nguyên tắc điều chế kim loại và các phương pháp điều chế kim loại

Nguyên tắc điều chế kim loại và các phương pháp điều chế kim loại được VnDoc biên soạn tổng hợp đưa ra nguyên tắc điều chế kim loại, cũng như các dạng bài tập điều chế kim loại giúp các bạn học sinh có thể ghi nhớ vận dụng các phương pháp điều chế kim loại vào các dnagj bài tập câu hỏi. Mời các bạn tham khảo.

I. Nguyên tắc điều chế kim loại

Thực hiện phản ứng khử ion kim loại thành kim (Mn+ ) loại thành kim loại tự do (M)

Mn+ + ne → M

Thí dụ:

Na+ + 1e → Na

Cu2+ + 2e → Cu

II. Các phương pháp điều chế kim loại 

1. Phương pháp thủy luyện

a. Nguyên tắc chung: Dùng kim loại tự do có tính khử mạnh đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch muối của nó.

b. Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong phòng thí nghiệm để điều chế các kim loại có tính khử yếu như: Pb, Ag, Cu,…

Thí dụ:

Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag

Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag

c. Lưu ý khi dùng phương pháp thủy luyện

Ba điều kiện để kim loại A đẩy được kim loại B ra khỏi dung dịch muối của nó dưới dạng tự do là:

• Điểu kiện 1: Kim loại A phải hoạt động mạnh hơn kim loại B (nghĩa là A đứng trước B trong dãy điện hóa)
• Điều kiện 2: Kim loại A và kim loại B đều phải không tan trong nước ở điều kiện thường.

Ví dụ: Na + CuSO4 sẽ xảy ra các phản ứng sau:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

2NaOH + CuSO4 → Cu(OH)2 + Na2SO4

(kết tủa màu xanh)

• Điều kiện 3: Muối B (tham gia phản ứng) và muối của A (tạo thành) đều là muối tan.

Thí dụ: Zn + PbSO4 không phản ứng vì PbSO4 không tan

2. Phương pháp nhiệt luyện

a. Nguyên tắc: Dùng chất khử thích hợp như CO, C, Al, H2 khử ion kim loại trong oxit của chúng ở nhiệt độ cao.

b. Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong công nghiệp với kim loại có tính khử trung bình đến yếu (sau Al).

Thí dụ:

3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

c. Lưu ý

Để thu được kim loại tính khiết nên dùng CO hay H2 dư (vì khí dư sẽ thoát ra, không ảnh hưởng đến độ tinh khiết của kim loại cần điều chế).

Nếu dùng CO thiếu để khử oxit sắt ở nhiệt độ cao (do sắt có nhiều hóa trị) quá trình phản ứng xảy ra theo từng giai đoạn

Có thể dùng nhiệt để phân hủy một số hợp chất (oxit, muối, …) của các kim loại yếu để điều chế kim loại tự do.

Trường hợp quặng là 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

Ví dụ với ZnS:

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2

ZnO + C → Zn + CO

3. Phương pháp điện phân

Nguyên tắc chung: Dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại thành kim loại tự do

Phạm vi áp dụng: Bằng phương pháp điện phân có thể điều chế được hầu hết các kim loại

Lưu ý: 

Khác với phản ứng oxi hóa – khử thông thường, phản ứng điện phân do tác dụng của điện năng và các chất trong môi trường điện phân không trực tiếp cho nhau electron mà phải truyền qua dây dẫn.

K Ca Na Mg Al Zn Fe ….. Pt Au

a. Điện phân chất điện li nóng chảy

Điều chế được hầu hết các kim loại. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ dùng điều chế các kim loại như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al. Vì phương pháp này tốn kém hơn so với phương pháp điện phân dung dịch.

b. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

Điều chế các kim loại trung bình, yếu (sau Al).

Mn+ + ne → M

* Lưu ý:

Nếu điện phân dung dịch mà có các ion K+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+ thì nước sẽ tham gia điện phân.

2H2O + 2e → H2 + 2OH–

Nếu trong dung dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước.

Ví dụ: Điện phân dung dịch mà catot có chứa các ion Na+, Fe2+, Cu2+, Ag+ và Zn2+ thì thứ tự điện phân sẽ là

Ag+ + 1e → Ag

Cu2+ + 2e → Cu

Fe2+ + 2e → Fe

Zn2+ + 2e → Zn

2H2O + 2e → H2 + 2OH–

Các ion H+ của axit dễ bị khử hơn các ion H+ của nước

Ví dụ 1: Viết sơ đồ điện phân nóng chảy NaCl

Catot ( – ) ← NaCl→  Anot ( + )

2Na+ + e → Na                   2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân là:

2NaCl → 2Na + Cl2

Ví dụ 2: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – ) ← Al2O3 → Anot ( + )

Al3+ + 3e → Al           2O2- → O2 + 4e

Phương trình điện phân là:

2Al2O3 → 4Al + 3O2

c. 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

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 là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1)

III. Bài tập điều chế kim loại

Bài tập 1: Khử hoàn toàn m gam Fe2O3 cần vừa đủ 6,72 lít khí CO (đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải bài tập

Khi oxit bị khử bởi CO:

nO(oxit) = nCO = 6,72/22,4 = 0,3 mol

Bảo toàn nguyên tố Oxi: 3nFe2O3 = nO(oxit) = 0,3.

=> nFe2O3 = 0,1 mol

=> m = 160.0,1 = 16 gam

Bài tập 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 bài tập

Gọi x, y lần lượt là số mol của: nCO = x (mol); nCO2 = y (mol)

Theo đề bài

nhh = 11,2/22,4 = 0,5 mol

Ta có hệ phương trình:

nhh = x + y = 0,5

mhh = 28x + 44y = 0,5.(20,8.2)

x = 0,1

y = 0,4

nCOpư = nCO2 = 0,4 mol

BTKL: mCOpu  + mX = mA + mCO2

→ mX = 64 − 0.4 (44−28) = 70,4g

Bài tập 3. Cho thanh sắt Fe vào dung dịch X chứa 0,2 mol AgNO3 và 0,4 mol Cu(NO3)2. Khi thấy thanh kim loại tăng lên 17,6 gam thì dừng lại. Tính khối lượng kim loại bám vào thanh sắt

Hướng dẫn giải bài tập

nAg+ = 0,1 mol;

nCu2+ = 0,2 mol

Nếu Ag+ phản ứng hết :

Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag

0,1 ← 0,2 → 0,2

=> mtăng = 0,2.108 – 0,1.56 = 16 < 17,6

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

Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu

x → x → x

=> mtăng = 64x – 56x = 16x

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

mtăng = 16 + 16x =  17,6 => x = 0,1 mol

=> mkim loại bám vào = mAg + mCu = 17,2 gam

Bài tập 4. Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 20,88 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 8,736 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải bài tập

nNO2 = 0,39 mol

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

Bảo toàn e: 2.nCO = nNO2 => nCO = 0,195 mol

=> nCO2 = nCO = 0,195 mol

Bảo toàn khối lượng: mCO + mFe2O3 = mCO2 + mhh oxit

=> mFe2O3 = 0,195.44 + 20,88 – 0,195.28 = 24 gam

Bài tập 5. Cho 1,12 gam bột sắt vào 200 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 bài tập

nFe = 0,02 mol; nAgNO3 = 0,06 mol; nCu(NO3)2 = 0,1 mol

ne Fe cho tối đa = 0,02.3 = 0,06 mol = ne Ag+ nhận tối đa

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

=> nAg = nAgNO3 = 0,06 mol => m = 0,06.108 = 6,48 gam

……………………………………

VnDoc đã gửi tới nội dung tài liệu Nguyên tắc điều chế kim loại và các phương pháp điều chế kim loại, nội dung tài liệu đưa ra nguyên tắc điều chế kim loại cũng như các phương pháp để giúp các bạn học sinh hệ thống lại kiến thức trọng tâm. Mời các bạn cùng tham khảo thêm Hóa lớp 12, Hóa học lớp 11, Hóa học lớp 10.

Ngoài ra các tài liệu trên, VnDoc.com đã thành lập group chia sẻ tài liệu học tập, cũng như bài giảng, giáo án hay miễn phí trên Facebook: Tài Liệu Học Tập VnDoc.com. Mời quý thầy cô cùng các bạn đọc tham gia, để có thể cùng nhau chia sẻ nhận được những tài liệu mới nhất.

Chúc các bạn học tập tốt.

Tham khảo thêm

• 

  Trắc nghiệm sự điện li mức độ thông hiểu