Luyện tập Các phương pháp tách kim loại CTST

Zn tác dụng với dd chứa CuSO₄: 0,2 mol và Fe₂(SO₄)₃: 0,1 mol.

        Zn + 2Fe³⁺ → 2Fe²⁺ + Zn²⁺

mol: 0,1 ← 0,2  →   0,2

m_tăng = 0,1.65 = 6,5 gam nên tiếp tục có phản ứng.

        Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

mol: 0,2    0,2       0,2

⇒ m_tăng = 6,5 + 0,2(65 – 64) = 6,7 nên phản ứng trên Cu²⁺ dư.

Đặt n_{Cu²⁺ p/ư} = x thì m_tăng = 6,5 + (65 – 64 ).x = 6,62 ⇒ x = 0,12 mol

⇒ m_Zn = (0,12 + 0,1).65 = 14,3 (g)

Kim loại là vật liệu có thể được tái chế nhiều lần mà thường không làm thay đổi tính chất cũng như giảm chất lượng của chúng.

Nguyên tắc tách kim loại là khử ion kim loại thành đơn chất:

Mⁿ⁺ + ne → M

- CuO, Fe₂O₃, ZnO bị bởi khử C, CO, H₂ tạo thành Cu, Fe, Zn.

- Còn lại MgO.

⇒ Hỗn hợp chất rắn thu được là Cu, Fe, Zn, MgO.

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

→ Phương pháp thủy luyện.

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄.

→ Phương pháp điện phân.

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄.

→ Dung dịch muối tác dụng với dung dịch base.

Cu + 2AgNO₃ → 2Ag + Cu(NO₃)₂.

→ Phương pháp thủy luyện.

Việc tái chế giúp các doanh nghiệp giảm chi phí sản xuất, từ đó giảm giá thành sản phẩm.

Điều chế Ca từ CaCO₃:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

CaCl₂ Ca + Cl₂

Phương pháp nhiệt luyện được thực hiện bằng cách khử những ion kim loại hoạt động trung bình và yếu (như Zn, Fe, Sn, Pb, Cu,...) trong các oxide của chúng ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO,...

Ta dùng dung dịch Fe₂(SO₄)₃ vì sau phản ứng không tạo ra kim loại mới.

Phương trình hóa học:

Fe + Fe₂(SO₄)₃ → 3FeSO₄

Trong phản ứng:

Nguyên tử C trong phân tử CO nhường electron → CO đóng vai trò là chất khử.

Điện phân dung dịch dùng để tách các kim loại có độ hoạt động trung bình hoặc yếu như Zn, Fe, Sn, Pb, Cu, Ag,...

→ Na không thể tách bằng phương pháp điện phân dung dịch.

Trong tự nhiên, chỉ có một số ít kim loại tồn tại ở dạng đơn chất như vàng, bạc, platinum,...

Cả 4 cách đều có thể áp dụng được:

(1) Zn + 2AgNO₃ → Zn(NO₃)₂ + 2Ag

(2) 4AgNO₃ + 2H₂O 4Ag + 4HNO₃ + O₂

(3) 2AgNO₃ + 2NaOH → Ag₂O + H₂O + 2NaNO₃

      2Ag₂O O₂ + 4Ag

(4) 2AgNO₃ 2Ag + 2NO₂ + O₂

Gọi công thức oxide M₂O_n; n_O2 = 0,3 (mol)

Phương trình hóa học:

         2M₂O_n 4M + nO₂↑

mol:                     ← 0,3

Ta có:

⇒ .M_M = 10,8

⇒ M_M = 9n

Vì hóa trị của kim loại thường là 1, 2, 3 nên chạy lần lượt đến n = 3 thì M_M = 27 (Al) thỏa mãn.

Vậy công thức oxide là Al₂O₃.

Ca là kim loại có độ hoạt động mạnh nên thường được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy CaCl₂:

CaCl₂  Ca + Cl₂

Chất rắn Y: Cu, Fe

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Gọi số mol của CuO, Fe₂O₃ trong hỗn hợp lần lượt là x, y (mol).

Bảo toàn Fe: n_Fe = n_{Fe (Fe2O3)} = 2y

Gọi số mol CO₂, CO, H₂ lần lượt là a, b, c.

Ta có:

          C + 2H₂O CO₂ + 2H₂

mol:                            a  →  2a

         C + H₂O CO + H₂ 

mol:                         b →  b

Bảo toàn O:

n_{O (CO pư)} + n_{O (CuO, Fe2O3)} = n_{O (CO2)} + n_{O (H2O)}

⇒ b + 0,1 + 0,1.3 = 2b + c ⇒ b + c = 0,4     (2)

Lại có: 2a + b = c                                         (3)

Từ (1); (2); (3) giải hệ phương trình được: a = b = 0,1 và c = 0,3 mol

⇒ V = 0,5.24,79 = 12,395 (lít)

Dung dịch sau phản ứng tác dụng với Fe ⇒ Có Cu²⁺ dư.

           Fe  +  Cu²⁺ ⟶ Fe²⁺ + Cu

mol: 0,45 ⟶ 0,45

Anode (+):

        2Cl^– ⟶ Cl­₂ + 2e

mol:            0,15 ⟶ 0,3

Cathode (–):

          Cu²⁺ + 2e ⟶ Cu

mol: 0,15 ⟵ 0,3

⇒ n_{CuCl2 bđ} = 0,15 + 0,45 = 0,6 mol

⇒ V_CuCl2 = = 1,2 lít.

n_NaCl = 0,2 (mol); n_NO = 0,025 (mol)

Dung dịch sau điện phân tác dụng với Mg tạo NO nên H₂O đã bị điện phân ở anode.

Mặt khác khối lượng thanh Mg tăng nên có Cu²⁺ dư.

Anode: n_Cl2 = .n_NaCl = 0,1 (mol) và n_O2 = a (mol)

Cathode: n_Cu = b (mol)

Bảo toàn electron: 0,1.2 + 4a = 2b               (1)

m_{dd giảm} = 0,1.71 + 32a + 64b = 25,5           (2)

Giải hệ (1) và (2) ta có: a = 0,075, b = 0,25

n_H⁺ = 4a = 4n_NO + 10n_NH4⁺ ⇒ n_NH4⁺ = 0,02 (mol)

n_Cu²⁺ = c, bảo toàn electron:

2n_{Mg phản ứng} = 2c + 3n_NO + 8n_NH4⁺

⇒ n_{Mg phản ứng} = c + 0,1175

Δm = 64c + 24(c + 0,1175 )= 9,18 ⇒ c = 0,3

Ban đầu: n_Cu(NO3)2 = b + c = 0,55 → x = 103,4 

Muối khan gồm: Mg²⁺ (0,4175 mol ), Na⁺ (0,2 mol), NH₄⁺ (0,02 mol) ⇒ NO₃⁻ (1,055 mol )

⇒ m_muối = 80,39 (g)

X: chứa Cu²⁺, Na⁺, H⁺, NO₃⁻ 

⇒ m_{Mg phản ứng} = 10,02 (g)

Để tách Ag từ quặng chứa Ag₂S bằng phương pháp thủy luyện người ta cần dùng thêm dung dịch NaCN và Zn:

Nghiền nhỏ quặng silver (Ag₂S), hòa tan dung dịch sodium cyanide (NaCN), rồi lọc để thu được dung dịch chứa phức chất tan của bạc:

Ag₂S + 4NaCN → 2Na[Ag(CN)₂] + Na₂S

Sau đó, ion Ag⁺ trong phức được khử bằng kim loại kẽm:

2Na[Ag(CN)₂] + Zn → Na₂[Zn(CN)₄] + 2Ag