Nguyên tắc điều chế kim loại và các phương pháp điều chế kim loại

Nguyên tắc điều chế kim loại và các phương pháp điều chế kim loại được VnDoc biên soạn tổng hợp đưa ra nguyên tắc điều chế kim loại, cũng như các dạng bài tập điều chế kim loại giúp các bạn học sinh có thể ghi nhớ vận dụng các phương pháp điều chế kim loại vào các dnagj bài tập câu hỏi. Mời các bạn tham khảo.

I. Nguyên tắc điều chế kim loại

Thực hiện phản ứng khử ion kim loại thành kim (Mⁿ⁺ ) loại thành kim loại tự do (M)

Mⁿ⁺ + ne → M

Thí dụ:

Na⁺ + 1e → Na

Cu²⁺ + 2e → Cu

II. Các phương pháp điều chế kim loại 

1. Phương pháp thủy luyện

a. Nguyên tắc chung: Dùng kim loại tự do có tính khử mạnh đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch muối của nó.

b. Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong phòng thí nghiệm để điều chế các kim loại có tính khử yếu như: Pb, Ag, Cu,...

Thí dụ:

Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag

c. Lưu ý khi dùng phương pháp thủy luyện

Ba điều kiện để kim loại A đẩy được kim loại B ra khỏi dung dịch muối của nó dưới dạng tự do là:

• Điểu kiện 1: Kim loại A phải hoạt động mạnh hơn kim loại B (nghĩa là A đứng trước B trong dãy điện hóa)
• Điều kiện 2: Kim loại A và kim loại B đều phải không tan trong nước ở điều kiện thường.

Ví dụ: Na + CuSO₄ sẽ xảy ra các phản ứng sau:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

(kết tủa màu xanh)

• Điều kiện 3: Muối B (tham gia phản ứng) và muối của A (tạo thành) đều là muối tan.

Thí dụ: Zn + PbSO₄ không phản ứng vì PbSO₄ không tan

2. Phương pháp nhiệt luyện

a. Nguyên tắc: Dùng chất khử thích hợp như CO, C, Al, H₂ khử ion kim loại trong oxit của chúng ở nhiệt độ cao.

b. Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong công nghiệp với kim loại có tính khử trung bình đến yếu (sau Al).

Thí dụ:

3Fe₃O₄ + 8Al → 9Fe + 4Al₂O₃

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

c. Lưu ý

Để thu được kim loại tính khiết nên dùng CO hay H₂ dư (vì khí dư sẽ thoát ra, không ảnh hưởng đến độ tinh khiết của kim loại cần điều chế).

Nếu dùng CO thiếu để khử oxit sắt ở nhiệt độ cao (do sắt có nhiều hóa trị) quá trình phản ứng xảy ra theo từng giai đoạn

Có thể dùng nhiệt để phân hủy một số hợp chất (oxit, muối, ...) của các kim loại yếu để điều chế kim loại tự do.

Trường hợp quặng là sunfua kim loại như Cu₂S, ZnS, FeS₂…thì phải chuyển sunfua kim loại thành oxit kim loại. Sau đó khử oxit kim loại bằng chất khử thích hợp

Ví dụ với ZnS:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

ZnO + C → Zn + CO

3. Phương pháp điện phân

Nguyên tắc chung: Dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại thành kim loại tự do

Phạm vi áp dụng: Bằng phương pháp điện phân có thể điều chế được hầu hết các kim loại

Lưu ý: 

Khác với phản ứng oxi hóa – khử thông thường, phản ứng điện phân do tác dụng của điện năng và các chất trong môi trường điện phân không trực tiếp cho nhau electron mà phải truyền qua dây dẫn.

K Ca Na Mg Al Zn Fe ..... Pt Au

3.1. Điện phân chất điện li nóng chảy

Điều chế được hầu hết các kim loại. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ dùng điều chế các kim loại như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al. Vì phương pháp này tốn kém hơn so với phương pháp điện phân dung dịch.

3.2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

Điều chế các kim loại trung bình, yếu (sau Al).

Mⁿ⁺ + ne → M

* Lưu ý:

Nếu điện phân dung dịch mà có các ion K⁺, Ca²⁺, Na+, Mg²⁺, Al³⁺ thì nước sẽ tham gia điện phân.

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–

Nếu trong dung dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước.

Ví dụ: Điện phân dung dịch mà catot có chứa các ion Na⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Ag⁺ và Zn²⁺ thì thứ tự điện phân sẽ là

Ag⁺ + 1e → Ag

Cu²⁺ + 2e → Cu

Fe²⁺ + 2e → Fe

Zn²⁺ + 2e → Zn

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–

Các ion H⁺ của axit dễ bị khử hơn các ion H+ của nước

Ví dụ 1: Viết sơ đồ điện phân nóng chảy NaCl

Catot ( – ) ← NaCl→  Anot ( + )

2Na⁺ + e → Na                   2Cl^- → Cl₂ + 2e

Phương trình điện phân là:

2NaCl → 2Na + Cl₂

Ví dụ 2: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy pha thêm criolit (Na₃AlF₆) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – ) ← Al₂O₃ → Anot ( + )

Al³⁺ + 3e → Al           2O^2- → O₂ + 4e

Phương trình điện phân là:

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

3.3. Định luật Faraday

Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của chất

Trong đó:

m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

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 (A)

t: thời gian điện phân (s)

F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10^-19.6,022.10²³ ≈ 96500 C.mol^-1)

III. Bài tập điều chế kim loại

Hướng dẫn giải bài tập

Khi oxit bị khử bởi CO:

n_O(oxit) = n_CO = 6,72/22,4 = 0,3 mol

Bảo toàn nguyên tố Oxi: 3n_Fe2O3 = n_O(oxit) = 0,3.

=> n_Fe2O3 = 0,1 mol

=> m = 160.0,1 = 16 gam

Hướng dẫn giải bài tập

Gọi x, y lần lượt là số mol của: n_CO = x (mol); n_CO2 = y (mol)

Theo đề bài

n_hh = 11,2/22,4 = 0,5 mol

Ta có hệ phương trình:

n_hh = x + y = 0,5

m_hh = 28x + 44y = 0,5.(20,8.2)

x = 0,1

y = 0,4

n_COpư = n_CO2 = 0,4 mol

BTKL: m_COpu  + m_X = m_A + m_CO2

→ m_X = 64 − 0.4 (44−28) = 70,4g

Hướng dẫn giải bài tập

n_Ag+ = 0,1 mol;

n_Cu2+ = 0,2 mol

Nếu Ag+ phản ứng hết :

Fe + 2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag

0,1 ← 0,2 → 0,2

=> m_tăng = 0,2.108 – 0,1.56 = 16 < 17,6

=> Ag⁺ phản ứng hết; Cu²⁺ phản ứng 1 phần

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

x → x → x

=> m_^tăng = 64x – 56x = 16x

=> tổng khối lượng tăng ở 2 phản ứng là:

m_tăng = 16 + 16x =  17,6 => x = 0,1 mol

=> m_{kim loại bám vào} = m_Ag + m_Cu = 17,2 gam

Hướng dẫn giải bài tập

n_NO2 = 0,39 mol

Xét toàn bộ quá trình chỉ có CO cho e (tạo CO₂) và HNO₃ nhận e (tạo NO₂)

Bảo toàn e: 2.n_CO = n_NO2 => n_CO = 0,195 mol

=> n_CO2 = n_CO = 0,195 mol

Bảo toàn khối lượng: m_CO + m_Fe2O3 = m_CO2 + m_{hh oxit}

=> m_Fe2O3 = 0,195.44 + 20,88 – 0,195.28 = 24 gam

Hướng dẫn giải bài tập

n_Fe = 0,02 mol; n_AgNO3 = 0,06 mol; n_Cu(NO3)2 = 0,1 mol

n_{e Fe cho tối đa} = 0,02.3 = 0,06 mol = n_{e Ag+} nhận tối đa

=> Fe phản ứng hết với Ag, tạo thành Fe³⁺ và Ag

=> n_Ag = n_AgNO3 = 0,06 mol => m = 0,06.108 = 6,48 gam

Hướng dẫn giải bài tập

n_FeCl3 = 0,15mol => m_{Fe tối đa sinh ra} = 0,3. 56 = 16,8 gam > 7,84 gam

=> chất rắn chỉ có Fe, còn Zn đã phản ứng hết

n_Fe = 7,84/56 = 0,14 mol

FeCl₃ phản ứng với Zn tạo thành Fe (0,14 mol) và FeCl₂ (0,3 – 0,14 = 0,16 mol)

Bảo toàn e: 2n_Zn = 3n_Fe + nFeCl₂ => n_Zn = 0,29 mol

=> m = 18,85 gam

Hướng dẫn giải bài tập

n_O2 = 0,125 mol

Catot: Cu²⁺ + 2e → Cu

Anot: 2H₂O → O₂ ↑ + 4H⁺ + 4e

=> n_{e trao đổi} = 4.n_O2 = 0,5 mol

=> n_Cu = 0,5 / 2 = 0,25 mol => m = 16 gam

Hướng dẫn giải bài tập

NaCl → Na + Cl₂

H₂O → H₂ + O₂

H₂ + Cl₂ → 2HCl

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

CaCl₂ → Ca + Cl₂

K₂CO₃ + 2HCl → 2KCl + CO₂ + H₂O

KCl → K + Cl₂

Phương pháp thủy luyện: thường dùng trong phòng thí nghiệm để điều chế các kim loại sau Mg (thường là kim loại yếu).

Phương pháp nhiệt luyện: thường dùng trong công nghiệp với kim loại sau Al.

Phương pháp điện phân:

+ Điện phân nóng chảy: thường dùng để điều chế kim loại hoạt động mạnh (từ Al trở về đầu dãy).

+ Điện phân dung dịch muối: thường dùng để điều chế kim loại hoạt động trung bình và yếu (sau Al trong dãy hoạt động hóa học).

IV. Câu hỏi trắc nghiệm điều chế kim loại 

Câu 1. Để điều chế Al kim loại ta có thể dùng phương pháp nào trong các phương pháp sau đây ?

A. Dùng Zn đẩy AlCl₃ ra khỏi muối

B. Dùng CO khử Al₂O₃

C. Điện phân nóng chảy Al₂O₃

D. Điện phân dung dịch AlCl₃

Câu 2. Dãy các kim loại nào sau đây được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện?

A. Na, Mg, Fe

B. Ni, Fe, Pb

C. Zn, Al, Cu

D. K, Mg, Cu

Câu 3. Kim loại nào sau đây có thể điều chế được bằng phản ứng nhiệt nhôm?

A. Na.

B. Al

C. Ca.

D. Fe.

Câu 4. Hai kim loại nào sau đây có thể điều chế bằng phương pháp thủy luyện

A. Fe và Ca

B. Mg và Na

C. Ag và Cu

D. Fe và Ba

Câu 5. Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là

A. oxi hóa kim loại thành ion kim loại.

B. khử kim loại thành ion kim loại.

C. khử ion kim loại thành kim loại.

D. oxi hóa ion kim loại thành kim loại.

Câu 6. Điều chế kim loại K bằng phương pháp

A. Dùng khí CO khử ion K⁺ trong K₂O ở nhiệt độ cao

B. Điện phân dung dịch KCl không có màng ngăn

C. Điện phân dung dịch KCl có màng ngăn

D. Điện phân KCl nóng chảy

Câu 7. Khẳng định nào sau đây là đúng về:

A. Nguyên tắc chung được dùng để điều chế kim loại là khử ion kim loại trong hợp chất thành nguyên tử kim loại.

B. Nguyên tắc chung được dùng để điều chế kim loại là cho hợp chất chứa ion kim loại tác dụng với chất oxi hoá.

C. Nguyên tắc chung được dùng để điều chế kim loại là cho hợp chất chứa ion kim loại tác dụng với chất khử.

D.Nguyên tắc chung được dùng để điều chế kim loại là oxi hoá ion kim loại trong hợp chất thành nguyên tử kim loại.

Câu 8. Phương trình hóa học nào sau đây biểu diễn cách điều chế Ag từ AgNO₃ theo phương pháp thuỷ luyện?

A. 2AgNO₃ + Zn → 2Ag + Zn(NO₃)₂

B. 2AgNO₃ → 2Ag + 2NO₂ + O₂

C. 4AgNO₃ + 2H₂O → 4Ag + 4HNO₃ + O₂

D. Ag₂O + CO → Ag + CO₂

Câu 9. Để điều chế K kim loại người ta có thể dùng các phương pháp sau:

(1) Điện phân dung dịch KCl có vách ngăn xốp.

(2) Điện phân KCl nóng chảy.

(3) Dùng Li để khử K ra khỏi dd KCl

(4) Dùng CO để khử K ra khỏi K₂O.

(5) Điện phân nóng chảy KOH Phương pháp nào thu được K?

A. Chỉ có 1, 2.

B. Chỉ có 2, 5.

C. Chỉ có 3, 4, 5.

D. 1, 2, 3, 4, 5.

Câu 10. Dung dịch FeSO₄ có lẫn tạp chất CuSO₄. Phương pháp hoá học đơn giản để loại được tạp chất là

A. Điện phân dung dịch với điện cực trơ đến khi hết màu xanh.

B. Chuyển hai muối thành hiđroxit; nhiệt phân thành oxit kim loại; khử bằng CO dư; rồi cho chất rắn vào dung dịch H₂SO₄ loãng dư.

C. Cho Mg vào dung dịch cho đến khi hết màu xanh.

D. Cho Fe dư vào dung dịch, sau khi phản ứng xong lọc bỏ chất rắn.

Câu 11: Trong công nghiệp, kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ được điều chế bằng phương pháp nào sau đây?

A. Điện phân dung dịch

B. Điện phân nóng chảy

C. Thủy luyện

D. Nhiệt luyện

Câu 12: Khi điều chế kim loại, các ion kim loại đóng vai trò là chất

A. khử

B. cho proton

C. bị khử

D. nhận proton

Câu 13: Hai kim loại có thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện là

A. Ca và Fe

B. Mg và Zn

C. Na và Cu

D. Fe và Cu

Câu 14: Cho các chất sau đây: NaOH, Na2CO3, NaCl, NaNO3 và Na2SO4. Có bao nhiêu chất điều chế được Na chỉ bằng 1 phản ứng ?

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

..........................................

VnDoc đã gửi tới nội dung tài liệu Nguyên tắc điều chế kim loại và các phương pháp điều chế kim loại, nội dung tài liệu đưa ra nguyên tắc điều chế kim loại cũng như các phương pháp để giúp các bạn học sinh hệ thống lại kiến thức trọng tâm. Hi vọng qua bài viết này bạn đọc có thêm tài liệu bổ ích nhé. Mời các bạn cùng tham khảo thêm Hóa lớp 12, Trắc nghiệm Hóa học 12, Phương trình phản ứng hóa học...

Chúc các bạn học tập tốt.

>> Mời các bạn tham khảo thêm một số tài liệu liên quan:

• Hai kim loại có thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện là
• Khi điều chế kim loại các ion kim loại đóng vai trò là
• Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là