Điều chế kim loại là gì? Nguyên tắc phương pháp và lý thuyết chung

Điều chế kim loại là gì? Nguyên tắc, phương pháp và lý thuyết chung

I – Nguyên tắc điều chế kim loại chung

♦  Khử ion kim loại thành nguyên tử.

Mⁿ⁺  +  ne → M

II – Các phương pháp điều chế kim loại

1. Phương pháp nhiệt luyện 

♦  Nguyên tắc: Khử ion kim loại trong hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO, H₂ hoặc các kim loại hoạt động.

♦ Phạm vi áp dụng: Sản xuất các kim loại có tính khử  trung bình (Zn, FE, Sn, Pb,…) trong công nghiệp.

2. Phương pháp thuỷ luyện 

♦  Nguyên tắc: Dùng những dung dịch thích hợp như: H₂SO₄, NaOH, NaCN,… để hoà tan kim loại hoặc các hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có ở trong  quặng. Sau đó khử những ion kim loại này trong dung dịch bằng những kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn,…

♦ Thí dụ:  Fe + CuSO₄→ FeSO₄ + Cu↓

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺  + Cu↓

♦ Phạm vi áp dụng: Thường sử dụng để điều chế các kim loại có tính khử yếu.

3. Phương pháp điện phân  

a. Điện phân hợp chất nóng chảy

♦  Nguyên tắc: Khử các ion kim loại bằng dòng điện bằng cách điện phân nóng chảy hợp chất của kim loại.

♦  Phạm vi áp dụng: Điều chế các kim loại hoạt động hoá học mạnh như K, Na, Ca, Mg, Al.

Thí dụ 1: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy để điều chế Al.

$\begin{array}  {} K\left( - \right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ \leftarrow \ \ \ \ \ \ \ \ A{{l}_{2}}{{O}_{3}}\ \ \ \ \ \ \ \to \ \ \ \ \ \ \ \ A\left( + \right) \\  {} \ \ \ \ \ \ \ \ A{{l}^{3+}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ {{O}^{2-}} \\  {} A{{l}^{3+}}+3\text{e}\to \text{Al}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{2}{{\text{O}}^{2-}}\to {{O}_{2}}+4\text{e} \\  {} \ \ \ \ \ \ \ \ 2A{{l}_{2}}{{O}_{3}}\xrightarrow{dpnc}4Al+3{{O}_{2}} \\ \end{array}$

Thí dụ 2: Điện phân MgCl₂ nóng chảy để điều chế Mg.

$\begin{array}  {} K\left( - \right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ \leftarrow \ \ \ \ \ \ \ \ MgC{{l}_{2}}\ \ \ \ \ \ \ \to \ \ \ \ \ \ \ \ A\left( + \right) \\  {} \ \ \ \ \ \ \ \ M{{g}^{2+}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ {{O}^{2-}} \\  {} M{{g}^{2+}}+2\text{e}\to Mg\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{2C}{{\text{l}}^{-}}\to C{{l}_{2}}+2\text{e} \\  {} \ \ \ \ \ \ \ MgC{{l}_{2}}\xrightarrow{dpnc}Mg+C{{l}_{2}} \\ \end{array}$

b. Điện phân dung dịch

♦  Nguyên tắc: Điện phân dung dịch muối của kim loại.

♦  Phạm vi áp dụng: Điều chế các kim loại có độ hoạt động hoá học trung bình hoặc yếu.

♦  Thí dụ: Điện phân dung dịch CuCl₂ để điều chế kim loại Cu.

c. Tính lượng chất thu được ở các điện cực

♦ Dựa vào công thức Farađây: $m=\frac{AIt}{nF}$ trong đó:

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

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)

t: Thời gian điện phân (giấy)

F: Hằng số Farađây (F = 96.500).