Bài 20. Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim
Nội dung lý thuyết
I. Phương pháp tách kim loại
- Trong tự nhiên, kim loại chủ yếu tồn tại ở trong quặng dưới dạng hợp chất như oxide, muối.
- Ví dụ: aluminium oxide là thành phần chủ yếu trong quặng bauxite; iron(III) oxide là thành phần chủ yếu trong quặng hematite; zinc sulfide là thành phần chủ yếu trong quặng sphalerite. Một số kim loại quý như vàng có thể tồn tại dưới dạng đơn chất trong các hạt nhỏ li ti, nằm lẫn trong đất, cát.
- Từ các quặng kim loại, người ta làm giàu quặng bằng cách loại bỏ các tạp chất như đất, cát, đá,...
- Sau đó, tuỳ thuộc vào mức độ hoạt động hoá học của kim loại, có thể lựa chọn phương pháp hoá học phù hợp để tách kim loại ra khỏi hợp chất của nó:
+ Phương pháp điện phân nóng chảy được áp dụng để tách các kim loại hoạt động hoá học mạnh như Na, Ca, Mg, Al,...
+ Phương pháp nhiệt luyện thường được dùng để tách các kim loại hoạt động hoá học trung bình như Fe, Zn,.... có thể dùng các chất như C, CO, H2, Al,... tác dụng với oxide kim loại ở nhiệt độ cao, thu được kim loại.
+ Ngoài hai phương pháp trên, người ta còn dùng phương pháp thuỷ luyện để tách các kim loại hoạt động hoá học yếu như Ag, Au,...
II. Quá trình tách một số kim loại có nhiều ứng dụng
1. Tách nhôm ra khỏi aluminium oxide bằng phản ứng điện phân
- Nguyên liệu: quặng bauxite (thành phần chính là Al2O3).
- Quá trình điện phân nóng chảy: Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy aluminium oxide nóng chảy, theo phản ứng sau:
2. Tách sắt ra khỏi iron (III) oxide
Ở nhiệt độ cao, sắt được tách ra khỏi iron (III) oxide bởi carbon monoxide:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
3. Tách kẽm ra khỏi zinc sulfide
- Quặng chứa zinc sulfide (ZnS) được đốt trong không khí để chuyển zinc sulfide thành zinc oxide (ZnO):
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
- Tiếp theo, kẽm được tách ra khỏi zinc oxide bởi carbon:
ZnO + C → Zn + CO
II. Hợp kim
1. Khái niệm hợp kim
- 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 kim loại chiếm thành phần chính trong hợp kim.
- Ví dụ: thép có kim loại cơ bản là sắt, đuy-ra (duralumin) có kim loại cơ bản là nhôm,…
2. Ưu điểm của hợp kim
- Hợp kim thường có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất về độ cứng, độ bến, khả năng chống ăn mòn và gỉ sét, phù hợp với nhiều ứng dụng.
- Do đó, chúng được sử dụng phổ biến trong đời sống và trong công nghiệp.
3. Một số hợp kim phổ biến
- 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% đến 5% trong gang và dưới 2% trong thép). Hiện nay, chúng là những vật liệu kim loại phổ biến nhất trên thế giới.
- Thép có nhiều ưu điểm hơn sắt về độ cứng, độ đàn hồi, khả năng chịu lực nên được sử dụng rộng rãi 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....
- Inox là một loại thép đặc biệt, ngoài sắt và carbon còn có các nguyên tố khác như chromium, nickel. Inox cứng và khó bị gỉ, được sử dụng làm đồ gia dụng, thiết bị y tế,...
- Đuy-ra (duralumin) là hợp kim của nhôm với đồng, manganese, magnesium,... Đuy-ra nhẹ tương đương nhóm nhưng bền và cứng hơn nhiều, được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô,...
III. Sản xuất gang, thép
Sắt tinh khiết hầu như không được sử dụng trong cuộc sống, nhưng các hợp kim của sắt là gang và thép lại được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và đời sống.
1. Sản xuất gang từ nguồn quặng chứa iron (III) oxide
- Nguyên liệu: quặng sắt (thường là quặng hematite với thành phần chính là Fe2O3), than cốc và chất tạo xỉ như CaCO3, SiO2,…
- Quặng sắt, than cốc, đá vôi được đưa vào lò cao qua miệng lò, chuyển dần từ trên xuống. Không khí nóng được thổi từ dưới lên.
- Các giai đoạn chính của quá trình sản xuất gang:
+ Phản ứng tạo thành khí CO:
C + O2 → CO2
C + CO2 → 2CO
+ Khí CO phản ứng với các oxide của sắt có trong quặng:
3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2
Sắt nóng chảy hoà tan một lượng nhỏ carbon cùng một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng.
+ Đá vôi bị phân huỷ thành CaO. CaO kết hợp với các oxide như SiO2 trong quặng tạo thành xỉ:
CaO + SiO2 → CaSiO3
+ Xỉ nhẹ, nổi lên trên gang lỏng, được đưa ra ngoài cửa tháo xỉ.
+ Khí thải tạo thành trong lò cao được đưa ra ngoài qua cửa ở gần miệng lò.
2. Sản xuất thép
- Nguyên liệu chính để sản xuất thép là gang (hoặc thép phế liệu) và khí oxygen.
- Trong quá trình sản xuất thép, khí oxygen được thổi vào lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao, đốt cháy các tạp chất trong gang.
- Các oxide tạo thành ở dạng khí (CO2, SO2,...) sẽ thoát ra theo khí thải, còn các oxide dạng rắn (SiO2, MnO2,...) sẽ tạo xỉ nhẹ, nổi lên trên thép lỏng và được tách ra để thu lấy thép.
