Bài 15. Tách kim loại và tái chế kim loại

a) Việc lựa chọn phương pháp phù hợp để tách kim loại từ hợp chất cần dựa trên độ hoạt động của kim loại đó.

+ Phương pháp nhiệt luyện thường dùng để tách các kim loại hoạt động trung bình và yếu như Zn, Fe, Sn, Pb, Cu, … ra khỏi các oxide bằng các chất khử phù hợp và phổ biến như C, CO, … ở nhiệt độ cao.

+ Phương pháp thủy luyện thường để tách những kim loại hoạt động hóa học yếu như Cu, Ag, Au, … ra khỏi dung dịch muối của chúng bằng các kim loại có tính khử mạnh hơn như Fe, Zn, …

+ Phương pháp điện phân thường dùng để tách các kim loại hoạt động mạnh như kim loại thuộc nhóm IA, IIA và nhôm ra khỏi hợp chất của chúng ở trang thái nóng chảy.

Ngoài ra, phương pháp điện phân cũng có thể được áp dụng để điều chế các kim loại hoạt động trung bình và yếu như Zn, Cu, Ag, … bằng cách điện phân hợp chất của chúng trong dung dịch.

b) Do nhu cầu sử dụng kim loại của con người ngày càng lớn. Trong khi đó nguồn quặng để sản xuất kim loại ngày càng cạn kiệt, quá trình khai thác quặng và tách kim loại từ quặng tiêu tốn nhiều năng lượng, đồng thời tác động tiêu cực đến môi trường. Vì vậy việc tái chế kim loại từ phế liệu kim loại là rất cần thiết, vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng, vừa góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường.

Bạc, vàng là những kim loại có giá trị thế điện cực chuẩn cao, độ hoạt động hóa học yếu. Do đó hầu như không tác dụng với các đơn chất và hợp chất có trong tự nhiên. Vì vậy, vàng, bạc có thể tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

Thành phần chính của khoáng vật calcite là CaCO₃.

Nước tự nhiên ở khu vực có khoáng vật calcite thường chứa cation kim loại Ca²⁺.

Một số mỏ kim loại quan trọng ở Việt Nam:

+ Mỏ quặng Urani ở Nông Sơn (Quảng Nam)

+ Mỏ quặng nhôm ở Đắk Nông và Konplon – An Khê (Gia Lai)

+ Mỏ quặng đồng ở Sinh Quyền (Lào Cai); Yên Châu (Sơn La) …

…

+ Phản ứng: Fe2O3(s)  + 3CO(g)  \(\underrightarrow{t^o}\) 2Fe(l)  + 3CO₂(g)

Chất khử được sử dụng là: CO.

+ Phản ứng: ZnO(s) + C(s) \(\underrightarrow{t^o}\)Zn(g) + CO(g)

Chất khử được sử dụng là: C.

+ Phản ứng: Fe(s) + CuSO₄(aq) ⟶ Cu(s) + FeSO₄(aq)

Chất khử được sử dụng là: Fe.

Phương pháp nhiệt luyện

Phương pháp thủy luyện

- Nguyên tắc: Dùng các chất khử phù hợp và phổ biến như C, CO, … khử ion kim loại trong oxide của chúng ở nhiệt độ cao.

- Thường dùng để tách các kim loại hoạt động trung bình và yếu như Zn, Fe, Sn, Pb, Cu, …

- Nguyên tắc: Dùng các kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn, … đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của nó.

- Thường dùng để tách những kim loại hoạt động hóa học yếu như Cu, Ag, Au, …

Phương trình hóa học của phản ứng tách nhôm từ aluminium oxide bằng phương pháp điện phân nóng chảy.

2Al2O₃(l)  \(\underrightarrow{đpnc}\) 4Al(l)  + 3O₂(g)

Trong đó, tại anode và cathode xảy ra các quá trình sau:

Anode (+): 2O₂^- ⟶ O₂ + 4e

Cathode (−): Al³⁺ + 3e ⟶ Al

Để tách kim loại sodium từ hợp chất sodium chloride ta dùng phương pháp điện phân sodium chloride nóng chảy.

Phương trình hóa học:

2NaCl(l) \(\underrightarrow{đpnc}\)  2Na(l)   + Cl₂(g)

Giải thích: Do Na là kim loại hoạt động hóa học mạnh và tác dụng được với nước ngay ở nhiệt độ thường nên không thể dùng kim loại mạnh hơn đẩy ra Na ra khỏi dung dịch muối hay điện phân dung dịch.

Một số phế liệu được dùng để tái chế nhôm: vỏ lon bia, vỏ lon nước ngọt; giấy nhôm và khay nướng bằng nhôm; rổ, thau, chậu, nồi, mâm nhôm cũ; thanh treo đồ, móc quần áo cũ; đầu xi lanh xe hơi; hệ thống cáp điện; …

Hình dưới đây liên quan đến công đoạn tạo vật liệu từ kim loại nóng chảy trong quá trình tái chế kim loại.