Nguyên tắc điều chế kim loại và các phương pháp điều chế kim loại
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 2O2- → 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
\(m=\frac{A.I.t}{n.F}\)
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
Bài tập 1: Khử hoàn toàn m gam Fe2O3 cần vừa đủ 6,72 lít khí CO (đktc). Giá trị của m là
Hướng dẫn giải bài tập
Khi oxit bị khử bởi CO:
nO(oxit) = nCO = 6,72/22,4 = 0,3 mol
Bảo toàn nguyên tố Oxi: 3nFe2O3 = nO(oxit) = 0,3.
=> nFe2O3 = 0,1 mol
=> m = 160.0,1 = 16 gam
Bài tập 2: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3. Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m g hỗn hợp X nung nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64 g chất rắn A và 11,2 lít khí B (đktc) có tỉ khối so với hiđro là 20,4. Giá trị của a là
Hướng dẫn giải bài tập
Gọi x, y lần lượt là số mol của: nCO = x (mol); nCO2 = y (mol)
Theo đề bài
nhh = 11,2/22,4 = 0,5 mol
Ta có hệ phương trình:
nhh = x + y = 0,5
mhh = 28x + 44y = 0,5.(20,8.2)
x = 0,1
y = 0,4
nCOpư = nCO2 = 0,4 mol
BTKL: mCOpu + mX = mA + mCO2
→ mX = 64 − 0.4 (44−28) = 70,4g
Bài tập 3. Cho thanh sắt Fe vào dung dịch X chứa 0,2 mol AgNO3 và 0,4 mol Cu(NO3)2. Khi thấy thanh kim loại tăng lên 17,6 gam thì dừng lại. Tính khối lượng kim loại bám vào thanh sắt
Hướng dẫn giải bài tập
nAg+ = 0,1 mol;
nCu2+ = 0,2 mol
Nếu Ag+ phản ứng hết :
Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag
0,1 ← 0,2 → 0,2
=> mtăng = 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
=> mtăng = 64x – 56x = 16x
=> tổng khối lượng tăng ở 2 phản ứng là:
mtăng = 16 + 16x = 17,6 => x = 0,1 mol
=> mkim loại bám vào = mAg + mCu = 17,2 gam
Bài tập 4. Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 20,88 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 8,736 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Giá trị của m là
Hướng dẫn giải bài tập
nNO2 = 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.nCO = nNO2 => nCO = 0,195 mol
=> nCO2 = nCO = 0,195 mol
Bảo toàn khối lượng: mCO + mFe2O3 = mCO2 + mhh oxit
=> mFe2O3 = 0,195.44 + 20,88 – 0,195.28 = 24 gam
Bài tập 5. Cho 1,12 gam bột sắt vào 200 ml dung dịch gồm AgNO3 0,3M và Cu(NO3)2 0,5M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được m gam chất rắn X. Giá trị của m là
Hướng dẫn giải bài tập
nFe = 0,02 mol; nAgNO3 = 0,06 mol; nCu(NO3)2 = 0,1 mol
ne Fe cho tối đa = 0,02.3 = 0,06 mol = ne Ag+ nhận tối đa
=> Fe phản ứng hết với Ag, tạo thành Fe3+ và Ag
=> nAg = nAgNO3 = 0,06 mol => m = 0,06.108 = 6,48 gam
Bài tập 6. Cho m gam Zn vào dung dịch chứa 0,3 mol FeCl3. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 7,84 gam chất rắn. Giá trị của m là:
Hướng dẫn giải bài tập
nFeCl3 = 0,15mol => mFe tối đa sinh ra = 0,3. 56 = 16,8 gam > 7,84 gam
=> chất rắn chỉ có Fe, còn Zn đã phản ứng hết
nFe = 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: 2nZn = 3nFe + nFeCl2 => nZn = 0,29 mol
=> m = 18,85 gam
Bài tập 7. Điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực trơ, cường độ dòng điện 10A. Khi ở anot có 4 gam khí oxi bay ra thì ngưng. Khối lượng đồng thu được ở catot là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải bài tập
nO2 = 0,125 mol
Catot: Cu2+ + 2e → Cu
Anot: 2H2O → O2 ↑ + 4H+ + 4e
=> ne trao đổi = 4.nO2 = 0,5 mol
=> nCu = 0,5 / 2 = 0,25 mol => m = 16 gam
Bài tập 8. Từ các nguyên liệu NaCl, CaCO3, H2O, K2CO3 và các điều kiện cần thiết có đủ, có thể điều chế được các đơn chất nào?
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
Bài tập 9. Kim loại nào dưới đây điều chế được bằng cả 3 phương pháp (nhiệt luyện, thuỷ luyện, điện phân dung dịch muối)?
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.
Phản ứng nhiệt nhôm là dùng Al để khử các oxit kim loại sau Al trong dãy điện hóa
=> Fe là kim loại sau Al nên điều chế được bằng phương pháp này
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
Phương pháp thủy luyện dùng để điều chế kim loại trung bình và yếu (những kim loại đứng sau Al).
=> Kim loại Ag và Cu được điều chế bằng phương pháp thủy luyện.
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.
Nguyên tắc chung được dùng để điều chế kim loại là khử 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
Phương pháp thủy luyện là dùng các kim loại mạnh hơn (như Mg, Al) để khử ion kim loại thành kim loại cần điều chế
Phương trình hóa học: 2AgNO3 + Zn → 2Ag + Zn(NO3)2
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.
Để điều chế K người ta dùng phương pháp điện phân nóng chảy muối và bazơ của K
=> điện phân nóng chảy KCl và KOH
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.
Phương pháp hoá học đơn giản để loại được tạp chất là cho Fe dư vào dung dịch, sau khi phản ứng xong lọc bỏ chất rắn. Vì Fe loại bỏ được muối CuSO4
Theo phương trình hóa học
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
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:
