Các phương pháp điều chế kim loại

I – NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

Trong tự nhiên chỉ có một số rất ít kim loại ở trạng thái tự do, hầu hết các kim loại tồn tại ở dạng ion trong các hợp chất hóa học. Muốn chuyển hóa những ion này thành kim loại ta thực hiện quá trình khử ion kim loại:

Mⁿ⁺ + ne → M

II – MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

1. Phương pháp thủy luyện

– Phương pháp thủy luyện còn gọi là phương pháp ướt, được dùng để điều chế những kim loại có độ hoạt động hóa học thấp như Au, Ag, Hg, Cu…

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

Ví dụ 1:

Người ta điều chế Ag bằng cách nghiền nhỏ quặng bạc sunfua Ag₂S, xử lí bằng dung dịch NaCN, rồi lọc để thu được dung dịch muối phức bạc:

Ag₂S + 4NaCN → 2Na[Ag(CN)₂] + Na₂S

Sau đó, ion Ag+ trong phức được khử bằng kim loại Zn:

Zn + 2Na[Ag(CN)₂] → Na₂[Zn(CN)₄] + 2Ag

Ví dụ 2:

Vàng lẫn trong đất đá có thể hòa tan dần trong dung dịch NaCN cùng với oxi của không khí, được dung dịch muối phức của vàng:

4Au + 8NaCN + O₂ + 2H₂O → 4Na[Au(CN)₂] + 4NaOH

Sau đó, ion Au³⁺ trong phức được khử bằng kim loại Zn:

Zn + 2Na[Au(CN)₂] → Na₂[Zn(CN)₄] + 2Au

2. Phương pháp nhiệt luyện

– Phương pháp nhiệt luyện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để điều chế những kim loại có độ hoạt động hóa học trung bình như Zn, Cr, Fe, Sn, Pb,…

– Cơ sở của phương pháp này là khử những ion kim loại trong các hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử mạnh như C, CO, H₂ hoặc Al, kim loại kiềm hoặc kiềm thổ

Ví dụ:

PbO + C Pb + CO

Fe₂O₃ + 3CO 2Fe + 3CO₂

WO₃ + 3H₂ W + 3H₂O

TiCl₄ + 4Na Ti + 4NaCl

V₂O₅ + 5Ca 2V + 5CaO

Các phản ứng dùng kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ làm chất khử đều phải thực hiện trong môi trường khí trơ hoặc chân không

– 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

– Đối với kim loại khó nóng chảy như Cr, người ta dùng Al làm chất khử (phản ứng nhiệt nhôm). Phản ứng nhiệt nhôm tỏa nhiệt mạnh, lượng nhiệt tạo ra được sử dụng để đun nóng chảy Cr₂O₃, nhờ vậy giảm được chi phí cho nhiên liệu:

Cr₂O₃ + 2Al 2Cr + Al₂O₃

– Đối với những kim loại kém hoạt động như Hg, Ag chỉ cần đốt cháy quặng cũng thu được kim loại mà không cần dùng chất khử

HgS + O₂ Hg + SO₂

3. Phương pháp điện phân

– Phương pháp điện phân là phương pháp vạn năng, được dùng để điều chế hầu hết các kim loại, từ những kim loại có độ hoạt động hóa học cao đến trung bình và thấp

– Cơ sở của phương pháp này là dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại. Tác nhân khử là cực ( – ) mạnh hơn nhiều lần tác nhân khử là chất hóa học

– Điều chế kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Al…bằng cách điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của chúng

Ví dụ: Sơ đồ thùng điện phân NaCl nóng chảy để điều chế Na

– Nguyên liệu là NaCl tinh khiết
– Cực dương làm bằng than chì, cực âm bằng thép
– Điều chế kim loại có tính khử trung bình và yếu như Zn, Cu,..bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng (xem thêm bài điện phân)

Ví dụ:                                  ZnBr₂ Zn + Br₂

2CuSO₄ + 2H₂O 2Cu + 2H₂SO₄ + O₂

Biên soạn Hồ Chí Tuấn – ĐH Y Hà Nội

Nguồn: Moon.vn