Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12: Điều chế kim loại. Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12: Điều chế kim loại. Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12: Điều chế kim loại. Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12: Điều chế kim loại. Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12: Điều chế kim loại. Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12: Điều chế kim loại.
Trang 1Bài 21: ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI
A NGUYÊN TẮC
Thực hiện quá trình khử ion (ion hoá ) kim loại về kimn loại tự do:
Mn+ ne M
B PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ
I Phương pháp thuỷ luyện (thuỷ luyện kim )
* Nguyên tắc: Dùng các kim loại có tính khử mạnh để khử ion kim loại có tính khử yếu hơn từ dung
dịch muối về kim loại tự do
* Phạm vi sử dụng: Điều chế kim loại hoạt động yếu ( thường là kim loại đứng sau H2 )
VD: Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu
II Phương pháp nhiệt luyện ( hỏa luyện kim)
* Nguyên tắc: Dùng các chất khử mạnh hơn CO, C, H2 hay kim loại Al để khử ion kim loại trong oxit ở nhiệt độ cao về kim loại tự do
* Phạm vi sử dụng: Thường dùng điều chế kim loại trung bình và yếu ( thường là sau Al ) Cụ thể:
+ Với chất khử là CO, H2 chỉ khử được kim loại sau Zn
CuO + H2
0
t
�� �Cu + H2O
Fe2O3 + 3CO dư 2Fe + 3CO2
Al2O3 + CO ��t 0�không xảy ra
MgO + CO ��t 0� FeO + H2
0
t
�� � Fe + H2O + Với chất khử là C khử được oxit kim loại từ Zn trở đi:
ZnO + C ��t 0� Zn + CO CuO + C ��t 0� Cu + CO
Al2O3 + C không phản ứng
+ Với chất khử là Al (xem phản ứng nhiệt phân Al)
III Phương pháp điện phân( điện luyện kim)
Ví dụ: Sơ đồ điện phân NaCl nóng chảy
Sơ đồ điện phân:
Na+ (nóng chảy) Cl
2Cl2 + 1e
Phương trình điện phân nóng chảy:
2NaCl ���dpnc� 2Na + Cl2
(K) (A)
Trang 21 Định nghĩa : Sự điện phân là một qua trình oxi hóa - khử xảy ra trên bề mặt các điện cực của
bình điện phân khi có dòng điện 1 chiều chạy qua dung dịch chất điện phân ở trạng tháI dung dịch hoặc trạng thái nóng chảy
Chú ý :
* Điện cực dương của bình điện phân gọi là anôt : xảy ra quá trình oxi hoá
điện cực âm của bình điện phân gọi là catôt : xảy ra quá trình khử
* Chất điện phân là axit , bazơ , muối , oxit của kim loại
* Nguyên tắc : Dùng dòng điện một chiều để khử ion kim loại catot (K) (cực âm)
* Phạm vi sử dụng: Dùng để điều chế hầu hết kim loại với độ tinh khiết cao
* Phân loại điện phân : Có 2 kiểu điện phân là điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch
2 Điện phân nóng chảy :
* 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 catôt và bị khử ở đó, ion âm chạy về anôt
và bị oxi hoá ở đó
Ví dụ: Điện phân KOH nóng chảy KOH � K+ + OH-
K + (nóng chảy) OH
2O2 + 2e Phương trình điện phân
* Điện phân nóng chảy xảy ra ở nhiệt độ cao nên có thể xảy ra phản ứng phụ giữa sản phẩm điện phân (O2, Cl2 ) và điện cực (anôt) thường làm bằng than chì
Ví dụ: điện phân Al2O3 nóng chảy (có pha thêm criolit 3NaF.AlF3) ở 1000oC
AL3+ (nóng chảy) O 2
-2Al3+ +6e 2Al 3O2- 3
2O2 + 6e Phương trình điện phân
Phản ứng phụ :
(Than chì làm anôt bị mất dần, nên sau một thời gian phải bổ sung vào điện cực)
* Chú ý : Ứng dụng: Phương pháp điện phân hợp chất nóng chảy được dùng để điều chế các kim
loại hoạt động mạnh:
+ Điều chế kim loại kiềm: Điện phân muối clorua hoặc hiđroxit nóng chảy.
+ Điều chế kim loại kiềm thổ: Điện phân muối clorua nóng chảy.
+ Điều chế Al: Điện phân Al2O3 nóng chảy
3 Điện phân dung dịch ( dung môi nước)
Trang 3a) Nguyên tắc:
Khi điện phân dung dịch, tham gia các quá trình oxi hoá - khử ở điện cực ngoài các ion của chất điện phân còn có các ion H+ và OH của nước và bản thân kim loại làm điện cực
Khi đó quá trình oxi hoá - khử thực tế xảy ra phụ thuộc vào so sánh tính oxihoá - khử mạnh hay
yếu của các chất trong bình điện phân.cu thể :
* ở catôt : ion nào có tính oxihóa mạnh hơn sẽ điện phân trước
* ở anôt : ion nào có tính khử mạnh hơn sẽ điện phân trước
b) Thứ tự khử ở catôt
Kim loại càng yếu thì cation của nó có tính oxi hoá càng mạnh và càng dễ bị khử ở catôt (trừ trường hợp ion H+) Có thể áp dụng quy tắc sau :
1- Dễ khử nhất là các cation kim loại đứng sau Al trong dãy thế điện hoá ( trừ ion H+ ), trong đó ion kim loại càng ở cưối dãy càng dễ bị khử
2- Tiếp đến là ion H+ của dung dịch : 2H+ + 2e � H2 hay 2H2O + 2e � H2 + 2OH
-3- Khó khử nhất là các ion kim loại mạnh, kể từ K �Al ( dãy thế điện hoá.)
(Al3+,Mg2+,Ca2+,Na+, ).Những ion này thực tế không bao giờ bị khử khi điện phân trong dung dịch
c) Thứ tự oxi hoá ở canôt
Nói chung ion hoặc phân tử nào có tính khử mạnh thì càng dễ bị oxi hoá Có thể áp dụng kinh nghiệm sau:
1-Dễ bị oxi hoá nhất là bản thân các kim loại dùng làm anôt Trừ trường hợp anôt trơ (không bị ăn mòn) làm bằng Pt, hay than chì(C)
2- Sau đó đến các ion gốc axit không có oxi : I - > Br – > Cl - > S2- > RCOO- …
CH3COO - � CH3- CH3� + 2CO2 �+ 2e
3- Rồi đến ion 2OH- của nước hoặc của kiềm tan trong dung dịch
4OH- � O2 + 2H2O + 4e hay 2H2O � 4H+ + O2 + 4e
4- Khó bị oxi hoá nhất là các anion gốc axit có oxi như, , … Thực tế các anion này không
bị oxi hoá khi điện phân dung dịch
d) Ứng dụng của điện phân dung dịch : Phương pháp điện phân dung dịch dùng để điều chế
kim loại có tính khử trung bình và yếu (sau Al)
* Điều chế kim loại đứng sau Al trong dãy thế điện hoá
* Tinh chế kim loại
* Mạ và đúc kim loại bằng điện
* Điều chế một số hoá chất thông dụng: H2, Cl2, O2,…, hiđroxit kim loại kiềm
* Tách riêng một số kim loại khỏi hỗn hợp dung dịch
e) Một số ví dụ áp dụng quy tắc trên.
Ví dụ 1: Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cực than chì :
Phương trình điện phân: CuCl2 ���dpdd� Cu + Cl2
(K) (A)
Ví dụ 2: Điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực Pt:
Ví dụ 3: Điện phân dung dịch Na2SO4 với điện cực Pt:
Trang 4
Phương trình điện phân:
Ví dụ 4: Điện phân dung dịch NaCl với anôt bằng than chì:
Phương trình điện phân:
Trong quá trình điện phân, dung dịch ở khu vực xung quanh catôt, ion H+ bị mất dần., H2O tiếp tục điện li, do đó ở khu vực này giàu ion OH tạo thành (cùng với Na+) dung dịch NaOH
Ở anôt, ion Cl bị oxi hoá thành Cl2 Một phần hoà tan vào dung dịch và một phần khuếch tán sang catôt, tác dụng với NaOH tạo thành nước Javen:
Vì vậy muốn thu được NaOH phải tránh phản ứng tạo nước Javen bằng cách dùng màng ngăn bao bọc lấy khu vực anôt để ngăn khí Cl2 khuếch tán vào dung dịch
Ví dụ 5: Điện phân dung dịch KNO3 với anôt bằng Cu
Khi điện phân, ở khu vực catôt, ion H+ mất dần, nồng độ OH tăng dần, dung dịch ở đó có tính kiềm tăng dần ở anôt ion Cu2+ tan vào dung dịch
Trong dung dịch xảy ra phản ứng
Phương trình điện phân:
Bản thân KNO3 không bị biến đổi nhưng nồng độ tăng dần
Trang 54 Công thức Farađây:
Trong đó: m là khối lượng chất được giải phóng khi điện phân (gam)
A là khối lượng mol của chất đó
n là số e trao đổi khi tạo thành một nguyên tử hay phân tử chất đó
Q là điện lượng phóng qua bình điện phân (Culông)
F là số Farađây (F = 96500 Culông.mol-1)
I là cường độ dòng điện (Ampe)
t là thời gian điện phân (giây)
( A
n : gọi là đương lượng điện hoá, gọi tắt là đương lượng, kí hiệu là Đ )
Ví dụ: Tính khối lượng oxi được giải phóng ở anôt khi cho dòng điện 5 ampe qua bình điện phân
đựng dung dịch Na2SO4 trong 1 giờ 20 phút 25 giây
Giải:
Áp dụng công thức Farađây:
A = 16 , n = 2 , t = 4825 giây , I = 5;