Điều chế kim loại: thủy luyện, nhiệt luyện, điện phân, sản xuất gang thép và bài tập có đáp án Hóa 12

Điều chế kim loại là khử ion kim loại thành kim loại tự do bằng ba phương pháp: thủy luyện, nhiệt luyện và điện phân. Cách chọn phương pháp theo độ hoạt động của kim loại, sản xuất gang trong lò cao, sản xuất nhôm, ví dụ tính toán và bài tập có đáp án Hóa 12.

Điều chế kim loại là gì?

Điều chế kim loại là quá trình khử ion kim loại trong hợp chất thành nguyên tử kim loại: $\ce{M^{n+} + ne -> M}$. Tùy mức độ hoạt động của kim loại, người ta chọn một trong ba phương pháp: thủy luyện, nhiệt luyện hoặc điện phân.

Ba phương pháp điều chế

Phương pháp	Nguyên tắc	Dùng cho	Ví dụ
Thủy luyện	Dùng kim loại mạnh hơn đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch muối	Kim loại yếu như Cu, Ag, Au	$\ce{Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu}$
Nhiệt luyện	Dùng chất khử (C, CO, $\ce{H2}$, Al) ở nhiệt độ cao khử oxide	Kim loại sau Al	$\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}$; $\ce{CuO + H2 -> Cu + H2O}$
Điện phân nóng chảy	Điện phân muối hoặc oxide nóng chảy	Kim loại mạnh: K, Na, Ca, Mg, Al	$\ce{2Al2O3 -> 4Al + 3O2}$
Điện phân dung dịch	Điện phân dung dịch muối	Kim loại trung bình, yếu	$\ce{2CuSO4 + 2H2O -> 2Cu + O2 + 2H2SO4}$

Ví dụ 1

Khử hoàn toàn $16$ g $\ce{Fe2O3}$ bằng CO dư. Tính khối lượng Fe.

$n_{\ce{Fe2O3}} = 0{,}1$ mol nên $n_{\ce{Fe}} = 0{,}2$ mol, $m = 11{,}2$ g.

Ví dụ 2

Cần bao nhiêu kg $\ce{Al2O3}$ để sản xuất $54$ kg Al với hiệu suất $90\%$?

$n_{\ce{Al}} = 2$ kmol nên $n_{\ce{Al2O3}} = 1$ kmol ($102$ kg) theo lí thuyết; thực tế $102 : 0{,}9 \approx 113{,}3$ kg.

Xem bài: Dãy điện hóa của kim loại

Sản xuất gang và nhôm

Trong lò cao, than cốc cháy: $\ce{C + O2 -> CO2}$, rồi $\ce{CO2 + C -> 2CO}$.
CO khử các oxide sắt theo từng bậc: $\ce{Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe}$; tổng quát $\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}$.
Gang là hợp kim Fe - C ($2$–$5\%$ C); luyện gang thành thép trong lò thổi oxygen, giảm hàm lượng C xuống dưới $2\%$.
Nhôm sản xuất bằng điện phân $\ce{Al2O3}$ nóng chảy hòa tan trong criolit để giảm nhiệt độ nóng chảy, tiết kiệm năng lượng.

Những lỗi thường gặp

Bài tập thực hành

Chọn phương pháp điều chế: Na, Cu, Fe, Al.
Viết phương trình khử $\ce{CuO}$ bằng $\ce{H2}$.
Khử $32$ g $\ce{Fe2O3}$ bằng CO. Tính khối lượng Fe.
Vì sao phải hòa tan $\ce{Al2O3}$ trong criolit khi điện phân?
Phân biệt gang và thép về hàm lượng carbon.

Đáp án

Na, Al: điện phân nóng chảy; Fe: nhiệt luyện; Cu: nhiệt luyện, thủy luyện hoặc điện phân dung dịch.
$\ce{CuO + H2 ->[t] Cu + H2O}$.
$n_{\ce{Fe2O3}} = 0{,}2$ mol nên $m_{\ce{Fe}} = 0{,}4 \cdot 56 = 22{,}4$ g.
Để hạ nhiệt độ nóng chảy ($2050\ ^\circ\text{C}$ xuống khoảng $900\ ^\circ\text{C}$), tăng độ dẫn điện và tiết kiệm năng lượng.
Gang chứa $2$–$5\%$ C, thép chứa dưới $2\%$ C.