Giải bài tập Hóa 12 Bài 21: Điều chế kim loại
§21. ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT NGUYÊN TẮC: Khử các ion kim loại: M"+ + ne -> M PHƯƠNG PHÁP : Có ba phương pháp Phương pháp thủy luyện : Dùng kim loại lự do có tính khử mạnh hơn đế khử ion kim loại trong dung dịch muối. (Áp dụng trong phống thí nghiệm điều chế các kim loại có tính khử yếu). Zn + C11SO4 —> ZnSO4 + Cu ị Cu + 2AgNO.i —> Cu(NO3)2 + 2Ag ị Phương pháp nhiệt luyện: Dùng các chất khử như co, H2, c hoặc kim loại mạnh hơn để khử ion kim loại trong oxit ở nhiệt độ caoíáp dụng trong công nghiệp để điều chế các kim loại có lính khử yêu và trung bình: Kim loại đứng sau AI trong dãy điện hóa, tức là từ Zn trơ về sau). CuO + H2 Cu + H2O Fc2O., + 3CO ——> 2Fc + 3CO2 ZnO + H2 —Zn + H2O Nếu dùng AI làm châì khử gọi là phương pháp nhiệt nhôm. Fe2O3 + 2A1 — —> 2Fe + AT0.1 Lưu ý: Khí co hoặc IK chí khử được axìt cứa các kim loại dứny sau AI trony dãy diện hóa (tức là lừ Zn trở về sau). • Ví dụ: MgO + H2: không phắn ứng; A12O4+ co : không phản ứng. Phương pháp điện phân: Dùng dòng điện một chiều trên catot (cực âm) để khử ion kim loại trong hợp chất (điều chế được hầu hết các kim loại). Ví dụ: 2CuSO4 + 2H2O dpdd > 2Cu + 02f + 2H2SO4 4AgNO., + 2H2O dpdd > 4Ag + 02t + 4HN0., MgCb ■ ■ JpiK' > Mg + Cb ị 2NaCl Jpilv > 2Na + Cb? 2AbO., đp"c > 4AÌ + 3O2T HI. ĐIỆN PHÂN Đỉnh nghĩa : Điện phân là quá trình oxi hóa và khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiền đi qua chàt điện li nóng chảy hoặc dung dịch chât điện li. Trên bề mặt của diện cực âm (calot. kí hiệu là K) xảy ra quá trình khứ các ion dương (cation) hoặc các phân tử. Trên bề mặt của điện cực dương (anot, kí hiệu là A) xâ v ra quá trình oxi hóa các ion âm (anion) hoặc các phân tử. Các trường hựp điện phân chủ yếu Hiện phân nóng chảy Đổ điều chế những kim loại có tính khử mạnh (từ Li đến AI ) ngươi ta điện phân hợp chất nóng cháy của chúng (muối. kiềm, oxit) Điện phân muôi halogenua nóng chay : 2NaCl———> 2Na + CbT Điện phân kiềm nóng chảy : 2K0H —‘lp"c > 2K + ‘/2 O2T + H2O Điện phàn oxit nóng cháy : 2A120ị ———> 4A1 + 3O2T h) Điện phân dung dịch Để điều chê những kim loại có lính khử trung bình và yốu, ngươi ta điện phân dung dịch muối của chúng trong nước. Trong dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra, cơn có mặt của H2O. Do vậy, thứ lự bị khử ơ catot và oxi hóa ơ anol tuỳ thuộc vào bản chất của các ion trong dung dịch. H2O là chât điện li yêu, có mặt ơ cá hai điện cực và tham gia vào quá trình điện phân. Quy tắc ổ' catot (Thứ tự nhận electron tại catot) Tại cực âm (catot): Các cation nhận elecưon: Mn+ + me —> M"'~n"+(Với m < n) Nêu ơ catot có mặt nhiều cation thì cation nào đứng bên phải trong dãy diện hóa sẽ bị khử trước (nhận electron trước). Cụ thể ta có 10 vị trí nhận electron ở calot theo thứ lự như sau: K+Ba2+ Ca2+Na+Mg2+Al',+H2O Zn2+Fe2+Ni2+Sn2+ Pb2+ H+ Cu2+ FcuAg+. (10) (9) (S) (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1) Ví' c/ụ: Ion Ag+ sẽ bị khửtrươc ion Cu2+hay ion Ag+ nhận electron trươc ion Cu. Quy tắc ổ' anot (Thứ tự nhường electron tại anot) Nêu ở anot có nhiều anion thì ion nào dễ cho electron sẽ bị oxi hóa trươc. Cụ thể ta có 5 vị trí nhương electron ơ anol như sau: r Br Cb OH“ H2O. (1) (2) (3) (4) (5) Ví dụ: lon r sẽ bị oxi hóa trươc ion cr hay ion r nhương electron ưươc ion cr. Glĩi chú : Trong dung dịch, các ion từ K+ đến Al;,+ không bị khử (mà H?o bị khử ). Vì vậy không dùng phương pháp điện phân dung dịch cũng như phương pháp nhiệt luyện (dùng khí co hoặc FF hoặc AI đổ khử các oxít tương ứng) đổ điều chế các kim loại này. Khí co hoặc H? chỉ khử được oxit của kim loại đứng sau nhôm trong dãy điện hóa. Các kim loại này được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy muối clorua hoặc hợp chát hiđrôxit của nó (riêng AI được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy AI2O3). Các ion âm chứa oxi như NOT; so^-; CO3-... không bị oxi hóa tức là không tham gia nhường electron. Quá trình nhường và nhận electron của II2O tại anot và catot. 1 Anot : H:O 2H++ ịo2t + 2e 2 Catot: 2H2O + 2e-> 2OH“ + H2t Định luật Faraday về sự điện phân Định luật Faraday cho phép ta xác định khối lượng chất được tạo thành ô các Alt điện cực trong quá trình điện phân: m = 96500.11 m : Khối lượng chất sinh ra 0 diện cực, tính bằng gam (g) A : Khôi lượng mol nguyên tử của chất sinh ra I : Cường độ dòng điện, tính bằng Ampc (A) t: Thời gian điện phân, tính bằng giây (s) n : Số electron mà nguyên tử dã cho hay nhận. Khảo sát quá trình điện phân dung dịch Viết phương trình diện li các chât. Trình bày các quá trình trao dối electron ỏ' catot và anot. Phương trình điện phân tổng quát. (Cộng ba vố của phương trình điện li, phương trình nhường electron tại anot và phương trình nhận electron tại catot) B. BAI TẬP SÁCH GIÁO KHOA ì. Trình hàỵ cách có thế: - diều chế Ca từ CaCOì - diều ché' Cu từ CuSOj Viet phương trình hóa học cùa các pltứn líng. lư 'CtilOHi MgO. re t), hãv diều ché các kim loại tưưng ứng hằng mật Ịihương /?/.-£ thích hợp. Viết phương trinh hoứ học cua phán ứng. Mặt loai quặng. sắt chứa 80% Ft’:(h, 10% SiO; vù một sô tạp clìãi khác không chứa Fe và Si. Hàm lượng các nguyên tô’Fe và Si trong quặng này là : A. 56% Fe và 4.7% Si. II. 54% Fe và 3.7% Si. c. 53% Fe và 2.7% Si. I). 52% Fe và 4.7% Si. Dể khử hoàn toàn 30 gain hỗn hợp gồm CuO, FeO, FesOj. Fed).í, Fe, MgO cần dùng 5,6 lít khí co (dktcl. í). 22g. C:24g. Khó i lượng chất rán thu dược sau phân ứng là A 28g. II. 26g. Hiện plìân liliện cực Ini) tluiiịi ilịch Iiuiãi sunful cua mặr kim líiụi hóa trị II với ilànn diện cườilíí dộ 3A. Sau IV30 Ịiiây diện phân iliĩíy khối lượiiìi call'll túnií Iy2 ỊỊUiìt. al Viết phân lửliáa hạc cùa phan ứn)i xảy ra lại mải diệuực và phUtMíỉ [rình hán hạc clmcy của sựđiện phân, h) Xúc định lẽn kim loại. Hướng dẩn giải * Điều chế Ca từ CaCO3. Hòa tan CaCOi vàn dung dịch HCl, cô cạn dung dịch rồi điện phàn CaCl2 nóng chảy : CaCO.í + 2HC1 -> CaCl2 + co2t + H2O. CaCl2 J|’''c > Ca + Cl2t Điều chế Cu lừ C11SO4. Thủy luyện : Dùng Fe đẩy Cu ra khói dung dịch C11SO4 Fe + C11SO4 -> FcSO4 + Cuị Nhiệt luyện : Cho dung dịch C11SO4 tác dụng với dung dịch NaOH C11SO4 + 2NaOH -> Cu(OH)2ị + Na2SO4 Lọc Iffy kết tủa, nung ờ nhiệt độ cao. Dần khí H2 đi qua CuO nung nóng : Cu(OH)2 ——> CuO + H2O CuO + H2 —> Cu + H2O Điện phân dung dịch C11SO4 : 2C11SO4 + 2H2O —» 2Cuị + O2T + H2SO4 • Từ Cu(OH)2 điều chế Cu : Cu(OH)2 —CuO + H2O CuO + H2 ——-> Cu + H2O Từ MgO điều chê Mg : Hòa lan MgO trong dung dịch HC1 MgO + 2HC1 -> MgCl2 + H2O Cô cạn dung dịch rồi điện phân nóng chảy. MgCl2 1,p'lc > Mg + cụt. Từ Fe2Oí điều chế Fe Dùng khí CO đổ khử Fe2O3 Fe2O3 + 3CO - > 2Fe + 3CO2t Chọn A. Ta có : %mFc = -• _2,56 . ,.-^-.100 = 56 (c/r) 2.56 + 3.16 100 Chọn B. Khử oxil kim loại bởi khí co Khí CO hoặc H2 chỉ khử được oxil của kim loại đứng sau AI trong dãy điện hóa (tức là từ Zn trở về sau) • Trong quá irình khử ta luôn có: Snco = I nco, mx + mco = mY + mco (Định luật bảo toàn khối lượng ) Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng mx + nico= mY + mrn => 30 + 28. -/’6 = m + 44. ~' => m = 26 (g) co-’ 22,4 22,4 a) Đặt kí hiệu của kim loại cần lìm là M, khối lượng mol nguyên tứ của M là M: MSO4 -> M2+ + so2 * Catot (-): M2+, H2O ỉ = j(Fe,O4) y 4 Anot (+): so2 , H2O M2+ + 2c -> M ị H2O 2H+ + >/2O2 T + 2e Phương trình điện phân lổng quát MSO4 + H2O -'-jj > M ị + '/2O2T + H2SO4 Ta có: mM = —Ị— . — .I.t => 1,92 = Ị ■; .3.1930. => M = 64 (Cu) 96500 n 96500 2