Lý thuyết KHTN 9 Bài 20: Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim

- 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,… Một số kim loại quý như vàng có thể tồn tại dưới dạng đơn chất.

- Các bước cơ bản trong quy trình tách kim loại từ quặng:

+ Từ quặng, người ta làm giàu quặng bằng cách loại bỏ các tạp chất như đất, cát, đá,… thu được hợp chất chứa kim loại.

+ 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.

- Một số phương pháp hoá học thường để tách kim loại:

+ 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.

+ Phương pháp thuỷ luyện để tách các kim loại hoạt động hoá học yếu như Ag, Au,….

- 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:

Ở nhiệt độ cao, sắt được tách ra khỏi iron (III) oxide bởi carbon monoxide:

$\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3+3\mathrm{C}\mathrm{O}\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{F}\mathrm{e}+3\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

- Quặng chứa zinc sulfide (ZnS) được đốt trong không khí để chuyển zinc sulfide thành zinc oxide (ZnO):

$2\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}+3{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}+2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$

- Tiếp theo, kẽm được tách ra khỏi zinc oxide bởi carbon:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}+\mathrm{C}\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{Z}\mathrm{n}+\mathrm{C}\mathrm{O}$

Mở rộng:

Phương pháp thuỷ luyện: Các hợp chất hoặc hỗn hợp các kim loại hoạt động hoá học yếu như bạc,… được chuyển thành muối tan. Sau đó, dùng kim loại hoạt động hoá học mạnh hơn đẩy kim loại bạc ra khỏi muối, tách chúng ra khỏi dung dịch.

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,…

Hợp kim thường có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất về độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn và gỉ sét, phù hợp với nhiều ứng dụng nên được sử dụng phổ biến trong đời sống và trong công nghiệp.

- Gang và thép là hai hợp kim 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). 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 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 nhôm nhưng bền và cứng hơn nhiều, được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô,…

- Nguyên liệu: quặng sắt (thường là quặng hematite với thành phần chính là Fe₂O₃), than cốc và chất tạo xỉ như CaCO₃, SiO₂,…

- Các giai đoạn chính:

+ Tạo thành khí CO:

$\begin{array}{c}\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\\ \mathrm{C}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{C}\mathrm{O}\end{array}$

+ Khí CO phản ứng với các oxide của sắt có trong quặng:

$3\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{F}\mathrm{e}+3\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

Sắt nóng chảy hoà tan một lượng nhỏ carbon cùng một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng.

+ Tạo xỉ, tách xỉ thu được gang:

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}+\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_3$

Lưu ý:

+ 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.

- Nguyên liệu chính: Gang (hoặc thép phế liệu) và khí oxygen.

- Quá trình sản xuất thép: Làm giảm các tạp chất C, Si, Mn,… trong gang bằng cách chuyển chúng thành các oxide và loại bỏ chúng để thu được thép.