Câu hỏi mở đầu trang 94

Đề bài: Trong tự nhiên, các kim loại (trừ vàng, bạc và platinum) thường tồn tại dưới dạng hợp chất trong quặng. Làm thế nào để tách kim loại ra khỏi quặng?

Lời giải:

Nguyên tắc chung để tách kim loại ra khỏi quặng là khử ion kim loại trong hợp chất thành nguyên tử:

$$\text{M}^{n+} + n\text{e} \longrightarrow \text{M}$$

Tuỳ vào mức độ hoạt động hoá học của kim loại mà lựa chọn phương pháp phù hợp:

• Kim loại hoạt động mạnh (K, Na, Ca, Mg, Al,…): điện phân nóng chảy.
• Kim loại hoạt động trung bình, yếu (Zn, Fe, Cu,…): nhiệt luyện, điện phân dung dịch hoặc thuỷ luyện.

I. Kim loại trong tự nhiên

Câu 1 trang 95

Đề bài:

a) Hãy cho biết những kim loại nào tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

b) Hãy tìm hiểu và cho biết một số mỏ quặng kim loại quan trọng ở Việt Nam.

Lời giải:

a) Các kim loại kém hoạt động như vàng (Au), bạc (Ag), platinum (Pt) tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

b) Một số mỏ quặng kim loại quan trọng ở Việt Nam:

• Quặng bauxite (nhôm): Tây Nguyên (Lâm Đồng, Đắk Nông).
• Quặng sắt (hematite): Thạch Khê (Hà Tĩnh), Trại Cau (Thái Nguyên).
• Quặng đồng (chalcopyrite): Sinh Quyền (Lào Cai).
• Quặng kẽm (zinc blende): Chợ Đồn (Bắc Kạn).

II. Các phương pháp tách kim loại

1. Tách kim loại hoạt động hoá học mạnh – Điện phân nóng chảy

Hoạt động trang 95 – Điện phân Al₂O₃ nóng chảy

Đề bài: Hãy tìm hiểu quá trình điện phân $\text{Al}_2\text{O}_3$ nóng chảy và thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nêu vai trò của cryolite trong quá trình điện phân.
2. Tại sao sau một thời gian, cần phải thay cực dương của bình điện phân. Viết các phương trình hoá học để giải thích.

Lời giải:

1. Vai trò của cryolite ($\text{Na}_3\text{AlF}_6$):

• Hạ nhiệt độ nóng chảy của $\text{Al}_2\text{O}_3$ (từ khoảng 2 050 °C xuống khoảng 900 °C) → tiết kiệm năng lượng.
• Tăng độ dẫn điện của hỗn hợp nóng chảy.
• Tạo lớp bảo vệ nổi trên bề mặt nhôm nóng chảy, ngăn nhôm bị oxi hoá bởi không khí.

2. Vì sao phải thay cực dương:

• Ở cực dương (làm bằng than chì – carbon), ion $\text{O}^{2-}$ bị oxi hoá tạo ra khí O₂:

$$2\text{O}^{2-} \longrightarrow \text{O}_2 + 4\text{e}$$

• Ở nhiệt độ cao, khí O₂ sinh ra phản ứng ngay với carbon ở cực dương:

$$\text{C}(s) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{t^o} \text{CO}_2(g)$$

$$2\text{C}(s) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{t^o} 2\text{CO}(g)$$

→ Cực dương bị ăn mòn dần, do đó sau một thời gian phải thay cực dương mới.

Câu 2 trang 95

Đề bài:

a) Hãy cho biết những kim loại nào thường được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy. Giải thích.

b) Hãy viết các quá trình xảy ra trên các điện cực và phương trình hoá học của phản ứng khi điện phân nóng chảy muối ăn.

Lời giải:

a) Các kim loại hoạt động hoá học mạnh như K, Na, Ca, Mg, Al,… thường được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy hợp chất của chúng (oxide hoặc muối chloride).

Giải thích: Các kim loại này có tính khử rất mạnh, ion của chúng khó bị khử bằng các chất khử thông thường (như C, CO,…). Nếu điện phân dung dịch muối thì nước sẽ bị điện phân trước → phải điện phân hợp chất ở trạng thái nóng chảy.

b) Điện phân nóng chảy muối ăn (NaCl):

• NaCl nóng chảy phân li thành ion: $\text{NaCl} \longrightarrow \text{Na}^+ + \text{Cl}^-$
• Tại cathode (cực âm): ion Na⁺ bị khử

$$\text{Na}^+ + \text{e} \longrightarrow \text{Na}$$

• Tại anode (cực dương): ion Cl⁻ bị oxi hoá

$$2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\text{e}$$

• PTHH của phản ứng điện phân:

$$2\text{NaCl}(l) \xrightarrow{\text{đpnc}} 2\text{Na}(l) + \text{Cl}_2(g)$$

2. Tách kim loại hoạt động trung bình, yếu

Câu 3 trang 96

Đề bài: Hãy kể tên một số kim loại được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện.

Lời giải:

Các kim loại có độ hoạt động trung bình, yếu thường được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện, ví dụ: Zn, Fe, Sn, Pb, Cu,…

Hoạt động trang 96 – Điện phân dung dịch CuSO₄

Đề bài: Quan sát Hình 20.2 và thực hiện các yêu cầu sau:

1. Cho biết điện cực nào là điện cực dương, điện cực nào là điện cực âm.
2. Hãy viết các quá trình xảy ra trên các điện cực và phương trình hoá học của phản ứng điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$.

Lời giải:

1. Dựa theo quy ước dây dẫn (dây đỏ nối với cực dương, dây đen nối với cực âm) trong Hình 20.2:

• Điện cực nối với dây đỏ là cực dương (anode).
• Điện cực nối với dây đen là cực âm (cathode).

2. Điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$ với hai điện cực than chì:

• Trong dung dịch: $\text{CuSO}_4 \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{SO}_4^{2-}$
• Tại cathode (cực âm): ion Cu²⁺ bị khử (H₂O không bị khử vì Cu²⁺ dễ bị khử hơn):

$$\text{Cu}^{2+} + 2\text{e} \longrightarrow \text{Cu}$$

• Tại anode (cực dương): $\text{SO}_4^{2-}$ không bị điện phân, nước bị oxi hoá:

$$2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4\text{e}$$

• PTHH của phản ứng điện phân:

$$2\text{CuSO}_4(aq) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \xrightarrow{\text{đpdd}} 2\text{Cu}(s) + \text{O}_2(g) + 2\text{H}_2\text{SO}_4(aq)$$

III. Tái chế kim loại

Hoạt động trang 98

Đề bài: Em hãy tìm hiểu, trình bày nhu cầu sử dụng và thực tiễn tái chế sắt, nhôm, đồng ở Việt Nam.

Lời giải:

Nhu cầu sử dụng:

• Sắt (thép): dùng nhiều trong xây dựng (nhà cao tầng, cầu đường, cốt thép), sản xuất ô tô, xe máy, đồ gia dụng.
• Nhôm: dùng trong xây dựng (cửa nhôm, khung nhà), sản xuất đồ gia dụng, vỏ lon, thiết bị điện tử.
• Đồng: dùng làm dây dẫn điện, thiết bị điện, đường ống nước, đồ mỹ nghệ.

Thực tiễn tái chế ở Việt Nam:

• Ba kim loại này đều được tái chế phổ biến từ phế liệu (sắt vụn, lon nhôm, dây đồng cũ).
• Nhiều làng nghề tái chế (như Đa Hội – Bắc Ninh với sắt thép; Mẫn Xá – Bắc Ninh với nhôm) đóng góp lượng lớn kim loại tái chế.
• Tuy nhiên, phần lớn quy mô còn nhỏ lẻ, công nghệ lạc hậu, gây ô nhiễm môi trường → cần đầu tư công nghệ hiện đại và quản lý chặt chẽ hơn.

IV. Em có thể

Nguyên tắc tinh chế kẽm, đồng bằng phương pháp điện phân dung dịch

Lời giải:

Nguyên tắc: dùng phương pháp điện phân dung dịch muối của kim loại đó với:

• Cực dương (anode): làm bằng kim loại thô (Zn thô hoặc Cu thô) cần tinh chế.
• Cực âm (cathode): làm bằng kim loại tinh khiết (Zn hoặc Cu tinh khiết).
• Dung dịch điện phân: muối tương ứng ($\text{ZnSO}_4$ hoặc $\text{CuSO}_4$).

Quá trình xảy ra (ví dụ với đồng):

• Tại cực dương: đồng thô bị oxi hoá, tan vào dung dịch:

$$\text{Cu} \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{e}$$

• Tại cực âm: ion Cu²⁺ bị khử, tạo thành đồng tinh khiết bám lên điện cực:

$$\text{Cu}^{2+} + 2\text{e} \longrightarrow \text{Cu}$$

→ Kết quả: đồng tinh khiết được tách ra ở cực âm, tạp chất lắng xuống đáy bình điện phân. Cách tinh chế kẽm cũng tương tự.

Thực tiễn tái chế sắt, nhôm, đồng ở Việt Nam

Lời giải:

• Sắt, nhôm, đồng là những kim loại được tái chế nhiều nhất ở Việt Nam vì nhu cầu sử dụng cao, trong khi trữ lượng quặng ngày càng cạn kiệt.
• Việc tái chế tiết kiệm năng lượng so với sản xuất từ quặng, giảm ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn phế liệu.
• Ứng dụng phổ biến của kim loại tái chế: sắt thép tái chế làm cốt thép xây dựng, sản xuất ô tô; nhôm tái chế làm khung cửa, vỏ lon; đồng tái chế làm dây dẫn điện, thiết bị điện.
• Việt Nam đang khuyến khích tái chế như một phần của phát triển bền vững, tuy nhiên cần cải thiện công nghệ để giảm tác động xấu tới môi trường.

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ