Lý thuyết Hóa học 12 Bài 15: Tách kim loại và tái chế kim loại - Cánh diều

---

Haylamdo biên soạn tóm tắt lý thuyết Hóa 12 Bài 15: Tách kim loại và tái chế kim loại sách Cánh diều hay nhất, chi tiết sẽ giúp học sinh lớp 12 nắm vững kiến thức trọng tâm, ôn luyện để học tốt môn Hóa học 12.

Lý thuyết Hóa 12 Bài 15: Tách kim loại và tái chế kim loại - Cánh diều

I. Trạng thái tự nhiên của kim loại

- Các nguyên tố kim loại tồn tại trong vỏ Trái Đất, nước mặt, nước ngầm và cơ thể sinh vật.

+ 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 có trong xương và răng; các nguyên tố như potassium, sắt, đồng,... có trong máu.

Bảng 15.1. Một số khoáng vật phổ biến cùa kim loại

NGUYÊN TỐ	MỘT SỐ KHOÁNG VẬT (THÀNH PHẦN CHÍNH)
Nhôm (aluminium)	bauxite (Al2O3.2H2O)
Sắt (iron)	hematite (Fe2O3), pyrite (FeS2)
Calcium	calcite (CaCO3)
Natri (sodium)	halite (NaCl)
Kẽm (zinc)	sphalerite (ZnS)
Đồng (copper)	chalcopyrite (CuFeS2)

- Quặng kim loại chứa các khoáng vật tạo bởi hợp chất của kim loại hoặc đơn chất kim loại và tạp chất.

Ví dụ: Quặng chứa khoáng vật hematite (có thành phần chính là Fe₂O₃) hay quặng chứa khoáng vật pyrite (có thành phần chính là FeS₂),... đều được gọi là quặng sắt.

- Nhôm và sắt là những nguyên tố kim loại chiếm hàm lượng cao trong vỏ Trái Đất nên 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 lí quặng bằng các quá trình vật lí (nghiền, tuyển,...) và quá trình hoá học (hoà tan, chuyển hoá,...) để thu được hợp chất của kim loại.

+ Sử dụng phương pháp phù hợp (thường là nhiệt luyện, thuỷ luyện hoặc điện phân) để tách kim loại ra khỏi hợp chất (thực hiện phản ứng khử cation kim loại thành nguyên tử):

Mⁿ⁺ + ne → M

- Tuỳ thuộc vào độ hoạt động hoá học của kim loại, cần áp dụng phương pháp phù hợp để tách chúng ra khỏi hợp chất.

1. Phương pháp tách các kim loại hoạt động hóa học trung bình và yếu

	PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN	PHƯƠNG PHÁP THỦY LUYỆN
Nguyên tắc	Thường được dùng để tách các kim loại hoạt động hoá học trung bình và yếu như Zn, Fe, Sn, Pb, Cu,... ra khỏi các oxide bằng các chất khử phù hợp và phổ biến như C, CO,... ở nhiệt độ cao.	Thường được dùng để tách những kim loại hoạt động hoá học yếu như Cu, Ag, Au,... ra khỏi dung dịch muối của chúng bằng các kim loại có tính khử mạnh hơn như Fe, Zn,...
Ví dụ	Tách Fe bằng cách khử Fe2O3 bởi CO theo phương trình hoá học: Fe2O3(s) + 3CO(g) $\stackrel{t^o}{\to }$  2Fe(l) + 3CO2(g) Tách Zn bằng cách khử ZnO bời c theo phương trình hoá học: ZnO(s) + C(s) $\stackrel{t^o}{\to }$  Zn(g) + CO(g) Sau phản ứng, làm nguội, hơi kẽm ngưng tụ thành kẽm ở thể lỏng hoặc rắn.	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

Việc tách kim loại hoạt động hoá học mạnh ra khỏi hợp chất thường được thực hiện bằng phươug pháp điện phân các hợp chất của chúng ở trạng thái nóng chảy.

Thực tế, để tách các kim loại thuộc nhóm IA, IIA và nhôm phải 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) $\stackrel{đpnc}{\to }$  2Mg(l) + Cl₂(g)

Trong đó, tại anode và cathode xảy ra các quá trình sau:

Anode (+) : 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Cathode (-): Mg²⁺ + 2e → Mg

Chú ý: 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 cùa 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. Phế liệu kim loại là các kim loại, hợp kim có trong thiết bị, máy móc, vật dụng hỏng, cũ, không còn sử dụng được nữa.

1. Nhu cầu tái chế kim loại

Nhu cầu sử dụng kim loại của con người ngày càng lớn. Trong khi đó, nguồn quặng để sản xuất kim loại ngày càng cạn kiệt, quá trình khai thác quặng và tách kim loại từ quặng tiêu tốn nhiều năng lượng, đồng thời tác động tiêu cực đến môi trường. Vì vậy, việc tái chế kim loại từ phế liệu kim loại là rất cần thiết, vừa đáp ứng 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 nhiêu 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: