Bài 20. Kim loại trong tự nhiên và phương pháp tách kim loại

a) Trạng thái tồn tại

1. Ở dạng tự do:

• Kim loại kém hoạt động: Au, Ag, Pt
• Không bị oxi hóa trong tự nhiên

2. Ở dạng hợp chất:

• Kim loại hoạt động: Na, K, Ca, Mg, Al, Fe, Zn, Cu...
• Dạng oxit, sulfide, carbonate, silicate...

b) Quặng kim loại quan trọng

c) Trữ lượng kim loại

Trong vỏ Trái Đất (% khối lượng):

• Al: 8.1% (nhiều nhất)
• Fe: 5.0%
• Ca: 3.6%
• Na: 2.8%
• Mg: 2.1%

a) Nguyên tắc chung

Khử ion kim loại thành kim loại:

M^n+ + ne⁻ → M

Chất khử: C, CO, H₂, Al, điện phân

b) Phương pháp nhiệt luyện

Nguyên tắc: Dùng chất khử (C, CO, H₂) ở nhiệt độ cao

1. Khử bằng carbon (C):

ZnO + C → Zn + CO (t°)

SnO₂ + 2C → Sn + 2CO (t°)

2. Khử bằng CO:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (t°)

CuO + CO → Cu + CO₂ (t°)

3. Khử bằng H₂:

CuO + H₂ → Cu + H₂O (t°)

WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O (t°)

Ứng dụng: Sản xuất Fe, Cu, Zn, Sn, Pb...

c) Phương pháp thủy luyện

Nguyên tắc: Hòa tan quặng → Khử ion kim loại trong dung dịch

Ví dụ sản xuất Cu:

Bước 1: Hòa tan quặng

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

Bước 2: Khử Cu²⁺

CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu↓

Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng, ít ô nhiễm

d) Phương pháp điện phân

1. Điện phân nóng chảy:

Sản xuất kim loại hoạt động mạnh (Na, K, Ca, Mg, Al)

Ví dụ sản xuất Al:

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ (điện phân nóng chảy)

2. Điện phân dung dịch:

Tinh chế kim loại (Cu, Ag, Au)

Ví dụ tinh chế Cu:

• Anode (+): Cu không tinh khiết
• Cathode (-): Cu tinh khiết
• Điện ly: CuSO₄

Anode: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻

Cathode: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

e) Phương pháp nhiệt nhôm

Nguyên tắc: Dùng Al khử oxit kim loại ở nhiệt độ cao

Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃ (t°)

3MnO₂ + 4Al → 3Mn + 2Al₂O₃ (t°)

Ứng dụng:

• Sản xuất Cr, Mn, V, Ti
• Hàn ray xe lửa

a) Sản xuất gang và thép

Nguyên liệu: Quặng Fe (Fe₂O₃, Fe₃O₄), than cốc (C), đá vôi (CaCO₃)

Thiết bị: Lò cao

Phản ứng:

C + O₂ → CO₂ (cháy)

CO₂ + C → 2CO (t°)

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (t°)

Sản phẩm:

• Gang: 2-5% C, cứng, giòn
• Thép: < 2% C, cứng, dai

b) Sản xuất nhôm

Nguyên liệu: Boxit (Al₂O₃·nH₂O)

Phương pháp: Điện phân nóng chảy Al₂O₃

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Đặc điểm:

• Tiêu tốn điện năng lớn (15 kWh/kg Al)
• Nhiệt độ: 950-1000°C

c) Sản xuất đồng

Phương pháp 1: Nhiệt luyện

2CuFeS₂ + 4O₂ → Cu₂S + 2FeO + 3SO₂

Cu₂S + O₂ → 2Cu + SO₂

Phương pháp 2: Thủy luyện

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu

Tinh chế: Điện phân dung dịch CuSO₄