Tách Kim Loại Và Việc Sử Dụng Hợp Kim
Phương pháp tách kim loại, hợp kim & sản xuất gang, thép
Phần lớn kim loại trong tự nhiên không tồn tại ở dạng tự do mà nằm trong quặng dưới dạng hợp chất (oxide, muối…). Chỉ một số ít kim loại quý như vàng (Au) mới có thể gặp ở dạng đơn chất, phân tán thành các hạt nhỏ lẫn trong đất, cát.
Quy trình chung để tách kim loại từ quặng gồm các bước:
Tuỳ theo mức độ hoạt động hoá học của kim loại, người ta chọn phương pháp tách phù hợp:
Nguyên tắc: dùng dòng điện phân huỷ hợp chất nóng chảy của kim loại.
Nguyên tắc: dùng chất khử ($C$, $CO$, $H_2$, $Al$…) tác dụng với oxide ở t° cao.
Nguyên tắc: hoà tan hợp chất thành dung dịch muối, dùng kim loại mạnh hơn đẩy ra.
Kim loại trung bình (Fe, Zn, Cu) có thể bị khử bằng $C$, $CO$, $H_2$ → dùng nhiệt luyện tiết kiệm hơn.
Kim loại yếu (Ag, Au) thường lẫn trong quặng nhỏ → hoà tan rồi đẩy ra bằng kim loại mạnh hơn.
▸ a) Tách nhôm (Al) bằng điện phân nóng chảy $Al_2O_3$
Nguyên liệu: quặng bauxite (thành phần chính là $Al_2O_3$).
Quá trình: trộn $Al_2O_3$ với cryolite (criolit), sau đó tiến hành điện phân nóng chảy.
▸ b) Tách sắt (Fe) bằng nhiệt luyện
Nguyên liệu: quặng hematite ($Fe_2O_3$). Dùng khí $CO$ làm chất khử ở nhiệt độ cao:
▸ c) Tách kẽm (Zn) bằng nhiệt luyện qua 2 giai đoạn
Nguyên liệu: quặng chứa $ZnS$ (zinc sulfide). Quá trình tách kẽm phải qua 2 giai đoạn:
Lưu ý: hợp kim được tạo bằng cách nấu chảy kim loại rồi hoà tan vào nhau, không phải trộn cơ học các bột kim loại.
▸ Ưu điểm so với kim loại nguyên chất
Hợp kim thường vượt trội hơn kim loại nguyên chất về:
• Độ cứng cao hơn.
• Độ bền tốt hơn.
• Khả năng chống ăn mòn, gỉ sét tốt hơn.
Vì vậy hợp kim được dùng rất phổ biến trong đời sống và công nghiệp thay cho kim loại nguyên chất.
▸ Một số hợp kim phổ biến
| Hợp kim | Thành phần | Tính chất | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| Gang | Fe + C (2 – 5%) + Si, Mn, S… | Cứng, giòn | Đúc chi tiết máy, ống nước, nắp cống |
| Thép | Fe + C (dưới 2%) + nguyên tố khác | Cứng, đàn hồi, chịu lực tốt | Xây dựng, cầu đường, giao thông |
| Inox | Fe + C + Cr, Ni | Cứng, khó gỉ | Đồ gia dụng, thiết bị y tế |
| Đuy-ra (Duralumin) | Al + Cu, Mn, Mg | Nhẹ, bền, cứng hơn nhôm nhiều | Chế tạo máy bay, ô tô |
Thép: chứa C ít (dưới $2\%$) → vừa cứng vừa đàn hồi, chịu lực tốt.
Đuy-ra: nhôm + Cu, Mn, Mg → nhẹ và bền → máy bay, ô tô.
▸ a) Sản xuất GANG (trong lò cao)
Nguyên liệu: quặng hematite ($Fe_2O_3$), than cốc, đá vôi ($CaCO_3$).
$C + O_2 \xrightarrow{t°} CO_2$
$C + CO_2 \xrightarrow{t°} 2CO$
$3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t°} 2Fe + 3CO_2$
Sắt nóng chảy hoà tan một lượng nhỏ carbon và một số nguyên tố khác → tạo thành gang lỏng.
$CaCO_3 \xrightarrow{t°} CaO + CO_2$
$CaO + SiO_2 \xrightarrow{t°} CaSiO_3$ (xỉ)
Xỉ nhẹ hơn gang lỏng → nổi lên trên và được tháo ra qua cửa tháo xỉ.
▸ b) Sản xuất THÉP (trong lò thổi)
Nguyên liệu: gang (hoặc thép phế liệu) và khí $O_2$.
Nguyên tắc: thổi khí $O_2$ vào gang nóng chảy ở nhiệt độ cao để đốt cháy bớt các tạp chất (C, Si, Mn, S…):
• Các oxide dạng khí ($CO_2$, $SO_2$…) thoát ra theo khí thải.
• Các oxide dạng rắn ($SiO_2$, $MnO_2$…) tạo xỉ nhẹ, nổi lên trên thép lỏng và được tách ra.
Kết quả: hàm lượng carbon giảm xuống dưới 2% → thu được thép.
Thép: Gang + $O_2$ → Lò thổi → Thép.
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm các dạng bài tập tính toán chi tiết (khử oxide bằng $CO$/$H_2$, tính lượng quặng theo hiệu suất, xác định công thức oxide sắt, bài toán hỗn hợp oxide, tính thành phần hợp kim…) và phương pháp giải có ví dụ minh họa, hãy đọc bài viết bên dưới:
Đầy đủ về 3 phương pháp tách, sản xuất nhôm, gang, thép, kẽm, các dạng bài tập SGK kèm phương pháp giải và ví dụ chi tiết.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 22 câu bám sát chương trình SGK!
Cùng luyện bài Tách kim loại và Hợp kim!
22 câu: 17 trắc nghiệm · 3 đúng/sai · 2 tự luận
Tuyệt vời!
Cô Trần Thị Thanh Thảo
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS
Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu