Bài 20: Kim loại trong tự nhiên và phương pháp tách kim loại

1. Kiến thức trọng tâm

Trong tự nhiên, chỉ một số ít kim loại kém hoạt động như vàng, bạch kim tồn tại ở dạng tự do. Phần lớn kim loại tồn tại ở dạng hợp chất trong quặng, chẳng hạn hematit chứa $Fe_2O_3$, boxit chứa $Al_2O_3$, malachit chứa $Cu_2(OH)_2CO_3$. Để thu được kim loại, người ta phải tách kim loại ra khỏi hợp chất bằng cách khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại.

Tuỳ thuộc vào mức độ hoạt động hoá học, người ta dùng các phương pháp khác nhau. Phương pháp nhiệt luyện dùng chất khử như $C$, $CO$, $H_2$ hoặc $Al$ để khử oxit kim loại ở nhiệt độ cao, ví dụ $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$. Phương pháp này áp dụng cho các kim loại hoạt động trung bình như kẽm, sắt, thiếc. Phương pháp điện phân dùng dòng điện để khử ion kim loại, áp dụng cho các kim loại hoạt động mạnh như natri, kali, nhôm, magie. Ví dụ, điện phân nóng chảy $Al_2O_3$ thu được nhôm: $2Al_2O_3 \rightarrow 4Al + 3O_2$.

Phương pháp thuỷ luyện dùng dung dịch thích hợp để hoà tan hợp chất kim loại rồi dùng kim loại mạnh hơn đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối. Ví dụ, ngâm quặng đồng trong dung dịch $H_2SO_4$ rồi cho sắt vào để thu đồng. Các kim loại quý như vàng được tách bằng phương pháp hoà tan trong dung dịch xianua rồi dùng kẽm khử.

2. Ví dụ minh họa

Ví dụ. Vì sao không thể điều chế nhôm bằng phương pháp nhiệt luyện dùng cacbon mà phải dùng điện phân nóng chảy?

Lời giải. Nhôm là kim loại hoạt động mạnh, liên kết $Al-O$ trong $Al_2O_3$ rất bền, cacbon không đủ khả năng khử $Al_2O_3$ ở nhiệt độ thường dùng. Điện phân nóng chảy cung cấp năng lượng đủ lớn để khử ion $Al^{3+}$ thành nhôm kim loại tại catot, đồng thời giải phóng oxi tại anot.

3. Ghi nhớ

• Kim loại tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất trong quặng.
• Ba phương pháp tách kim loại: nhiệt luyện, điện phân, thuỷ luyện.
• Kim loại càng hoạt động mạnh càng cần phương pháp tách tốn nhiều năng lượng.