CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ TÍCH HỢP “KIM LOẠI”
2.3. Xác định các kiến thức cần thiết để giải quyết vấn đề
2.3.2. Thông tin trợ giúp giáo viên
1. Khái niệm kim loại
Kim loại là nguyên tố có thể tạo ra các ion dương và có các liên kết kim loại, đôi khi người ta cho rằng nó tương tự như là cation trong đám mây các điện tử.
Các kim loại là một trong ba nhóm các nguyên tố đƣợc phân biệt bởi độ ion hóa và các thuộc tính liên kết của chúng, cùng với các á kim và các phi kim.
Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn đƣợc, hầu hết ở thể rắn, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao.
2. Phân bố kim loại
Trong sự phát triển của nền kinh tế hiện đại, những kim loại có nhu cầu lớn và có nhiều trong vỏ trái đất nhƣ nhôm, sắt và cả những kim loại có ít hơn nhƣ đồng, chì, kẽm ... đều bị khai thác triệt để, tất nhiên chỉ khai thác đƣợc chúng khi chúng tập trung thành quặng, mỏ. Những kim loại hiếm nhƣ thiếc, bạc, bạch kim ... có trữ lƣợng rất ít và phân tán nên khó xác định đƣợc chính xác.
3. Khai thác kim loại
a. Khai thác kim loại có sẵn
Những kim loại tồn tại chủ yếu ở dạng tự do và đƣợc tinh chế: Au, Ag.
24
Điều chế vàng: Vàng đƣợc tách ra chủ yếu từ vàng tự do ở trong quặng gốc hoặc sa khoáng. Người ta tách vàng ra khỏi quặng (đã nghiền) theo một hoặc kết hợp hai hay ba phương pháp sau:
Tuyển trọng lực: Dựa vào tỉ khối của đất, đá và cát bé hơn so với vàng, người ta dùng dòng nước rửa trôi chúng ở trên các máng đãi đặt dốc để tách vàng.
Tiếp tục đãi nhiều lần như vậy bằng nước có thể thu được vàng thô.
Hỗn hống hóa: Cho quặng hay tinh quặng hay tinh quặng thu đƣợc sau khi đã đãi bằng nước đi qua những máng đặt dốc và rung, đáy máng có những lá đồng trên mặt đƣợc bôi thủy ngân, vàng tan vào thủy ngân tạo thành hỗn hống vàng và nằm lại trên máng. Đun nóng hỗn hống vàng trong thiết bị riêng để chƣng cất thủy ngân và thu vàng. Phương pháp này cho phép tách được những hạt vàng có kính thước tương đối nhỏ hơn ở trong quặng.
Xianua hóa: Chế hóa quặng hay tinh quặng với dung dịch NaCN (hay KCN) và liên tục xục không khí nén vào dung dịch trong ít ngày, vàng tan dần theo phản ứng:
[ ( ) ]
Sau đó dùng bụi kẽm để kết tủa vàng:
[ ( ) ] [ ( ) ]
Hoặc tách vàng bằng phương pháp trao đổi ion.
b. Điều chế kim loại
- Nguyên tắc chung: Khử ion kim loại về kim về kim loại
- Phương pháp điều chế kim loại: Có 3 phương pháp phổ biến sau
Phương pháp thủy luyện
Phương pháp này được dùng để điều chế những kim loại có độ hoạt động hóa học thấp nhƣ Au, Ag, Hg, Cu,…
Cơ sở của phương pháp này là dùng những dung dịch như NaCN, NaOH,…
để hòa tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại tách ra khỏi quặng. Sau đó dùng
25
những kim loại có tính khử mạnh hơn để đẩy ion kim loại ra khỏi dung dich tạo thành kim loại tự do.
VD: Điều chế Ag từ quặng Ag2S:
[ ( ) ]
[ ( ) ] [ ( ) ]
Phương pháp nhiệt luyện
Phương pháp này được dùng để điều chế những kim loại có độ hoạt động hóa học trung bình nhƣ Zn, Cr, Fe, Sn, Pb,…
Cơ sở của phương pháp này là khử những ion kim loại trong các hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử mạnh nhƣ C, CO, H2, Al, kim loại kiềm hoặc kiềm thổ.
VD: Điều chế Cu từ quặng CuS:
Phương pháp điện phân
Bằng phương pháp điện phân người ta có thể điều chế được hầu hết các kim loại.
Khái niệm: Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện ly.
Cực âm (Catot): xảy ra sự khử.
Cực dương (Anot): xảy ra sự oxi hóa.
c. Tái chế kim loại
- Khái niệm tái chế kim loại:
26
Tái chế kim loại là hoạt động phân loại các kim loại nhƣ sắt, đồng, thép, nhôm... từ dòng thải và sử dụng chúng nhƣ nguyên liệu để sản xuất ra các sản phẩm.
- Tái chế kim loại:
Tái chế nhôm
Nguyên liệu: Nguồn nguyên liệu cho việc tái chế nhôm bao gồm máy bay, ô tô, xe đạp, tàu thuyền, máy tính, dụng cụ nhà bếp,máng xối, dây và nhiều sản phẩm khác mà cần một loại vật liệu nhẹ hoặc có độ dẫn nhiệt cao.
Quy trình tái chế:
+ Lon nhôm đƣợc phân loại từ rác thải đô thị và đƣợc cắt thành những mảnh nhỏ có kích thước bằng nhau.
+ Mảnh nhôm đƣợc làm sạch hóa học/cơ học và đƣợc nén chặt thành khối. Khối nhôm đƣợc nung trong lò đến 750°C ± 100°C để tạo nhôm nóng chảy.
+ Tùy vào yêu cầu sản phẩm cuối cùng mong muốn, nhôm tinh khiết cao, đồng, kẽm, mangan, silic, magiê đƣợc thêm vàođể thay đổi thành phần nhằm thay đổi các đặc điểm kỹ thuật của hợp kim.
Tái chế sắt, thép
Nguyên liệu: sắt, thép phế liệu.
Quy trình tái chế:
+ Sắt, thép phế liệu có kích thước lớn được cắt thành những mảnh có kích thước nhỏ hơn.
+ Sắt, thép phế liệu có kích thước phù hợp được gia công nhiệt trong lò nung tùy theo mục đích mà đƣợc ủ chín 100% để rút sắt buộc hay chỉ nung chín 30% để sản xuất thép xây dựng.
- Ý nghĩa
+ Giảm thiểu nhu cầu khai thác và chế biến các nguyên vật liệu.
+ Tạo thêm hàng hóa sử dụng.
+ Tiết kiệm tài nguyên khoáng sản, công khai thác.
27 + Hạn chế sự suy thoái môi trường.
+ Tạo công việc làm cho những người thu nhập và phân loại rác.
+ Giảm lượng rác thải của môi trường, tiết kiệm nước.
d. Tác động của việc khai thác kim loại đến môi trường
Việc sử dụng các hóa chất và các chất thải ra trong quá trình khai thác:
+ Làm thay đổi cảnh quan môi trường + Ảnh hưởng đến khí hậu của khu vực + Gây ô nhiễm môi trường nước + Làm cạn kiệt nguồn khoáng sản + Ảnh hưởng đến kinh tế - xã hội
Nguyên nhân của thực trạng môi trường hiện nay, một phần là do các yếu tố sau:
+ Các thiết bị, hệ thống cũ kỹ, các công ty có lợi nhuận thấp nên không đủ kinh phí để cải thiện môi trường
+ Xuất hiện các hoạt động khai thác thủ công, bất hợp pháp
+ Nhà chức trách môi trường kém năng lực và công tác kiểm tra chưa hiệu quả II. Sự ăn mòn kim loại
1. Khái niệm ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường
2. Các dạng ăn mòn kim loại a. Ăn mòn hóa học
- Khái niệm: Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa - khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến môi trường.
- Ăn mòn hóa học thường xuyên xảy ra ở những thiết bị thường xuyên phải tiếp xúc với hơi nước và khí oxi,…
b. Ăn mòn điện hóa học
28
- Khái niệm: Ăn mòn điện hóa học là quá trình oxi hóa – khử, trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương.
- Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hóa học: phải có đầy đủ 3 điều kiện sau:
Có cặp điện cực:
Vật liệu Cực âm (A) Cực dương (C)
Kim loại – Kim loại Kim loại mạnh hơn Kim loại yếu hơn
Kim loại – Phi kim Kim loại Phi kim
Kim loại – Hợp chất Kim loại Hợp chất
Cặp điện cực cùng tiếp xúc, hay nối với nhau bằng dây dẫn.
Cặp điện cực cùng môi trường chất điện li ( ).
- Cơ chế ăn mòn điện hóa học: Thỏa mãn 3 điều kiện trên.
+ A(-): Xảy ra sự oxi hóa:
+ C(+): Xảy ra sự khử:
Hay Hay - Ăn mòn điện hóa học hợp kim của gang thép trong không khí ẩm:
Gang thép là hợp chất của sắt với cacbon và một số tạp chất khác (Si, S, P).
Trong đó gang chứa 2-5%C, thép chứa 0.1-2%C.
Gỉ sắt có công thức là: Fe2O3.nH2O
+ Điều kiện 1: có cặp điện cực: Fe(-), C hoặc Fe3C(-).
+ Điều kiện 2: cặp điện cực cùng tiếp xúc.
+ Điện cực 3: cặp điện cực cùng môi trường không khí ẩm
A(-):
C(+):
( )
( ) ( )
( ) ( )
29
(Gỉ sắt) 3. Tác hại của ăn mòn kim loại
- Ăn mòn kim loại gây tổn thất lớn cho nền kinh tế, ƣớc chừng khoảng 15 % tổng lƣợng thép sử dụng trên thế giới bị phá hủy do ăn mòn. Với hơn 80 % lƣợng kim loại, thiết bị, công trình được khai thác, sử dụng trong môi trường không khí, thiệt hại kinh tế do ăn mòn và phá hủy vật liệu trong môi trường này là một con số khổng lồ, ƣớc chừng hàng trăm tỉ USD/năm. Ví dụ tổn thất ăn mòn hàng năm ở Mỹ là 300 tỉ $ (1994), Đức – 117 tỉ DM (1994), Canada – 10 tỉ $ (1979), ệc – 470 triệu A$
(1973), Nhật – 3 triệu $ (những năm 70), v.v…
- Ăn mòn kim loại gây ô nhiễm môi trường do các sản phẩm ăn mòn hoặc các vật liệu bảo vệ bị phá hủy và rửa trôi theo mưa, bị hòa tan và ngấm vào đất, nước v.v…, gây tác hại đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người.
- Ngoài ra, sự ăn mòn hay suy giảm vật liệu còn dẫn đến sự hỏng hóc, nứt gẫy chi tiết thiết bị, nhẹ thì làm cho sản xuất phải ngừng trệ để sửa chữa, thay thế; trầm trọng thì gây nên những sự cố tai nạn thảm khốc, gây tổn hao về người và của.
4. Phương pháp chống ăn mòn kim loại
- Ảnh hưởng của diện tích bề mặt tiếp xúc đến tốc độ phản ứng hóa họ c:(11) khi tăng diện tích bề mặt chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng
Phương pháp bảo vệ bề mặt: phủ lên bề mặt kim loại một lớp sơn, dầu mỡ, chất dẻo hoặc tráng, mạ bằng một lớp kim loại khác.
Phương pháp điện hóa: Lấy ăn mòn điện hóa chống ăn mòn điện hóa, chọn một kim loại làm “vật hi sinh”.
- Kim loại mạnh hơn bảo vệ kim loại yếu hơn.
- Kim loại yếu hơn bảo vệ kim loại mạnh hơn.
- Ngoài ra, để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn người ta có thể làm giảm độ ẩm trong không khí bằng cách sử dụng các chất hút ẩm nhƣ silicagel để làm khô không khí.
Vì nếu độ ẩm tương đối dưới 50% thì tốc độ ăn mòn sẽ rất bé.
III. Sử dụng kim loại
1. Trong ngành công nghiệp
30 a. Nhôm (Al)
- Tính theo cả số lƣợng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vƣợt tất cả các kim lo ại khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới.
- Nhôm dễ dát mỏng, nhẹ, dẫn điện tốt: Dùng làm dây dẫn điện cực tốt vì dây dẫn cần phải nhẹ để có thể chăng xa.
- Độ bền với thời tiết cao: Do lớp màng oxy hóa nên nhôm không bị oxy hóa tiếp, tính chất này thích hợp cho việc ứng dụng làm cửa, vì cửa phải hứng chịu nắng mƣa.
- Nhôm nhẹ: Có nhiều thiết bị, máy móc cần vật liệu nhẹ, do đó nhôm là một giải pháp tốt cho chúng nhƣ vỏ máy bay, vỏ tàu vũ trụ, vỏ điện thoại… (dĩ nhiên là hợp kim nhôm, nhôm nguyên chất không đáp ứng đƣợc về độ cứng).
- Dễ phản ứng với oxy: Do nằm trong nhóm kim loại kiềm thổ, nên tính kim loại của nhôm khá cao, bột nhôm oxy hóa rất dễ và bốc cháy dưới ngọn lửa trắng nên đƣợc sử dụng trong pháo hoa. Ngoài ra với nhiệt độ đủ cao thì nhôm sẽ phản ứng với oxy tạo thành phản ứng nhiệt nhôm nổi tiếng dùng để nung chảy kim loại, điển hình là ứng dụng để hàn đường ray xe lửa.
- Ngoài ra, nhôm còn được dùng để đóng gói (can, giấy gói, v.v); xử lý nước; sản xuất các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v); chế tạo máy móc; đƣợc sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD, pháo hoa; điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (nhƣ crôm Cr Vonfarm W...).
b. Sắt (Fe)
- Sắt là kim loại đƣợc sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lƣợng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế đƣợc, đặc biệt trong các ứng dụng nhƣ sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng. Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại khác của sắt nhƣ: Gang thô, thép carbon, sắt non, …
- Ôxít sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này.
31
- Trong sản xuất xi măng người ta trộn thêm Sunfat Sắt vào để hạn chế tác hại của Crom hóa trị 6 - nguyên nhân chính gây nên bệnh dị ứng xi măng với những người thường xuyên tiếp xúc với nó.
c. Liti (Li)
- Khi cho thêm Liti và hợp chất của Liti vào thuỷ tinh thì có thể làm tăng cường độ và tính bền của thuỷ tinh, tăng cường tính quang học, có điện trở suất cao, có thể chịu đƣợc sự ăn mòn của axit, kiềm, sự nở vì nhiệt cũng không gây nguy hiểm lớn, thường được sử dụng trong công nghiệp hoá học và các dụng cụ quang học.
- Trong các nghành sản xuất của công nghiệp cơ khí cũng có thể tìm thấy “dấu tích“
của Liti. Hợp chất của Liti thì có thể cải thiện đáng kể hiệu năng bôi trơn, tiết kiệm lƣợng dùng dầu mỡ, giảm bớt mài mòn các linh kiện, kéo dài tuổi thọ của các máy móc.
- Lợi dụng tính dễ kết hợp với các phi kim và các tạp chất nhƣ than, các chất silicat, nghành luyện kim dùng nó để trừ khử các khí, lưu huỳnh, cacbon ...làm cho sản phẩm càng sít đặc, bền chắc. Chỉ cần cho thêm vào mấy phần vạn hay tới mấy phần mười vạn Liti là cú thể nhận ra hiệu quả rừ rệt.
- Liti cùng với Nhôm, Magiê, Bơili hợp tác tạo nên hợp kim vừa bền, vừa chịu va đập tốt dùng trong chế tạo đạn đạo, hoả tiễn, máy bay....
- Vì nhiệt dung riêng lớn của nó (lớn nhất trong số các chất rắn), liti đƣợc sử dụng trong các ứng dụng truyền nhiệt. Nó cũng là vật liệu quan trọng trong chế tạo anốt của pin vì khả năng điện hóa học cao của nó.
d. Kali (K)
- Hơi kali được sử dụng trong các từ kế, đó là một công cụ để đo hướng của từ trường.
- Các ngành công nghiệp khác có sử dụng kali bao gồm mực và công nghiệp nhuộm, trong đó sử dụng cromat kali. Kali cũng đƣợc sử dụng để làm vật liệu nổ và pháo hoa.
- Nó cũng được dùng như một phương tiện để truyền nhiệt trong nhiều ngành công nghiệp.
e. Magiê (Mg)
32
- Magiê, giống nhƣ nhôm, là cứng và nhẹ, vì thế nó đƣợc sử dụng trong một số các thành phần cấu trúc của các loại xe tải và ô tô dung tích lớn. Đặc biệt, các bánh xe ô tô cấp cao đƣợc làm từ hợp kim magiê.
- Các tấm khắc quang học trong công nghiệp in.
- Nằm trong hợp kim, nó là quan trọng cho các kết cấu máy bay và tên lửa.
- Là chất khử để sản xuất các kim loại khác từ muối của chúng.
- Các sử dụng khác bao gồm đèn flash trong nhiếp ảnh, pháo hoa, bao gồm cả bom cháy.
f. Canxi (Ca)
- Chất khử trong việc điều chế các kim loại khác nhƣ uran, ziriconi hay thori.
- Chất chống ôxi hóa, chống sulfua hóa hay chống cacbua hóa cho các loại hợp kim chứa hay không chứa sắt.
- Một chất tạo thành trong các hợp kim của nhôm, beryli, đồng, chì hay magiê.
- Nó đƣợc sử dụng trong sản xuất xi măng hay vữa xây sử dụng rộng rãi trong xây dựng.
g. Bạc (Ag)
- Các sản phẩm điện và điện tử, trong đó cần có tính dẫn điện cao của bạc, thậm chí ngay cả khi bị xỉn. Ví dụ, các bảng mạch in đƣợc làm từ sơn bạc, bàn phím máy tính sử dụng các tiếp điểm bằng bạc. Bạc cũng đƣợc sử dụng trong các tiếp điểm điện cao áp vì nó là kim loại duy nhất không đánh hồ quang ngang qua các tiếp điểm, vì thế nó rất an toàn.
- Các loại gương cần tính phản xạ cao của bạc đối với ánh sáng được làm từ bạc như là vật liệu phản xạ ánh sáng. Các loại gương phổ biến có mặt sau được mạ nhôm.
- Bạc đƣợc sử dụng để làm que hàn, công tắc điện và các loại pin dung tích lớn nhƣ pin bạc - kẽm hay bạc - cadmi.
- Việc sử dụng bạc trong các viên đạn cho súng là các ứng dụng phổ biến.
h. Vàng (Au)
33
- Vàng nguyên chất quá mềm không thể dùng cho việc thông thường nên chúng thường được làm cứng bằng cách tạo hợp kim với bạc, đồng và các kim loại khác.
Vàng và hợp kim của nó thường được dùng nhiều nhất trong ngành trang sức, tiền kim loại và là một chuẩn cho trao đổi tiền tệ ở nhiều nước.
- Bởi vàng là một chất phản xạ tốt với bức xạ điện từ nhƣ hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy đƣợc cũng nhƣ các sóng radio, nó đƣợc dùng làm lớp phủ bảo vệ cho nhiều vệ tinh nhân tạo, trong các tấm bảo vệ nhiệt hồng ngoại và mũ của các nhà du hành vũ trụ và trên các máy bay chiến tranh điện tử.
- Vàng đƣợc dùng nhƣ lớp phản xạ trên một số đĩa CD công nghệ cao.
- Vàng có thể được sản xuất mỏng tới mức nó dường như trong suốt. Nó được dùng trong một số cửa sổ buồng lái máy bay để làm tan băng hay chống đóng băng bằng cách cho một dòng điện chạy qua đó. Nhiệt tạo ra bởi kháng trở của vàng đủ để khiến băng không thể hình thành.
2. Trong đời sống a. Liti (Li)
Trong các bệnh viện, các cơ sở công cộng, nhà máy, xí nghiệp, thậm chí ngay trong tàu ngầm, dùng máy lạnh, sử dụng Bromua Liti để chống chế không khí có thể tạo nên môi trường dễ chịu, mát mẻ...
b. Kali (K)
Kali là khoáng chất cần thiết trong khẩu phần dinh dƣỡng; nó có mặt trong các cơ và là chất lỏng duy trì và cân bằng điện giải trong các tế bào. Kali đóng vai trò quan trọng trong việc gửi các xung thần kinh cũng nhƣ giải phóng năng lƣợng từ protein, chất béo và các cacbohiđrat trong quá trình trao đổi chất. Ăn các loại thức ăn khác nhau có chứa kali nhƣ khoai lang, cà chua, cà rốt, các loại đậu, … là phương pháp tốt nhất để duy trì một lượng vừa đủ của kali.
c. Magiê (Mg)
Không đủ magiê trong cơ thể sinh ra các chứng co thắt cơ, và nó liên quan đến các chứng bệnh tim mạch, đái đường, huyết áp cao và loãng xương.
d. Canxi (Ca)