Bài 20. Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim

Khí thải trong sản xuất gang, thép thường chứa carbon dioxide (CO₂); sulfur dioxide (SO₂) … Nếu các khí này được đưa thẳng ra ngoài môi trường mà không qua xử lí thì sẽ gây ô nhiễm môi trường, gây mưa acid, gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính …

* So sánh:

- Về thành phần:

+ Kim loại nguyên chất được cấu tạo nên từ một loại nguyên tố hoá học.

+ Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa ít nhất một kim loại cơ bản và một số kim loại hoặc phi kim khác. Kim loại cơ bản là thành phần chính có trong hợp kim.

- Về tính chất: Hợp kim cứng hơn, bền hơn so với kim loại nguyên chất.

* Hợp kim thường có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất về độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn và gỉ sét, phù hợp với nhiều ứng dụng do đó trong thực tiễn kim loại thường được sử dụng dưới dạng hợp kim.

Ví dụ: Gang và thép là hai hợp kim quan trọng của sắt với carbon và một số nguyên tố khác. Hiện nay chúng là những vật liệu kim loại phổ biến nhất trên thế giới.

Do hàm lượng carbon trong thép ít hơn hàm lượng carbon trong gang (carbon chiếm hàm lượng từ 2% - 5% trong gang và dưới 2% trong thép) do đó khi bỏ một phần carbon và các tạp chất trong gang lại thu được thép.

- Gang và thép là hai hợp kim quan trọng của sắt với carbon và một số nguyên tố khác (carbon chiếm hàm lượng từ 2% - 5% trong gang và dưới 2% trong thép). Thép có nhiều ưu điểm hơn sắt về độ cứng, độ đàn hồi, khả năng chịu lực nên được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng, giao thông. Gang cứng và giòn hơn thép, thường được dùng để đúc các chi tiết máy, ống dẫn nước, nắp cống, …

- Đuy – ra (duralumin) là hợp kim của nhôm với đồng, manganese, magnesium … Đuy – ra nhẹ tương đương với nhôm nhưng bền và cứng hơn nhiều, được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô …

- Gang, thép, đuy – ra nói riêng hay các hợp kim nói chung có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất về độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn và gỉ sét, phù hợp với nhiều ứng dụng do đó được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và cuộc sống.

1. Phương pháp điện phân nóng chảy để tách các kim loại hoạt động hóa học mạnh.

2. Phương pháp nhiệt luyện để tách kim loại trung bình như Zn, Fe.

Các bước cơ bản trong quy trình tách kim loại từ quặng là:

- Loại bỏ tạp chất như đất, đá, cát,…

- Lựa chọn phương pháp tách kim loại phù hợp

- Thực hiện phương pháp đã chọn để tách kim loại

Kim loại thường tồn tại dưới các dạng hợp chất như mỏ muối, quặng. Có nhiều phương pháp để sản xuất kim loại như: điện phân nóng chảy, thủy luyện, nhiệt luyện.

1. Giống nhau: đều tạo thành kim loại sau phản ứng tách

Khác nhau: tách sắt từ oxide (Fe₂O₃) bởi carbon monoxide; tách kẽm từ muối (ZnS) bằng cách đốt cháy ZnS để tạo ZnO và từ đó dùng carbon để tách ZnO.

2. Na không sử dụng phương pháp nhiệt luyện được vì Na là một kim loại mạnh nên không thể dùng C, CO, H₂ để tác dụng với Na₂O ở nhiệt độ cao.

Giai đoạn chính của quá trình sản xuất gang:

- Tạo CO:

C + O₂ \(\underrightarrow{t^o}\) CO₂

C + CO₂ \(\underrightarrow{t^o}\) 2CO

- Tạo gang từ quặng:

3CO + Fe₂O₃ \(\underrightarrow{t^o}\) 2Fe + 3CO₂

- Tạo xỉ, tách xỉ thu được gang:

CaO + SiO₂ \(\underrightarrow{t^o}\) CaSiO₃