Bài học

Phương pháp điện phân và lựa chọn phương pháp điều chế kim loại

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao các kim loại hoạt động rất mạnh chỉ có thể điều chế bằng điện phân nóng chảy, viết được phương trình hoá học minh hoạ, và chọn đúng một trong ba phương pháp điều chế (điện phân nóng chảy, nhiệt luyện, thuỷ luyện) cho bất kì kim loại nào dựa trên dãy hoạt động hoá học.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 6, em đã viết phương trình điện phân nóng chảy $NaCl \to Na + Cl_2$ và biết điện phân dùng dòng điện một chiều để ép electron vào ion, thực hiện quá trình khử mà phản ứng hoá học thông thường không làm được. Bài trước đã giới thiệu nhiệt luyện và thuỷ luyện cho các kim loại từ hoạt động trung bình đến yếu. Bài này hoàn thiện bức tranh với nhóm kim loại mạnh nhất.

Khởi động

Với sắt, ta có thể dùng khí CO giá rẻ để khử $Fe_2O_3$ trong lò cao. Nhưng với natri, không một chất khử hoá học thông thường nào — kể cả CO hay $H_2$ — có thể khử được $Na^+$ trong $Na_2O$ thành Na kim loại. Tại sao natri lại "khó khử" đến mức bắt buộc phải dùng dòng điện?

Kiến thức trọng tâm

Điện phân nóng chảy là phương pháp duy nhất áp dụng được cho nhóm kim loại có tính khử rất mạnh — từ K đến Al trong dãy hoạt động hoá học. Lý do nằm ở chính định nghĩa của dãy hoạt động: các kim loại này có $E^\circ$ rất âm, nghĩa là ion $M^{n+}$ của chúng rất "bền", rất khó bị khử — không một chất khử hoá học thông thường nào (CO, $H_2$ , C, kể cả một kim loại khác) đủ mạnh để nhường electron cho các ion này. Chỉ có dòng điện một chiều, với hiệu điện thế đủ lớn từ nguồn điện bên ngoài, mới có thể ép electron vào các ion kim loại đó.

Điện phân nóng chảy là phương pháp duy nhất áp dụng được cho nhóm kim loại có tính khử rất mạnh — từ K đến Al trong dãy hoạt động hoá học. Lý do nằm ở chính định nghĩa của dãy hoạt động: các kim loại này có $E^\circ$ rất âm, nghĩa là ion $M^{n+}$ của chúng rất "bền", rất khó bị khử — không một chất khử hoá học thông thường nào (CO, $H_2$, C, kể cả một kim loại khác) đủ mạnh để nhường electron cho các ion này. Chỉ có dòng điện một chiều, với hiệu điện thế đủ lớn từ nguồn điện bên ngoài, mới có thể ép electron vào các ion kim loại đó.

Phương pháp thực hiện: điện phân nóng chảy hợp chất (thường là muối chloride hoặc oxide) của kim loại đó ở trạng thái nóng chảy — bắt buộc phải nóng chảy, không thể là dung dịch, vì nếu điện phân dung dịch, nước sẽ bị điện phân/khử trước ion kim loại (nước dễ bị khử hơn nhiều so với $K^+$ , $Na^+$ , $Al^{3+}$ ...), khiến ta không bao giờ thu được kim loại mong muốn ở catot. Ví dụ: $2NaCl \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy}} 2Na + Cl_2$ ; và $2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy, criolit}} 4Al + 3O_2$ — đây chính là phương pháp Hall-Héroult sản xuất nhôm công nghiệp, trong đó criolit ( $Na_3AlF_6$ ) được thêm vào để hạ nhiệt độ nóng chảy của $Al_2O_3$ từ hơn 2000 °C xuống khoảng 900 °C, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng.

Phương pháp thực hiện: điện phân nóng chảy hợp chất (thường là muối chloride hoặc oxide) của kim loại đó ở trạng thái nóng chảy — bắt buộc phải nóng chảy, không thể là dung dịch, vì nếu điện phân dung dịch, nước sẽ bị điện phân/khử trước ion kim loại (nước dễ bị khử hơn nhiều so với $K^+$, $Na^+$, $Al^{3+}$...), khiến ta không bao giờ thu được kim loại mong muốn ở catot. Ví dụ: $2NaCl \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy}} 2Na + Cl_2$; và $2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy, criolit}} 4Al + 3O_2$ — đây chính là phương pháp Hall-Héroult sản xuất nhôm công nghiệp, trong đó criolit ($Na_3AlF_6$) được thêm vào để hạ nhiệt độ nóng chảy của $Al_2O_3$ từ hơn 2000 °C xuống khoảng 900 °C, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng.

Đến đây ta có thể tổng kết đầy đủ cách chọn phương pháp điều chế cho bất kì kim loại nào, chỉ dựa vào vị trí của nó trong dãy hoạt động hoá học: nhóm K, Ba, Ca, Na, Mg, Al — điện phân nóng chảy; nhóm Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu — nhiệt luyện (riêng Cu cũng có thể thuỷ luyện tuỳ nguồn quặng); nhóm Hg, Ag, Pt, Au — thuỷ luyện hoặc đôi khi tồn tại sẵn ở dạng kim loại tự do trong tự nhiên vì quá kém hoạt động để bị oxi hoá.

Ví dụ

Tính khối lượng nhôm sản xuất từ điện phân nóng chảy Al2O3

1
Điện phân nóng chảy hoàn toàn 51 kg $Al_2O_3$ tinh khiết (có criolit) với hiệu suất phản ứng đạt 90%. Tính khối lượng Al kim loại thu được.
Điện phân nóng chảy hoàn toàn 51 kg $Al_2O_3$ tinh khiết (có criolit) với hiệu suất phản ứng đạt 90%. Tính khối lượng Al kim loại thu được.
2
$M(Al_2O_3) = 102$ g/mol; $n(Al_2O_3) = \dfrac{51000}{102} = 500$ mol.
$M(Al_2O_3) = 102$ g/mol; $n(Al_2O_3) = \dfrac{51000}{102} = 500$ mol.
3
$2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy}} 4Al + 3O_2$ . Theo phương trình, $n(Al) = 2 \times n(Al_2O_3) = 1000$ mol (tính theo lý thuyết, hiệu suất 100%).
$2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy}} 4Al + 3O_2$. Theo phương trình, $n(Al) = 2 \times n(Al_2O_3) = 1000$ mol (tính theo lý thuyết, hiệu suất 100%).
4
Vì hiệu suất chỉ đạt 90%, lượng Al thực tế thu được là $n(Al)_{thực tế} = 1000 \times 0{,}9 = 900$ mol.
Vì hiệu suất chỉ đạt 90%, lượng Al thực tế thu được là $n(Al)_{thực tế} = 1000 \times 0{,}9 = 900$ mol.
5
$m(Al) = 900 \times 27 = 24300$ gam $= 24{,}3$ kg. Vậy khối lượng Al thực tế thu được là $24{,}3$ kg — bài toán hiệu suất luôn cần nhân thêm hệ số hiệu suất vào kết quả tính theo lý thuyết ở bước cuối.
$m(Al) = 900 \times 27 = 24300$ gam $= 24{,}3$ kg. Vậy khối lượng Al thực tế thu được là $24{,}3$ kg — bài toán hiệu suất luôn cần nhân thêm hệ số hiệu suất vào kết quả tính theo lý thuyết ở bước cuối.

Ví dụ

Chọn phương pháp điều chế phù hợp cho bốn kim loại Na, Fe, Cu, Ag

1
Cho bốn kim loại Na, Fe, Cu, Ag. Chọn phương pháp điều chế phù hợp nhất cho từng kim loại trong ba phương pháp: điện phân nóng chảy, nhiệt luyện, thuỷ luyện. Giải thích bằng dãy hoạt động hoá học.
2
Theo dãy K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, ..., (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au: Na đứng đầu (rất mạnh); Fe ở mức trung bình; Cu và Ag đứng sau H, thuộc nhóm yếu.
3
Na hoạt động rất mạnh (thuộc nhóm K→Al), không chất khử hoá học nào đủ mạnh để khử $Na^+$ — bắt buộc điện phân nóng chảy hợp chất của Na (ví dụ $NaCl$ ).
Na hoạt động rất mạnh (thuộc nhóm K→Al), không chất khử hoá học nào đủ mạnh để khử $Na^+$ — bắt buộc điện phân nóng chảy hợp chất của Na (ví dụ $NaCl$).
4
Fe hoạt động trung bình, oxide của Fe ( $Fe_2O_3$ , $Fe_3O_4$ ) bị khử tốt bởi CO ở nhiệt độ cao — dùng nhiệt luyện, đúng như quy trình luyện gang trong lò cao.
Fe hoạt động trung bình, oxide của Fe ($Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$) bị khử tốt bởi CO ở nhiệt độ cao — dùng nhiệt luyện, đúng như quy trình luyện gang trong lò cao.
5
Cu và Ag đều là kim loại kém hoạt động; có thể nhiệt luyện (với Cu) hoặc thuỷ luyện — đặc biệt Ag thường được thu hồi bằng thuỷ luyện từ quặng nghèo hoặc phế liệu chứa lượng nhỏ kim loại quý, vì thuỷ luyện phù hợp hơn cho các nguồn nguyên liệu nghèo, phân tán.
6
Vậy: Na — điện phân nóng chảy; Fe — nhiệt luyện; Cu, Ag — nhiệt luyện hoặc thuỷ luyện tuỳ nguồn quặng, với thuỷ luyện đặc biệt phù hợp cho kim loại quý từ nguồn nghèo. Việc chọn đúng phương pháp luôn xuất phát từ một câu hỏi duy nhất: kim loại này hoạt động mạnh cỡ nào trong dãy hoạt động hoá học?

Sai lầm thường gặp

Một lỗi rất phổ biến là nghĩ điện phân dung dịch muối ăn ( $NaCl$ hoà tan trong nước) sẽ thu được kim loại Na. Thực tế hoàn toàn khác: khi điện phân dung dịch, nước bị khử ưu tiên ở catot (vì Na quá hoạt động mạnh, $Na^+$ không bị khử trong môi trường có nước), sản phẩm thu được là $NaOH$ , khí $H_2$ và khí $Cl_2$ — đây chính là quy trình sản xuất xút-chlor trong công nghiệp, khác hoàn toàn với điện phân nóng chảy dùng để lấy Na kim loại.

Một lỗi rất phổ biến là nghĩ điện phân dung dịch muối ăn ($NaCl$ hoà tan trong nước) sẽ thu được kim loại Na. Thực tế hoàn toàn khác: khi điện phân dung dịch, nước bị khử ưu tiên ở catot (vì Na quá hoạt động mạnh, $Na^+$ không bị khử trong môi trường có nước), sản phẩm thu được là $NaOH$, khí $H_2$ và khí $Cl_2$ — đây chính là quy trình sản xuất xút-chlor trong công nghiệp, khác hoàn toàn với điện phân nóng chảy dùng để lấy Na kim loại.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Điện phân nóng chảy là phương pháp duy nhất cho kim loại rất mạnh (K→Al) vì không chất khử hoá học nào đủ mạnh; phải điện phân nóng chảy (không phải dung dịch) vì nước bị khử ưu tiên trong dung dịch. Ba phương pháp điều chế kim loại — điện phân nóng chảy, nhiệt luyện, thuỷ luyện — đều được chọn dựa trên cùng một căn cứ: vị trí của kim loại trong dãy hoạt động hoá học.

Đến đây, em đã có đủ bốn mảnh ghép của chương: cấu tạo quyết định tính chất vật lí, tính khử quyết định tính chất hoá học và dãy hoạt động, dãy hoạt động quyết định cả kiểu ăn mòn lẫn cách chống ăn mòn, và cũng chính dãy hoạt động quyết định phương pháp điều chế. Chương cuối sẽ hệ thống hoá toàn bộ mối liên hệ này và luyện một đề tổng hợp.