Tách kim loại, hợp kim; kim loại khác phi kim ở đâu
Chọn đúng phương pháp tách một kim loại theo vị trí trên dãy hoạt động, viết phương trình và tính khối lượng kim loại thu được từ quặng có hiệu suất, và phân biệt kim loại với phi kim.
Ứng với SGK Kết nối tri thức: Bài 20, Bài 21
⚡ Nhớ nhanh
- 1Hầu hết kim loại nằm trong quặng ở dạng hợp chất (ion dương). Tách kim loại là khử hợp chất đó thành kim loại. Chỉ Au (đôi khi Ag, Cu) gặp ở dạng đơn chất.
- 2Chọn phương pháp theo dãy hoạt động: kim loại mạnh (K, Na, Ca, Mg, Al) → điện phân nóng chảy · trung bình (Zn, Fe, Pb) → nhiệt luyện (C, CO) · yếu (Cu, Ag) → thuỷ luyện.
- 3Lò cao luyện gang (Fe₂O₃ + CO); nhôm điện phân Al₂O₃ nóng chảy có cryolite; kẽm: đốt ZnS thành ZnO rồi khử bằng C.
- 4Hợp kim là vật liệu kim loại có một kim loại chính trộn thêm nguyên tố khác. Gang 2–5% C (cứng, giòn), thép dưới 2% C (cứng, dẻo).
- 5Kim loại nhường electron → ion dương, cho oxide base. Phi kim nhận electron → ion âm, cho oxide acid.
- 6Bài tính có quặng: nhân tỉ lệ % Fe₂O₃, rồi nhân hiệu suất, cuối cùng chia cho % kim loại trong gang.
👀 Nhìn là hiểu
Chọn một kim loại trên dãy rồi xem đường đi quặng → phương pháp → kim loại. Bấm thử phương pháp khác để biết vì sao không hợp.
Đem thử phương pháp:
✅ Nhôm (Al) thuộc nhóm mạnh: dùng điện phân nóng chảy
Al thuộc nhóm mạnh, bám chặt vào hợp chất; chất khử thông thường không đủ sức, phải dùng dòng điện.
2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑ (điện phân nóng chảy, cryolite)
💡 Ion kim loại trong hợp chất nhận electron và trở thành kim loại: hợp chất bị khử.
Mẫu:
1 ⛏️ Chọn phương pháp tách kim loại
Cần nhớ
- ✦Quặng chứa kim loại ở dạng hợp chất: Al₂O₃ (bauxite), Fe₂O₃ (hematite), ZnS. Kim loại càng mạnh càng bám chặt vào hợp chất, càng khó tách, càng tốn năng lượng.
- ✦Tách kim loại nghĩa là khử hợp chất của kim loại thành kim loại: ion kim loại nhận electron và trở thành nguyên tử kim loại.
- ✦Nhiều kim loại chỉ có ở dạng hợp chất: nhôm là kim loại phổ biến nhất vỏ Trái Đất nhưng không có mẩu nhôm nguyên chất nào ngoài tự nhiên.
Ba phương pháp, chọn theo nhóm kim loại
| Nhóm | Phương pháp | Ví dụ |
|---|---|---|
| Mạnh: K, Na, Ca, Mg, Al | Điện phân nóng chảy (tốn nhiều điện) | 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑ |
| Trung bình: Zn, Fe, Pb | Nhiệt luyện: dùng C, CO ở nhiệt độ cao | Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ |
| Yếu: Cu, Ag | Thuỷ luyện: kim loại mạnh hơn đẩy ra khỏi dung dịch muối | Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu |
| Au | Gặp sẵn dạng tự do, chỉ cần đãi, tách cơ học | Hạt vàng trong cát |
Dạng bài
Chọn phương pháp và viết phương trình
- 1 Tìm vị trí của kim loại trên dãy: mạnh, trung bình hay yếu.
- 2 Chọn phương pháp tương ứng: điện phân nóng chảy / nhiệt luyện / thuỷ luyện.
- 3 Viết phương trình: sản phẩm là kim loại và phần còn lại (Cl₂, O₂, CO₂…).
- 4 Kiểm tra số nguyên tử mỗi nguyên tố hai vế ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Thuỷ luyện không dùng được cho Na, K, Ca: thả Na vào dung dịch CuSO₄ thì Na tác dụng với nước trước, không thu được Cu. Cũng không dùng C hay CO khử Al₂O₃: đốt than với Al₂O₃ bao lâu cũng không ra nhôm.
Nêu phương pháp tách Mg từ MgCl₂ và viết phương trình.
Hướng dẫn giải
2 🏭 Quy trình tách Fe, Al, Zn
Lò cao luyện gang (Fe)
- ✦Nạp quặng sắt (Fe₂O₃), than cốc, đá vôi từ đỉnh lò, thổi khí nóng giàu oxygen từ dưới lên.
- ✦Than cháy tạo CO: C + O₂ → CO₂ (t°), rồi CO₂ + C → 2CO (t°).
- ✦CO khử quặng: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (t°). Sắt nóng chảy chìm xuống đáy, hoà tan carbon thành gang.
- ✦Đá vôi tạo xỉ nổi lên trên: CaCO₃ → CaO + CO₂ (t°), CaO + SiO₂ → CaSiO₃. Muốn thành thép thì thổi oxygen đốt bớt carbon: C + O₂ → CO₂ (t°).
Nhôm và kẽm
| Kim loại | Các bước | Phương trình |
|---|---|---|
| Al từ bauxite | Tinh chế quặng được Al₂O₃ → điện phân nóng chảy, trộn cryolite để hạ nhiệt độ nóng chảy, tiết kiệm điện. Al ở cực âm, O₂ ở cực dương | 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑ |
| Zn từ ZnS | Đốt quặng trong không khí thành ZnO (khí SO₂ gây mưa acid, phải xử lí), rồi khử ZnO bằng C | 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂↑ (t°) · ZnO + C → Zn + CO↑ (t°) |
Dạng bài
Tính kim loại thu được từ quặng có hiệu suất
- 1 Tính khối lượng chất chứa kim loại trong quặng: m = m(quặng) · % chất đó.
- 2 Đổi ra mol, theo phương trình tính mol và khối lượng kim loại lí thuyết.
- 3 Nhân hiệu suất để ra khối lượng thực tế; nếu sản phẩm là gang thì chia cho % Fe trong gang.
- 4 Kiểm tra: lấy kết quả ngược về, thấy đúng tỉ lệ đề cho ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Quặng chứa 80% Fe₂O₃ không phải 80% Fe. Lấy luôn 800 kg làm khối lượng Fe là bỏ quên bước đổi Fe₂O₃ → Fe (đúng là 560 kg trước khi nhân hiệu suất).
Từ 1 tấn quặng chứa 80% Fe₂O₃, hiệu suất 90%, luyện được bao nhiêu kg gang chứa 96% Fe?
Hướng dẫn giải
3 🔩 Hợp kim: gang, thép, duralumin, inox
Cần nhớ
- ✦Hợp kim là vật liệu kim loại có một kim loại chính và các nguyên tố khác. Hợp kim thường cứng hơn, bền hơn, ít gỉ hơn kim loại nguyên chất, nên dùng nhiều hơn.
- ✦Gang và thép đều là hợp kim của sắt, khác nhau ở hàm lượng carbon: gang 2–5%, thép dưới 2%.
- ✦Tái chế kim loại tiết kiệm năng lượng vì bỏ qua bước tách kim loại khỏi hợp chất. Tái chế nhôm chỉ tốn dưới 10% năng lượng so với luyện từ bauxite.
Bốn hợp kim hay gặp
| Hợp kim | Thành phần chính | Tính chất | Dùng làm |
|---|---|---|---|
| Gang | Fe, 2–5% C | Cứng, giòn, chỉ đúc được | Nắp cống, thân máy, ống nước |
| Thép | Fe, dưới 2% C | Cứng, dẻo, rèn cán được | Khung nhà, cầu, ô tô |
| Thép không gỉ (inox) | Fe với chromium, nickel | Ít gỉ, sáng bóng | Dụng cụ nhà bếp, y tế |
| Duralumin | Al chính, thêm Cu, Mg… | Nhẹ mà bền | Vỏ máy bay |
Dạng bài
Tính % kim loại trong hợp kim
- 1 Chọn kim loại tác dụng với acid (đứng trước H), kim loại còn lại không phản ứng.
- 2 Từ số mol H₂ (V/24,79) suy ra mol và khối lượng kim loại đó theo phương trình.
- 3 % = m(kim loại) / m(hợp kim) · 100.
- 4 Kiểm tra: % hai kim loại cộng lại bằng 100 ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Dùng 22,4 L/mol thay 24,79 thì n(H₂) ≈ 0,11 mol, ra khoảng 55% Zn. Điều kiện chuẩn của sách mới là 25 °C, 1 bar: 24,79 L/mol.
Hợp kim Zn–Cu nặng 13 g, cho vào HCl dư thu 2,479 L H₂ (25 °C, 1 bar). Tính % khối lượng Zn.
Hướng dẫn giải
4 ⚖️ Kim loại khác phi kim ở đâu
So từng mặt
| Kim loại | Phi kim | |
|---|---|---|
| Xu hướng electron | Nhường → ion dương | Nhận → ion âm |
| Vị trí bảng tuần hoàn | Bên trái và giữa | Góc trên bên phải |
| Vật lí | Dẫn điện, dẻo, ánh kim, hầu hết rắn (trừ Hg) | Kém dẫn điện (trừ than chì), giòn, có đủ ba thể |
| Với oxygen | Oxide base (CaO) | Oxide acid (CO₂) |
| Với hydrogen | Không tạo hợp chất khí | Nhiều phi kim tạo khí tan thành acid (HCl) |
Dạng bài
Từ số electron lớp ngoài tìm loại nguyên tố và hợp chất
- 1 Viết cách xếp electron theo lớp (2-8-…) từ Z.
- 2 Ít electron lớp ngoài (1–3) thì nhường → kim loại; gần đủ 8 (5–7) thì nhận → phi kim.
- 3 Viết ion tạo thành rồi cân điện tích để ra công thức hợp chất.
- 4 Kiểm tra: tổng điện tích các ion bằng 0 ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Than chì là phi kim nhưng dẫn điện, thuỷ ngân là kim loại nhưng ở thể lỏng. Quy luật chung có ngoại lệ có lí do, đừng kết luận "phi kim thì không dẫn điện".
X có Z = 11, Y có Z = 17. Hợp chất tạo bởi X và Y có công thức nào?
Hướng dẫn giải
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần cách làm.
Chọn phương pháp
- 1Nhận biết
Tách kim loại ra khỏi quặng thực chất là:
- 2Nhận biết
Kim loại nào được tách bằng điện phân nóng chảy?
- 3Thông hiểu
Cặp kim loại – phương pháp tách phù hợp nhất là:
- 4Thông hiểu
Thả đinh sắt vào dung dịch CuSO₄ để thu đồng. Đây là phương pháp:
- 5Thông hiểu Dùng Zn đẩy Cu ra khỏi dung dịch CuSO₄ dư. Để thu 19,2 g Cu cần tối thiểu g Zn.
Lò cao luyện gang
- 1Nhận biết
Nguyên liệu chính nạp vào lò cao luyện gang là:
- 2Thông hiểu
Trong lò cao, chất trực tiếp khử Fe₂O₃ thành Fe là:
- 3Thông hiểu Khử hoàn toàn 16 g Fe₂O₃ bằng CO dư, khối lượng Fe thu được là g.
- 4Thông hiểu Để khử hoàn toàn 16 g Fe₂O₃ (Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂) cần thể tích CO ở 25 °C, 1 bar là L.
- 5Vận dụng Từ 1 tấn quặng chứa 80% Fe₂O₃, hiệu suất 90%, luyện được kg gang chứa 96% Fe.
Nhôm và kẽm
- 1Thông hiểu
Khi điện phân nóng chảy Al₂O₃ người ta thêm cryolite để:
- 2Thông hiểu
Đốt quặng ZnS trong không khí thu được:
- 3Vận dụng Điện phân nóng chảy 20,4 g Al₂O₃ thu được g Al và L O₂ (25 °C, 1 bar).
- 4Vận dụng Từ 48,5 g ZnS qua hai bước (đốt thành ZnO rồi khử bằng C), hiệu suất cả quá trình 80%, thu được g Zn.
Hợp kim
- 1Nhận biết
Hàm lượng carbon của gang và thép là:
- 2Thông hiểu
Khung xe đạp làm bằng thép chứ không làm bằng gang vì:
- 3Thông hiểu
Thép không gỉ (inox) là hợp kim của sắt với:
- 4Vận dụng Hợp kim Al–Cu nặng 10 g cho vào HCl dư (Cu không phản ứng), thu 7,437 L H₂ (25 °C, 1 bar). %Al trong hợp kim là %.
Kim loại và phi kim
- 1Nhận biết
Oxide của phi kim như CO₂ thường là:
- 2Thông hiểu
Nguyên tử có cách xếp electron 2-8-2 là:
- 3Vận dụng Nguyên tố X (Z = 13) kết hợp với Y (Z = 17) tạo hợp chất có công thức .
🎯 Chủ điểm này ra kiểm tra và thi chuyên thế nào?
- •Kiểm tra hay hỏi chọn phương pháp tách theo vị trí trên dãy hoạt động và viết phương trình lò cao, điện phân Al₂O₃.
- •Câu vận dụng thường tính khối lượng gang, nhôm, kẽm từ quặng có hiệu suất, hoặc % kim loại trong hợp kim qua khí H₂ ở 24,79 L/mol.
- •Đề thi chuyên Hoá hay gài bẫy quặng 80% Fe₂O₃ không phải 80% Fe, và kim loại mạnh không tách được bằng nhiệt luyện hay thuỷ luyện.
10. Hợp chất hữu cơ, alkane, alkene và nhiên liệu