điều CHẾ KIM LOẠI (VIP)

+ Nêu được nguyên tắc điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân.. Phương pháp thủy luyện  Điều chế những kim loại có tính khử yếu như: Cu, Hg, Ag, Au…  Nguyên tắc: Kim loại mạnh đẩy

CHƯƠNG 5 BÀI 10: ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI Mục tiêu

 Kiến thức

+ Trình bày được nguyên tắc chung để điều chế kim loại

+ Nêu được nguyên tắc điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân

+ Nêu được nguyên tắc điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện

+ Nêu được nguyên tắc điều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện

 Kĩ năng

+ Biết cách lựa chọn được phương pháp điều chế kim loại cụ thể cho phù hợp

+ Viết được các phương trình hóa học điều chế kim loại cụ thể

+ Giải được các bài tập về tính khối lượng nguyên liệu sản xuất được một lượng kim loại xácđịnh theo hiệu suất hoặc ngược lại…

I LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

A Nguyên tắc chung

Khử ion kim loại thành nguyên tử: Mn ++ne→M

B Phương pháp

1 Phương pháp nhiệt luyện

 Điều chế kim loại có tính khử trung bình như: Zn, Fe, Sn,

Pb…

 Nguyên tắc: Oxit kim loại C,CO,H ,Al 2 → Kim loại

2 Phương pháp thủy luyện

 Điều chế những kim loại có tính khử yếu như: Cu, Hg, Ag,

Au…

 Nguyên tắc: Kim loại mạnh đẩy kim loại yếu ra khỏi dung

dịch muối của nó

3 Phương pháp điện phân

a Điện phân nóng chảy

 Điều chế kim loại hoạt động hóa học mạnh như: K, Na,

Ca, Mg, Al

 Nguyên tắc: Khử ion kim loại bằng dòng điện (Điện phân

nóng chảy muối, bazơ, oxit của các kim loại có tính khử

mạnh)

b Điện phân dung dịch

 Điều chế kim loại hoạt động trung bình hoặc yếu

 Nguyên tắc: Điện phân dung dịch muối của chúng

 Công thức Faraday: m AIt

nF

=Trong đó:

m: Khối lượng chất thu được ở cực âm (gam)

A: Khối lượng mol nguyên tử chất thu được ở điện cực

n: Số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận

I: Cường độ dòng điện (ampe)

t: Thời gian điện phân (giây)

Ở anot: 2Cl−→Cl2+2e

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HÓA

NHIỆT LUYỆN

Điều chế kim loại có tính khử trung bình như: Zn, Fe, Sn, Pb…

Nguyên tắc: Oxit kim loại C,CO,H ,Al 2 → Kim loạiĐiều chế những kim loại có tính khử yếu như: Cu, Hg, Ag, Au

Nguyên tắc: Kim loại mạnh đẩy kim loại yếu ra khỏi dung dịchmuối của nó

THỦY LUYỆN

ĐIỆN PHÂN

Điện phân nóng chảy

Điện phân dung dịch

Điện phân nóng chảy muối, bazơ, oxit củacác kim loại có tính khử mạnh như: K, Na,

Điện phân dung dịch muối của các kim loại

có tính khử yếu và trung bình như Zn, Fe,

Thời gianđiện phân(giây)

Khối lượng molnguyên tử của chấtthu được ở điệncực

Hằng sốFaraday (F = 96500)

Số electron mànguyên tử hoặc ion

đã cho hoặc nhận

Khối lượng chấtthu được ở điệncực (gam)

e trao doi

I.tn

II CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Lí thuyết trọng tâm

Ví dụ mẫu

Ví dụ 1: Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là

A oxi hóa ion kim loại trong hợp chất thành nguyên tử kim loại.

B khử ion kim loại trong hợp chất thành nguyên tử kim loại.

C cho hợp chất chứa ion kim loại tác dụng với chất oxi hóa.

D cho hợp chất chứa ion kim loại tác dụng với chất khử.

Ví dụ 2: Dãy các kim loại có thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện là:

A Na, Fe, Cu B Fe, Cu, Zn C Mg, K, Cu D Na, Ca, Ba

Hướng dẫn giải

Phương pháp nhiệt luyện dùng để điều chế các kim loại trung bình và yếu

→ Các kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa đều có thể được điều chế bằng

phương pháp nhiệt luyện

Vì Na, Mg, K, Ca, Ba đều đứng trước Al trong dãy điện hóa → Loại A, C, D

→ Chọn B

Ví dụ 3: Cho một luồng khí H2 dư đi qua ống sứ chứa CuO, PbO, CaO, Al2O3,

Fe2O3 nung nóng ở nhiệt độ cao Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, chất rắn

còn lại trong ống sứ là:

A Cu, Pb, Ca, Al2O3, Fe B CuO, PbO, Ca, Al, Fe

C Cu, Pb, CaO, Al2O3, Fe D Cu, PbO, CaO, Al, Fe

Hướng dẫn giải

H2 khử được oxit của các kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa thành kim

loại

→ H2 khử được CuO, PbO, Fe2O3 thành Cu, Pb và Fe

→ Chất rắn còn lại trong ống sử là Cu, Pb, CaO, Al2O3, Fe

→ Chọn C

Ví dụ 4: Trong quá trình điện phân dung dịch Pb(NO3)2 với các điện cực trơ,

ion Pb2 + di chuyển về

A anot và bị khử B catot và bị oxi hóa.

C catot và bị khử D anot và bị oxi hóa.

Hướng dẫn giải

Trong quá trình điện phân dung dịch Pb(NO3)2 với các điện cực trơ, ion Pb2 + di

chuyển về phía catot ( )− và xảy ra quá trình khử ion Pb2 + thành kim loại

Khí Z được tạo thành từ khí X và chất rắn Y → Loại A, C

Khí Z sinh ra làm vẩn đục dung dịch nước vôi trong → Loại D

Vậy phản ứng hóa học thỏa mãn thí nghiệm trên là:

Câu 1: Nguyên tắc điều chế kim loại là

A oxi hóa ion kim loại thành kim loại.

B khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại.

C dùng H2 hoặc CO để khử oxit kim loại thành kim loại ở nhiệt độ cao

D dùng kim loại có tính khử mạnh đẩy kim loại có tính khử yếu hơn ra khỏi dung dịch muối.

Câu 2: Phương pháp duy nhất để điều chế kim loại kiềm là

A nhiệt luyện B điện phân nóng chảy C thủy luyện D điện phân dung dịch.

Câu 3: Kim loại nào sau đây không thể điều chế bằng phương pháp thủy luyện?

Câu 4: Nung nóng hỗn hợp bột MgO, Fe2O3, PbO, Al2O3 ở nhiệt độ cao rồi cho dòng khí CO (dư) đi quahỗn hợp thu được chất rắn gồm:

A MgO, Fe, Pb, Al2O3 B MgO, FeO, Pb, Al2O3

Câu 5: Phản ứng điều chế kim loại nào dưới đây thuộc phương pháp thủy luyện?

C Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu D 2Al2O3 → 4Al + 3O2

Câu 6: Khi điện phân dung dịch CuCl2 để điều chế kim loại Cu, quá trình xảy ra ở catot (cực âm) là

A Cu2 ++2e→Cu B Cl2+2e→2Cl− C Cu→Cu2 ++2e D 2Cl− →Cl2+2e

Câu 7: Tiến hành phản ứng khử oxit X thành kim loại bằng khí

H2 (dư) theo sơ đồ hình vẽ bên Oxit X là

Câu 8: Phương pháp chung để điều chế Na, Ca, Al trong công nghiệp là

A thủy luyện B nhiệt luyện C điện phân dung dịch D điện phân nóng chảy Câu 9: Để thu được kim loại Cu từ CuSO4 bằng phương pháp thủy luyện có thể dùng kim loại nào sauđây?

Câu 10: Dãy gồm các oxit đều bị Al khử ở nhiệt độ cao thành kim loại là:

A FeO, CuO, Cr2O3 B FeO, MgO, CuO C PbO, K2O, SnO D Fe3O4, SnO, BaO

Câu 11: Dãy gồm hai kim loại đều có thể điều chế bằng phương pháp thủy luyện là:

Câu 12: Dãy gồm hai kim loại được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện là:

A Cu, Fe, Pb B Cu, Fe, Mg C Na, Ba, Cu D Na, Ba, Fe

Câu 13: Cho các kim loại sau: K, Ba, Cu và Ag Số kim loại điều chế được bằng phương pháp điện phân

dung dịch (điện cực trơ) là

Câu 14: Cho các trường hợp sau:

(1) Điện phân nóng chảy MgCl2 (2) Điện phân dung dịch ZnSO4

(3) Điện phân dung dịch CuSO4 (4) Điện phân dung dịch NaCl

Số trường hợp ion kim loại bị khử thành kim loại là

Câu 15: Khi điện phân hỗn hợp Cu(NO3)2, AgNO3, HNO3 thì thứ tự xảy ra sự khử của những ion là:

A Cu , Ag , H2+ + + B Ag , H ,Cu+ + 2+ C Ag ,Cu , H+ 2+ + D Cu , H , Ag2+ + +

Dạng 2: Oxit kim loại tác dụng với chất khử

Phương pháp giải

 Viết phương trình hóa học và tính theo phương

trình hóa học

2 t

COCO

Nếu hỗn hợp hai khí: nO trong oxit pu( ) =nCO H pu+ 2( )

 Bảo toàn khối lượng:

( )

oxit kim loai O trong oxit

O trong oxit pu chat ran giam

Ví dụ: Cho luồng khí CO (dư) đi qua 4,8 gam hỗn

hợp X gồm CuO và Fe2O3 (tỉ lệ mol là 1:1) nungnóng đến khi phản ứng hoàn toàn, thu được mgam chất rắn Giá trị của m là

Ví dụ 2: Để khử hoàn toàn 19,36 gam hỗn hợp CuO, FeO, Fe2O3, Fe3O4 cần

dùng 7,392 lít khí CO (ở đktc) Khối lượng chất rắn sau phản ứng là

A 14,08 gam B 15,08 gam C 10,05 gam D 10,45 gam

Hướng dẫn giải

CO

n =0,33mol

Ta có: nO trong oxit pu =nCO phan ung =0,33mol

chat ran giam O trong oxit pu

Khối lượng chất rắn sau phản ứng là:

chat ran sau pu chat ran ban dau chat ran giam

→ Chọn A

Ví dụ 3: Khử 16 gam Fe2O3 bằng CO dư, sản phẩm khí cho vào bình đựng nước

vôi trong dư thu được a gam kết tủa Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn Giá trị

Ví dụ 4: Trong bình kín có chứa 0,5 mol CO và m gam Fe3O4 Đun nóng bình

cho tới khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp khí có tỉ khối so với

CO ban đầu là 1,457 Giá trị của m là

Hướng dẫn giải

Hỗn hợp khí thu được sau phản ứng gồm CO dư (x mol) và CO2 (y mol)

Bảo toàn nguyên tố C: nCO ban dau =nCO du+nCO2 =0,5mol

40, 7960,5

+

28x 44y 20,398

Câu 2: Cho V lít khí CO (ở đktc) phản ứng với một lượng dư hỗn hợp chất rắn gồm CuO và Fe3O4 nungnóng Sau khi phản ứng hoàn toàn, khối lượng hỗn hợp chất rắn giảm 0,32 gam Giá trị của V là

Câu 3: Cho luồng khí CO (dư) đi qua 9,1 gam hỗn hợp gồm CuO và Al2O3 nung nóng đến khi phản ứnghoàn toàn, thu được 8,3 gam chất rắn Khối lượng CuO có trong hỗn hợp ban đầu là

Câu 4: Cho khí CO qua ống chứa 15,2 gam hỗn hợp gồm CuO và FeO nung nóng Sau một thời gian thu

được hỗn hợp khí B và 13,6 gam chất rắn C Cho B tác dụng với dung dịch Ca(OH)2 dư thu được m gamkết tủa Giá trị của m là

Câu 7: Cho 4,48 lít khí CO (đktc) phản ứng với 8 gam một oxit kim loại, sau khi phản ứng hoàn toàn, thu

được m gam kim loại và hỗn hợp khí có tỉ khối so với H2 là 20 Giá trị của m là

Câu 8: Cho m gam hỗn hợp X gồm CuO, Fe2O3, FeO tác dụng vừa đủ với 100 ml dung dịch chứa H2SO4

1M và HCl 1M Để khử hoàn toàn m gam hỗn hợp X (nung nóng) cần tối thiểu V lít khí CO (đktc) Giátrị của V là

Bài tập nâng cao

Câu 9: Dùng CO khử hoàn toàn 2,88 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 thu được 2,24 gam chất rắn.Mặt khác, để hòa tan hoàn toàn 2,88 gam X cần vừa đủ 100 ml dung dịch HCl, nồng độ a mol/l Kết thúcthí nghiệm, thu được 224 ml khí (đktc) Giá trị của a là

Câu 10: Cho khí CO qua m gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 nung nóng, sau một thời gian thuđược hỗn hợp chất rắn Y và hỗn hợp khí Z Cho toàn bộ Z vào dung dịch Ca(OH)2 dư, đến phản ứng hoàntoàn thu được 4 gam kết tủa Mặt khác, hòa tan hoàn toàn Y trong dung dịch H2SO4 đặc, nóng (dư) thuđược 1,008 lít khí SO2 (đktc) là sản phẩm khử duy nhất và dung dịch chứa 18 gam muối Giá trị của m

 Xác định lượng chất trong phản ứng điện phân

Công thức Faraday: m AIt

Bước 2: Viết quá trình điện phân.

Bước 3: Tính lượng chất đã điện phân hoặc lượng

chất thu được sau điện phân

Chú ý: Nếu biết catot bắt đầu thoát khí → Khí

thoát ra ở cả hai điện cực Khi đó nước bắt đầu điện

phân ở catot: 2H2O + 2e → 2OH− + H2

Ví dụ: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 1M vớiđiện cực trơ, cường độ dòng điện là 5A trong thờigian 25 phút 44 giây thì dừng lại Khối lượng dungdịch giảm sau điện phân là

19 phút 18 giây, khối lượng Ag thu được ở catot là

A 7,56 gam B 4,32 gam C 8,64 gam D 6,48 gam

Hướng dẫn giải

Đổi: 19 phút 18 giây = 19.60 + 18 = 1158 giây

Theo công thức Faraday: Ag

AItm

nF

=

Ag

108.5.1158m

Ví dụ 2: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,1M (điện cực trơ) với cường độ

dòng điện 10A, thời gian điện phân là 32 phút 10 giây Tổng thể tích khí (đktc)

sinh ra ở catot và anot là

Ví dụ 3: Điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp gồm Cu(NO3)2 và KCl bằng

điện cực trơ, màng ngăn xốp với cường độ dòng điện không đổi Sau thời gian t

giây, ở anot thoát ra 2,688 lít hỗn hợp khí (đktc) Nếu thời gian điện phân là 2t

giây, thể tích khí thoát ra ở anot gấp 3 lần thể tích khí thoát ra ở catot (đo cùng

điều kiện), đồng thời khối lượng catot tăng 18,56 gam Giá trị của m là

Ta có: ne trao doi =2nCl 2 +4nO 2 =2x 4 0,12 x+ ( − ) =0, 48 2x mol−

Xét thời gian 2t giây:

Bài toán 2: Xác định thời gian điện phân

Phương pháp giải

Bước 1: Viết quá trình điện phân.

Bước 2: Xác định lượng sản phẩm thu được ở một

trong hai điện cực

Bước 3: Tính ne trao doi.

Bước 4: Tính thời gian điện phân: n Fe

tI

=

Ví dụ: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,2M

và AgNO3 0,1M với cường độ dòng điện I 3,86A= Sau t giây, khối lượng kim loại bám trên catot là1,72 gam Giá trị của t là

Cu + chưa điện phân:

kim loai Ag

m =m =0,01.108 1, 08gam=Nếu Ag+ và Cu2+đều điện phân hết:

Ví dụ 1: Điện phân với điện cực trơ dung dịch chứa 0,2 mol Cu(NO3)2, cường

độ dòng điện 2,68A, trong thời gian t (giờ), thu được dung dịch X Cho 14,4

gam bột Fe vào X, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất của N+ 5) và 13,5

gam chất rắn Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn và hiệu suất của quá trình

điện phân là 100% Giá trị của t là

Cu + tham gia điện phân là x mol

Quá trình điện phân:

Ở catot (−): Ở anot (+):

2

Cu+ +2e→Cu 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

x → 2x mol 2x ¬ 2x mol

Sau điện phân, dung dịch X có ( ) 2

0, 2 x mol Cu− +, 2x mol H+ và 0,4 mol

3

NO−

Cho 14,4 gam Fe vào dung dịch X thu được 13,5 gam chất rắn nên ta có quá

trình trao đổi electron:

Fe → 2

Fe+ + 2e 2

Cu+ + 2e → Cu 4H+ + NO3− + 3e → NO + 2H2O

Bảo toàn electron: Fe Cu2 H

Bước 2: Xác định dạng đồ thị Từ đó viết được quá trình điện phân.

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp CuSO4 và

NaCl vào nước, thu được dung dịch X Tiến hành điện

phân X với các điện cực trơ, màng ngăn xốp, dòng điện có

cường độ không đổi Tổng số mol khí thu được trên cả hai

điện cực (n) phụ thuộc vào thời gian điện phân (t) được mô

tả như đồ thị bên (đồ thị gấp khúc tại các điểm M, N) Giả

sử hiệu suất điện phân là 100%, bỏ qua sự bay hơi của

nước Giá trị của m là

Do độ dốc của đoạn 2 > độ dốc của đoạn 1 → Ở đoạn 2 sinh ra khí Cl2 và H2

Xét đoạn 1: Chỉ có Cl2 thoát ra (xảy ra (1) và (2))

Bảo toàn electron: nCu =nCl sinh ra OM2 =0,04 mol

→ Khi đó Cu2 + đã phản ứng hết: nCuSO4 =nCu2 + =nCu =0,04 mol

Khí sinh ra ở đoạn 2, 3 là: 0, 21 0,04 0,17 mol− =

Ví dụ 2: Hòa tan m gam hỗn hợp CuSO4 và

KCl vào nước thu được dung dịch X Điện phân

dung dịch X với cường độ dòng điện không đổi

(điện cực trơ, màng ngăn xốp) Thể tích khí (V)

thoát ra theo thời gian (t) được biểu diễn theo

đồ thị bên Nếu dừng điện phân ở thời điểm 250

giây thu được dung dịch Y Nhúng thanh nhôm

(dư) vào Y, sau khi phản ứng hoàn toàn thu

được dung dịch Z Khối lượng dung dịch Z thay đổi như thế nào so với dung dịch Y?

A Giảm 1,88 gam B Tăng 1,84 gam C Giảm 1,52 gam D Tăng 0,04 gam

Do độ dốc của đoạn 2 < độ dốc của đoạn 1 → Ở đoạn 2 sinh ra khí O2

Xét đoạn 1: Chỉ có Cl2 thoát ra (xảy ra (1) và (2))

Xét đoạn 2: Khí sinh ra là O2 (xảy ra (1) và (4))

e trao doi

t 350s= →n =350x 200x 150x mol− =

Bảo toàn electron:

Vậy dung dịch Y giảm 1,52 gam.

→ Chọn C

Bài tập tự luyện dạng 3

Bài tập cơ bản

Câu 1: Điện phân nóng chảy muối MCl với điện cực trơ Khi catot thu được 16 gam kim loại M thì ởn

anot thu được 5,6 lít khí Cl2 (đktc) Kim loại M là

Câu 2: Điện phân đến hết 0,2 mol Cu(NO3)2 trong dung dịch với điện cực trơ, thì sau điện phân khốilượng dung dịch đã giảm bao nhiêu gam?

Câu 3: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,4M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 9,6 gamkim loại thì thể tích khí (đktc) thu được ở anot là

Câu 4: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm 14,9 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO3)2 (điện cực trơ, màng ngănxốp) đến khi khối lượng dung dịch giảm 15,1 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơikhông đáng kể) Khối lượng kim loại thu được ở catot là

Câu 5: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 với điện cực trơ bằng dòng điện một chiều I = 9,65A Khi thểtích khí thoát ra ở cả hai điện cực đều là 1,12 lít (đktc) thì dừng điện phân Khối lượng kim loại sinh ra ởcatot và thời gian điện phân là

A 3,2 gam và 2000s B 2,2 gam và 800s C 6,4 gam và 3600s D 5,4 gam và 800s Câu 6: Điện phân dùng điện cực trơ dung dịch muối sunfat kim loại hóa trị II với cường độ dòng điện

3A Sau 1930 giây thấy khối lượng catot tăng 1,95 gam Muối sunfat đã điện phân là

Câu 7: Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl2 0,1M và NaCl 0,5M (điệncực trơ, hiệu suất 100%) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây Dung dịch thu được sau điện phân

có khả năng hòa tan m gam Al Giá trị lớn nhất của m là

Câu 8: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp X gồm CuSO4 và KCl vào nước, thu được dung dịch Y Điện phân Y(có màng ngăn, điện cực trơ) đến khi nước bắt đầu điện phân ở cả hai điện cực thì dừng điện phân Sốmol khí thoát ra ở anot bằng 4 lần số mol khí thoát ra từ catot Phần trăm khối lượng của CuSO4 trong Xlà

Bài tập nâng cao

Câu 9: Điện phân (với điện cực trơ) 200 ml dung dịch CuSO4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thuđược dung dịch Y vẫn còn màu xanh và khối lượng giảm 8 gam so với dung dịch ban đầu Cho 16,8 gambột sắt vào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 12,4 gam kim loại Giá trị của x là

Câu 10: Điện phân với điện cực trơ dung dịch chứa 0,1 mol Cu(NO3)2, cường độ dòng điện 2,68A, trongthời gian t giờ, thu được dung dịch X Cho 10 gam Fe vào X, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất