Bài 20: Kim loại trong tự nhiên và phương pháp tách kim loại

Nguyên tắc đề điều chế kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử:

Mn⁺ + ne → M

- Những kim loại hoạt động hoá học mạnh được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy các hợp chất của chúng.

- Những kim loại hoạt động trung bình, yếu thường được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện hoặc điện phân dung dịch muối của chúng hoặc thuỷ luyện.

a) Những kim loại tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên: vàng, bạc, platinum…

b) Một số mỏ quặng kim loại quan trọng ở Việt Nam: mỏ quặng sắt Thạch Khê (Hà Tĩnh); mỏ quặng sắt Quý Sa (Lào Cai); mỏ vonfram (tungsten) Núi Pháo (Thái Nguyên); mỏ bauxite ở Tây Nguyên …

1. Vai trò của cryolite trong quá trình điện phân:

+ Tăng độ dẫn điện của Al₂O₃ nóng chảy;

+ Làm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃;

+ Tạo lớp ngăn cách để bảo vệ Al₂O₃ nóng chảy.

2. Trong quá trình điện phân, O₂ sinh ra tại cực dương, tại đây xảy ra phản ứng ăn mòn điện cực than chì: C + O₂ → CO₂.

Do đó, sau một thời gian người ta thấy cực dương bị ăn mòn và phải thay thế.

a) Để điều chế các kim loại như K, Na, Ca, Mg … người ta điện phân muối chloride của chúng ở trạng thái nóng chảy do các kim loại này hoạt động hoá học rất mạnh.

b) Quá trình xảy ra ở mỗi điện cực:

Cực dương (anode): 

2Cl^- → Cl₂ + 2e

Cực âm (cathode): 

Na⁺ + 1e → Na.

Phương trình hoá học của phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân:

Những kim loại hoạt động trung bình và yếu như: Zn, Fe, Sn, Pb, Cu … thường được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện.

1. Điện cực gắn với dây màu đỏ là anode (cực dương); điện cực gắn với dây màu đen là cathode (cực âm) do có lớp kim loại bám ngoài điện cực.

2.

+ Ở anode có thể xảy ra sự oxi hoá ion sulfate \(SO_4^{2-}\)hoặc phân tử H₂O. Tuy nhiên, vì H2O dễ bị oxi hoá hơn ion sulfate nên H₂O bị oxi hoá trước, tạo thành sản phẩm là khí O₂.

2H₂O →  O₂ + 4H⁺ + 4e

+ Ở cathode có thể xảy ra sự khử ion Cu²⁺ hoặc phân tử H₂O. Vì ion Cu²⁺ dễ bị khử hơn H₂O nên ion Cu²⁺ bị khử trước, tạo thành ion kim loại Cu bám trên cathode.

Cu²⁺ + 2e → Cu

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân dung dịch CuSO4:

2CuSO₄ + 2H₂O \(\underrightarrow{đpnc}\) 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

(Lưu ý: Thường coi ion \(SO_4^{2-}\) không bị điện phân

Hiện nay, trữ lượng các mỏ quặng kim loại ngày càng cạn kiệt, trong khi nhu cầu sử dụng kim loại ngày càng tăng và lượng phế thải kim loại tạo ra ngày càng nhiều.

Nhôm, sắt, đồng là những kim loại được tái chế nhiều nhất ở Việt Nam. Tuy nhiên, cho tới thời điểm hiện nay, hoạt động tái chế kim loại ở Việt Nam vẫn còn nhỏ lẻ, phần lớn mang tính tự phát, chưa được quản lí và kiểm soát chặt chẽ nên có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao.

Trong tương lai, tái chế kim loại phế liệu sẽ trở thành ngành công nghiệp lớn và phát triển ở Việt Nam.