Bài 15. Tách kim loại và tái chế kim loại
Nội dung lý thuyết
I. Trạng thái tự nhiên của kim loại
- Trong vỏ Trái Đất, đa số các nguyên tố kim loại tồn tại ở dạng hợp chất oxide và muối không tan, một số kim loại quý tồn tại ở dạng đơn chất hoặc hợp kim.
- Trong nước mặt và nước ngầm, các nguyên tố kim loại tồn tại ở dạng cation như Na+, Mg2+, Ca2+,….
- Trong cơ thể sinh vật, nguyên tố calcium (Cd) có trong xương và răng; các nguyên tố như potassium (K), sắt (Fe), đồng (Cu),… có trong máu.
- Quặng kim loại chứa các khoáng vật tạo bởi hợp chất của kim loại hoặc đơn chất kim loại và tạp chất.
- Nhôm và sắt là những nguyên tố kim loại chiếm hàm lượng cao trong vỏ Trái Đất ⇒ Quặng nhôm và quặng sắt là các quặng kim loại phổ biến nhất.
II. Phương pháp tách kim loại
- Quặng kim loại thường chứa nhiều tạp chất. Để tách được kim loại từ quặng, cần thực hiện hai giai đoạn chính sau:
+ Xử lý bằng các quá trình vật lý và hoá học để thu được các hợp chất của kim loại.
+ Sử dụng phương pháp phù hợp để tách kim loại khỏi hợp chất.
- Để tách kim loại khỏi hợp chất cần khử ion kim loại thành nguyên tử:
Mn+ + ne → M
1. Phương pháp tách các kim loại hoạt động hóa học trung bình và yếu
| Phương pháp nhiệt luyện | Phương pháp thuỷ luyện |
- Khử các oxide kim loại ở nhiệt độ cao bằng chất khử như C, CO,… - Một số kim loại được điều chế bằng phương pháp này: Fe, Cu, Zn, Pb, Sn,… | - Nguyên tắc: Dùng các kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn,… đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng. - Một số kim loại được điều chế bằng phương pháp này: Cu, Ag, Au,… |
- Tách Zn bằng cách khử ZnO bởi C theo phương trình hoá học: ZnO(s) + C(s) \(\underrightarrow{t^o}\)Zn(g) + CO(g) | - Tách Cu ra khỏi dung dịch CuSO4 bằng Fe theo phương trình hoá học: Fe(s) + CuSO4(aq) → Cu(s) + FeSO4(aq) |
2. Phương pháp tách kim loại hoạt động hóa học mạnh
- Kim loại hoạt động hóa học mạnh được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.
- Kim loại nhóm IA, nhóm IIA và nhôm được tách bằng cách điện phân muối halide hoặc oxide của chúng ở trạng thái nóng chảy.
- Phương pháp này tốn nhiều năng lượng.
- Ví dụ: Tách magnesium bằng cách điện phân magnesium chloride nóng chảy với điện cực than chì (graphite) theo phương trình hoá học dưới đây:
2MgCl2(l) \(\underrightarrow{đpnc}\) 2Mg(s) + Cl2(g)
Trong đó, tại anode và cathode xảy ra các quá trình sau:
anode (+) : 2Cl- → Cl2 + 2e
cathode (-): Mg2+ + 2e → Mg
2MgCl2(l) \(\underrightarrow{đpnc}\) 2Mg(s) + Cl2(g)
Trong đó, tại anode và cathode xảy ra các quá trình sau:
anode (+) : 2Cl- → Cl2 + 2e
cathode (-): Mg2+ + 2e → Mg
- Phương pháp điện phân cũng có thể được áp dụng để diều 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.
III. Tái chế kim loại
- Tái chế kim loại là quá trình thu kim loại từ các phế liệu kim loại - kim loại, hợp kim có trong thiết bị, máy móc, vật dụng cũ, hỏng, không còn sử dụng được nữa.
1. Nhu cầu tái chế kim loại
- Việc tái chế kim loại từ phế liệu kim loại là rất cần thiết, vừa đáp ứng được nhu cầu sử dụng, vừa góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường.
2. Thực tiễn tái chế kim loại
- Hiện nay, mỗi năm, trên thế giới có hàng trăm triệu tấn kim loại được tái chế từ phế liệu kim loại. Do nhu cầu sử dụng cao nên lượng sắt, thép được tái chế nhiều hơn, tiếp theo là nhôm và đồng.
- Việc tái chế các kim loại phổ biến (như sắt, thép, nhôm, đồng) thường được thực hiện qua các công đoạn theo sơ đồ dưới đây:
