Title Chuyên đề 11 - Điều chế lim loại - Thủy luyện, nhiệt luyện, điện phân.docx ✅

Tên Chuyên Đề: ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI: NHIỆT LUYỆN, THỦY LUYỆN, ĐIỆN PHÂN Phần A: Lí Thuyết I. Nguyên tắc điều chế kim loại Trong hợp chất, kim loại tồn tại dưới dạng ion dương M n+ . Muốn chuyển hóa những ion này thành nguyên tử kim loại, ta thực hiện sự khử các ion kim loại : M n+ + ne  M II. Phương pháp điều chế kim loại 1. Phương pháp thủy luyện : Dùng kim loại tự do có tính khử mạnh hơn để ion kim loại khác trong dung dịch muối. Phương pháp này được áp dụng trong phòng thí nghiệm để điều chế những kim loại có tính khử yếu. Thí dụ:         - Zn khử Cu 2+ thành Cu: Zn + CuSO 4  ZnSO 4 + Cu         - Cu khử Ag + thành Ag: Cu + 2 AgNO 3  Cu(NO 3 ) 2 + 2Ag. 2. Phương pháp nhiệt luyện : Dùng chất khử như CO, H 2 , C hoặc kim loại Al để khử ion kim loại trong oxide ở nhiệt độ cao. Phương pháp này được áp dụng để sản xuất kim loại trong công nghiệp: CuO + H 2 0t Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3CO 0t 2Fe + CO 2 Fe 2 O 3 + 2Al 0t 2Fe + Al 2 O 3 Bằng phương pháp này có thể điều chế được những kim loại có tính khử yếu hoặc trung bình ( kim loại đứng sau nhôm Al ) 3. Phương pháp điện phân :  Dùng dòng điện một chiều trên cathode (cực âm) để khử ion kim loại trong hợp chất. Bằng phương pháp điện phân này ta có thể điều chế được hầu hết các kim loại.         - Để điều chế kim loại có tính khử mạnh ( từ Li đến Al), ta điện phân hợp chất nóng chảy của chúng ( muối, kiềm, oxi ) Ví dụ, phương trình điện phân:               - Để điều chế kim loại có tính khử trung bình hoặc yếu, ta điện phân dung dịch của chúng trong nước. Ví dụ, phương trình điện phân:         Bằng phương pháp này có thể điều chế được những kim loại có độ tinh khiết cao ( 99,999%), dùng chế tạo các chất bán dẫn trong kĩ thuật điện tử. Phần B: Bài Tập Được Phân Dạng (mỗi dạng tối thiểu 10 câu) Dạng 1: Điều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện * Phương pháp: 1.1. Với bài toán Một kim loại tác dụng với dung dịch chứa một muối Thường áp dụng các phương pháp đại số hoặc tăng giảm khối lượng Phương pháp đại số Phương pháp suy luận tăng giảm . - Đặt x là số mol phần kim loại đã phản ứng - Xác định ∆m theo PTHH (theo hệ số cân bằng)
- Viết PTHH, tính theo PTHH với ẩn x đã đặt. - Lập phương trình toán biểu diễn độ tăng hoặc giảm khối lượng. - Giải pt tìm số mol x và kết luận - Xác định ∆m theo đề bài - Áp dụng công thức: - - Tính toán theo yêu cầu của đề bài 1.2. Với bài toán Một kim loại tác dụng với dung dịch nhiều muối (hoặc nhiều kim loại tác dụng với dung dịch chứa một muối) • Khi đề cho biết đầy đủ số mol của tất cả các muối và kim loại ban đầu: - So sánh so mol hóa trị của các đon chất kim loại với số mol hóa trị của các gốc axit trong muối (hoặc kim loại trong muối) để xác định chất nào dư, thiếu. - Viết các phản ứng đúng theo thứ tự và tính theo phương trình hóa học. • Khi để cho biết số mol các muối ban đầu và khối lượng rắn sau phản ứng: - So sánh khối lượng chất rắn với khối lượng kim loại trong muối để xác định chất dư hoặc hết. + Nếu m rắn sau phản ứng > m KL trong muối ban đầu → kim loại còn dư + Nếu m rắn sau phản ứng < m KL trong muối ban đầu → muối ban đầu còn dư + Nếu m KL trong 1 muối < m rắn sau < m KL trong các muối → 1 muối phản ứng hết • Khi đề không cho biết số mol của mỗi chất trong hỗn hợp kim loại ban đầu (hoặc hỗn hợp muối ban đầu): - Phương pháp biện luận theo trường hợp: + Trường hợp 1: chỉ xảy ra 1 phản ứng đầu tiên (theo thứ tự phản ứng) + Trường hợp 2,3 ..: lần lượt cho xảy ra các phản ứng tiếp theo. - Phương pháp khác: Tùy vào đặc điểm bài toán mà có thể sử dụng các phương pháp khác như bảo toàn khối lượng, tăng giảm khối lượng, phương pháp đại số, sử dụng quy tắc hóa trị , tự chọn lượng chất, hóa trị trung bình... 1.3. Với bài toán hỗn hợp nhiều kim loại tác dụng với dung dịch chứa nhiều muối. • Khi đề cho biết đầy đủ số mol các kim loại và muối ban đầu thì viết phản ứng theo đúng thứ tự và tính toán theo phương trình hóa học (chú ý so sánh hóa trị). • Khi đề bài không cho biết đầy đủ số mol các chất ban đầu thì dựa vào các dữ kiện sau phản ứng (khối lượng chất rắn, số lượng kim loại, số lượng muối, các thí nghiệm phụ của sản phẩm ...) để kết luận chất nào phản ứng hết, chất nào còn dư. → Phương pháp thường sử dụng: + Phương pháp đại số, kết hợp bảo toàn khối luợng, tăng (giảm) khối lượng. + Phương pháp phân tích hệ số + Phương pháp sử dụng quy tắc hóa trị. + Phương pháp giải theo chất ảo (chất đương đương). (Cấp THPT còn nhiều phương pháp khác: bảo toàn electron, bảo toàn điện tích…)
* Ví dụ: Ví dụ 1: Để phủ một lớp bạc (silver) lên một vật bằng đồng (copper) có khối lượng 8,48 gam, người ta ngâm vật đó vào dung dịch AgNO 3 . Sau một thời gian lấy vật đó ra khỏi dung dịch, rửa nhẹ, làm khô, rồi đem cân được 10 gam. Viết phương trình phản ứng xảy ra và tính khối lượng bạc (silver) phủ lên trên bề mặt của vật. Phân tích Để giải bài toán này học sinh cần hiểu một số nội dung sau: - Cu hoạt động hóa học mạnh hơn Ag nên đẩy được Ag khỏi dung dịch AgNO 3 . - Phản ứng xảy ra trên bề mặt của vật nên Ag sinh ra bám trên vật bằng đồng. - Khối lượng kim loại tăng lên là do khối lượng kim loại sinh ra (bám vào vật) lớn hơn khối lượng kim loại đã phản ứng: m Ag(sinh ra) – m Cu(phản ứng) = 1,52 gam Hướng dẫn * Cách 1: Phương pháp đại số 3322()2CuAgNOCuNOAg x mol 2x mol Theo đề bài ta có: 8,48.642.108100,01xxx mol Vậy khối lượng Ag phủ trên vật là:  0,01.2.1082,16 Agsinhram gam * Cách 2: Phương pháp tăng giảm khối lượng 3322()2CuAgNOCuNOAg Theo phản ứng: 1 mol Cu → 2 mol Ag => tăng 21654152m gam Theo đề: 108,481,52m gam 1,52 .20,02 152Agn mol  0,01.2.1082,16 Agsinhram (gam) Ví dụ 2. Một thanh kim loại M được nhúng trong 0,1 lít dung dịch CuSO 4 0,5M. Sau khi lấy thanh M ra và cân lại, thấy khối lượng của thanh tăng 0,16 gam, nồng độ CuSO 4 giảm còn bằng 0,3M (thể tích dung dịch thay đổi không đáng kể). Xác định kim loại M. Lấy 8,4 gam M nhúng vào 1,0 lít dung dịch B chứa AgNO 3 0,2M và Cu(NO 3 ) 2 0,2M đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn. Thanh M có tan hết hay không? Tính khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng và nồng độ mol các muối có trong dung dịch sau phản ứng (giả sử thể tích dung dịch vẫn là 1,0 lít). Phân tích - Ý 1 (xác định kim loại M) là dạng toán đơn giản, nếu tính đúng so mol CuSO 4 phản ứng, và chú ý hóa trị của các kim loại trong muối thường bằng 1, 2 hoặc 3. - Ý 2: Cu hoạt động hóa học hơn Ag nên muối AgNO 3 phản ứng trước, sau đó mới đến phản ứng của CuSO 4 . Hướng dẫn
4 u)((0,50,3).0,10,02phaCnOnguSn (mol) 4242(SO)xMxCuSOMxCu 0,04 x 0,02 mol 0,02 (mol) Theo đề: 0,04 0,02.640,1628(*)MMx x - Biện luận theo (*) x 1 2 3 M 28 56 84 (loại) (nhận) (loại) Vậy kim loại M là iron (Fe) 332() 8,4 0,15();0,2();0,1() 56FeAgNOCuNOnmolnmolnmol So sánh hóa trị ta thấy: 3332()0,2.10,15.2.1.20,4AgNOFeAgNOCuNOnnnn → AgNO 3 hết, Fe tan hết, Cu(NO 3 ) 2 còn dư 3322()2FeAgNOFeNOAg 0,1 ←0,2 0,1 0,2 (mol) 3232()()FeCuNOFeNOCu 0,05→ 0,05 0,05 0,05 (mol)  u0,2.1080,05.6424,8() ransauphanngmgam Nồng độ C M của các muối trong dung dịch sau phản ứng là: 3232()() 0,10,050,10,05 C0,15;C0,05 1,01,0MFeNOMCuNOMM  Ví dụ 3. Cho 1,36 gam hỗn hợp Fe và Mg vào 400ml dung dịch CuSO 4 . Sau phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được chất rắn A nặng 1,84 gam và dung dịch B. Cho dung dịch B tác dụng với dung dịch NaOH dư. Lọc lấy kết tủa đem nung ngoài không khí đến khối lượng không đổi được một hỗn hợp oxide nặng 1,2 gam. Hãy tính khối lượng mỗi kim loại và nồng độ mol/l CuSO 4 ban đầu. (Trích đề thi vào lớp 10 chuyên hóa Lê Quý Đôn- Bình Định, năm học 2014-2015) Phân tích Đây là bài toán cho biết khối lượng hỗn hợp kim loại (Mg, Fe) và khối lượng rắn sau phản ứng với CuSO 4 (chưa biết số mol nên không so sánh được). Tuy nhiên, để lại cho thêm một dữ kiện là sản phẩm nung kết tủa ngoài không khí → 1,2 gam Dễ thấy khối lượng chất rắn sau nung < khối lượng 2 kim loại ban đầu nên → Fe chưa phản ứng hết → rắn MgO, Fe 2 O 3 . Hướng dẫn: