Na⁺ + 1e → Na

- Điện cưc dương: Anot, nơi diễn ra quá trình oxi hóa: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

* Lưu ý: Dấu của cực trong quá trình điện phân, ngược với pin điện hóa.

VD2: Điện phân dung dịch CuSO₄

( - ): Cực catot: Cu²⁺ +2e → Cu

( + ) Cực anot: 2H₂O → 4H+ + O₂ + 4e

=> Ta có phương trình điện phân:

CuSO₄ + H₂O → Cu + H₂SO₄ + ½ O₂

* Lưu ý:

 Trong dung dịch

- Ion kim loại từ Zn trở đi sẽ bị điện phân, các ion KL sẽ bị điện phân lần lượt từ Ag⁺ > Fe³⁺ > Cu²⁺ > H⁺..

- Anion có khả năng bị điện phân trong dung dịch: S^2- > I^- > Br^- > Cl^- > OH^-

(Các anion SO₄^2-, NO₃^-, ClO₄^- không bị điện phân trong dung dịch)

- Công thức Faraday:\(m=\frac{AIt}{nF}\)

Trong đó:

m : Khối lượng chất thu được ở điện cực (gam)

A : Khối lượng mol của chất thu được ở điện cực

F : Hằng số Farađay có giá trị bằng 96500.

n : Số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận (số electron trao đổi)

I : Cường độ dòng điện (ampe)

t : Thời gian điện phân (giây)

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Điện phân 400 ml dung dịch CuSO₄ 0,2M với cường độ dòng điện 10A trong một thời gian thu được 0,224 lít khí (đktc) ở anot. Biết điện cực đã dùng là điện cực trơ và hiệu suất điện phân là 100%. Khối lượng catot tăng là

Hướng dẫn giải chi tiết:

\(n_{CuSO_4}=0,4.0,2=0,08mol\)

Khí thu được ở anot là O₂ → \({n_{{O_2}}} = \frac{{0,224}}{{22,4}} = 0,01(mol)\)

Tại anot (+): \(2{H_2}O \to 4{H^ + } + {O_2} + 4{\rm{e}}\)

\( \to {n_{e(an{\rm{o}}t)}} = 4{n_{{O_2}}} = 0,04(mol)\)

Ta thấy: \(2{n_{C{u^{2 + }}(ban\,dau)}} > 4{n_{{O_2}}}\) → Tại catot Cu²⁺  chưa bị điện phân hết

Tại catot (-): \(C{u^{2 + }} + 2{\rm{e}} \to Cu\)

                                0,04 → 0,02 (mol)

→ m_{catot tăng} = m_Cu = 0,02.64 = 1,28 gam

Ví dụ 2: Điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ, cường độ dòng điện 10A. Khi ở anot có 4 gam khí oxi bay ra thì ngưng. Phát biểu nào sau đây là đúng ?

A. Khối lượng đồng thu được ở catot là 16 gam.

B. Thời gian điện phân là 9650 giây.

C. pH của dung dịch trong quá trình điện phân luôn giảm.

D. Không có khí thoát ra ở catot.

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_O2 = 0,125 mol

Catot: Cu²⁺ + 2e → Cu

Anot: 2H₂O → O₂ ↑ + 4H⁺ + 4e

=> n_{e trao đổi} = 4.n_O2 = 0,5 mol

=> n_Cu = 0,5 / 2 = 0,25 mol => m = 16 gam => A đúng

t = n.F / I = 4825s => B sai

+) pH của dung dịch ban đầu giảm, khi hết Cu²⁺ thì nước điện phân ở catot tạo OH^-, ở anot tạo ra H⁺ và n_OH- = n_H+ nên pH không đổi => C sai

+) hết Cu²⁺, nước điện phân ở catot tạo khí H₂ => D sai

Ví dụ 3: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp X gồm KCl và CuSO₄ vào nước, thu được dung dịch Y. Điện phân dung dịch Y với điện cực trơ màng ngăn xốp, đến khi H₂O  bị điện phân tại cả 2 điện cực thì dừng điện phân. Số mol khí ở anot thoát ra bằng 4 lần số mol khí thoát ra tại catot. Phần trăm khối lượng của CuSO₄ trong X là

Hướng dẫn giải chi tiết:

Tại A có 2Cl^-  → Cl₂ + 2e

Tại K có Cu⁺² +2e → Cu

               2H₂O + 2e → 2OH^- +H₂

Bảo toàn e có 2n_Cl2 = 2n_Cu + 2n_H2

Vì n_Cl2 = 4n_H2 nên 2n_Cl2 = 2n_Cu + ½ n_Cl2 → n_Cu = ¾ . n_Cl2

→ \(\frac{{{n_{CuS{O_4}}}}}{{{n_{KCl}}}} = \frac{3}{8}\)

→ \(\% CuS{O_4} = \frac{{3.160}}{{3.160 + 8.74,5}}.100\%  = 44,61\% \)