Các phương pháp tách kim loại - Hoá 12

- Ở trạng thái nóng chảy, các tinh thể chất điện phân bị phá vỡ thành các ion chuyển động hỗn loạn. Khi có dòng điện một chiều chạy qua:

+ Ion dương chạy về cathode (cực âm) nhận electron (bị khử).

+ Ion âm chạy về anode (cực dương) và nhường electron (bị oxi hoá).

Ví dụ 1: Điện phân sodium chloride (NaCl) nóng chảy điều chế Na.

* Ở cực dương (anode): sự oxi hoá ion Cl^- thành Cl₂: \({\rm{C}}{{\rm{l}}^ - } \to \frac{1}{2}{\rm{C}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{ +  e}}\)

* Ở cực âm (cathode): sự khử ion Na⁺ thành Na:  \({\rm{N}}{{\rm{a}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + 1e}} \to {\rm{Na}}\)

* Phương trình điện phân:  

Chuẩn bị:

Hoá chất: dung dịch CuSO₄ 0,5 M.

Dụng cụ: nguồn điện một chiều (3 - 6 vôn), ống thuỷ tinh hình chữ U, hai điện cực than chì, dây dẫn, kẹp kim loại.

Tiến hành:

- Lắp thiết bị thí nghiệm điện phân dung dịch CuSO₄ như Hình 16.2.

- Rót dung dịch CuSO₄ 0,5 M vào ống thuỷ tinh hình chữ U rồi nhúng hai điện cực than chì vào dung dịch.

- Nối hai điện cực than chì với hai cực của nguồn điện và tiến hành điện phân trong khoảng 5 phút.

Sơ đồ thí nghiệm điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ

Quan sát hiện tượng xảy ra ở mỗi điện cực và giải thích.Viết phương trình xảy ra tại các cực và phương điện phân dung dịch.

Lời giải chi tiết

Hiện tượng: điện cực than chì ở cathode có kim loại đồng(màu đỏ) sinh ra bám vào.

+ Ở cực dương (anode) sự oxi hoá H₂O thành O₂ : H₂O \( \to \)\(\frac{1}{2}\)O₂ + 2H⁺   + 2e 

+ Ở cực âm (cathode) sự khử ion Cu²⁺ thành Cu:   \({\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + 2e}} \to {\rm{Cu}}\)

+ Phương trình điện phân:                      

Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất từ quặng bauxite theo hai giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Tinh chế quặng bauxite

Quặng bauxite (thành phần chính Al₂O₃.2H₂O) thường lẫn tạp chất. Sau khi loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hoá học thu được Al₂O₃.

Giai đoạn 2: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy

Do Al₂O₃ có nhiệt độ nóng chảy rất cao (2050°C) nên Al₂O₃ được trộn cùng với cryolite (Na₃AlF₆) để

- Tạo thành hỗn hợp nóng chảy ở gần 1000°C. Giải pháp này giúp tiết kiệm nhiều năng lượng.

- Tạo chất lỏng vừa có tính dẫn điện tốt vừa nổi lên trên Al lỏng để ngăn cách Al lỏng không bị oxi hoá bởi không khí.

* Ở cực dương (anode) sự oxi hoá ion O^2- thành O₂ : \({\rm{2}}{{\rm{O}}^{2 - }} \to {{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{  +  4e}}\)

* Ở cực âm (cathode) sự khử ion Al³⁺ thành Al:  :      \({\rm{A}}{{\rm{l}}^{{\rm{3 + }}}}{\rm{ +  3e}} \to {\rm{Al}}\)

* Phương trình điện phân:                      

Khí O₂ tạo thành ở nhiệt độ cao, đốt cháy dần điện cực anode than chì thành CO và CO₂. Do vậy, trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần các điện cực anode vào thùng điện phân.

Sơ đồ thùng điện phân Al₂O₃ nóng chảy

Nguyên tắc: Khử các oxide kim loại của kim loại hoạt động trung bình yếu như Zn, Fe, Sn, Pb, Cu,… ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO,…

Ví dụ 1: Tách kẽm từ quặng zinc blende.

-        Đốt quặng zinc blende: 

-        Khử zinc oxide ở nhiệt độ cao bằng than cốc: 

Ví dụ 2: Tách sắt từ quặng hematite.

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

Khử những ion kim loại trong dung dịch bằng kim loại có tính khử mạnh hơn như Fe, Zn,…

=> Cho kim loại mạnh (không tan trong nước) + dung dịch muối KL cần tách.

Tách Cu từ CuSO₄ bởi Fe :  Fe  +   CuSO₄ \( \to \)FeSO₄+Cu