Hoá học 12 · Đại cương kim loại
Tách kim loại, hợp kim và sự ăn mòn kim loại
Trạng thái tự nhiên; các phương pháp tách kim loại (nhiệt luyện, thuỷ luyện, điện phân); tái chế kim loại; hợp kim; ăn mòn hoá học, ăn mòn điện hoá và cách chống ăn mòn.
Trạng thái tự nhiên và tách kim loại
Một số kim loại kém hoạt động như Au, Pt, Ag tồn tại ở dạng đơn chất; hầu hết kim loại tồn tại ở dạng hợp chất trong quặng (hematite Fe2O3, bauxite Al2O3·2H2O, chalcopyrite CuFeS2…). Nguyên tắc tách kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử: Mn+ + ne → M.
- Nhiệt luyện: dùng chất khử (C, CO, H₂, Al) khử oxide kim loại ở nhiệt độ cao; áp dụng cho kim loại có độ hoạt động trung bình như Zn, Fe, Pb, Cu: Fe2O3 + 3CO t°→ 2Fe + 3CO2.
- Thuỷ luyện: hoà tan quặng bằng dung dịch thích hợp rồi dùng kim loại mạnh hơn khử ion kim loại: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu; dùng tách Cu, Ag, Au.
- Điện phân: điện phân nóng chảy cho kim loại mạnh (Na, K, Mg, Ca, Al); điện phân dung dịch cho kim loại trung bình và yếu.
Tái chế kim loại (sắt thép, nhôm, đồng phế liệu) giúp tiết kiệm tài nguyên, năng lượng và giảm ô nhiễm.
Hợp kim
Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa thêm một số nguyên tố khác (kim loại hoặc phi kim). Hợp kim thường cứng hơn, dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn và có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn kim loại thành phần.
| Hợp kim | Thành phần chính | Ứng dụng |
|---|---|---|
| Gang | Fe, 2 đến 5% C | đúc chi tiết máy, nồi |
| Thép | Fe, dưới 2% C | xây dựng, chế tạo máy |
| Thép không gỉ (inox) | Fe, Cr, Ni | dụng cụ nhà bếp, y tế |
| Duralumin | Al, Cu, Mg, Mn | vỏ máy bay, tàu vũ trụ |
| Đồng thau | Cu, Zn | nhạc cụ, chi tiết máy |
Sự ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường: M → Mn+ + ne.
- Ăn mòn hoá học: kim loại phản ứng trực tiếp với chất oxi hoá trong môi trường (khí khô, nhiệt độ cao), electron chuyển trực tiếp, không phát sinh dòng điện.
- Ăn mòn điện hoá: xảy ra khi có đủ ba điều kiện: hai điện cực khác bản chất (hai kim loại, kim loại và phi kim); tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn; cùng nhúng trong dung dịch chất điện li. Kim loại có tính khử mạnh hơn là anode, bị ăn mòn; dòng electron chuyển sang cực dương.
Sự gỉ sắt trong không khí ẩm là ăn mòn điện hoá: các vùng Fe làm anode, vùng tạp chất C làm cathode, oxygen hoà tan bị khử: O2 + 2H2O + 4e → 4OH−. Gỉ sắt có thành phần chính là Fe2O3·nH2O.
Chống ăn mòn kim loại
- Bảo vệ bề mặt: sơn, bôi dầu mỡ, tráng men, mạ kim loại bền (mạ chromium, mạ kẽm lên sắt tạo tôn).
- Bảo vệ điện hoá: gắn kim loại hoạt động mạnh hơn (như Zn) vào vật cần bảo vệ (vỏ tàu biển, đường ống bằng thép). Zn bị ăn mòn thay cho thép.
🧪 Thí nghiệm ảo – mô phỏng
- Đặt đinh sắt một mình vào nước muối: gỉ hình thành chậm.
- Quấn dây đồng quanh đinh sắt: sắt là anode, gỉ hình thành nhanh hơn rõ rệt.
- Gắn miếng kẽm vào đinh sắt: kẽm bị ăn mòn, đinh sắt được bảo vệ (bảo vệ điện hoá).
📐 Công thức cần nhớ
✍️ Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Khử hoàn toàn 16 gam Fe2O3 bằng khí CO dư ở nhiệt độ cao. Tính khối lượng Fe thu được và thể tích CO đã phản ứng ở điều kiện chuẩn.
Xem lời giải
- n(Fe₂O₃) = 0,1 mol; Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
- n(Fe) = 0,2 mol, m = 11,2 gam; n(CO) = 0,3 mol, V = 7,437 L.
✅ Đáp số: 11,2 gam Fe; 7,437 L CO
Ví dụ 2. Tôn (sắt tráng kẽm) và sắt tây (sắt tráng thiếc) bị xước sâu tới lớp sắt. Trong trường hợp nào sắt bị ăn mòn nhanh?
Xem lời giải
- Với tôn: Zn hoạt động hơn Fe, Zn làm anode bị ăn mòn, sắt được bảo vệ.
- Với sắt tây: Fe hoạt động hơn Sn, Fe làm anode nên bị ăn mòn nhanh.
✅ Đáp số: Sắt tây bị xước bị ăn mòn nhanh hơn
⚠️ Lỗi thường gặp
- Dùng phương pháp nhiệt luyện (CO, H₂) để điều chế Al, Mg, Na: các kim loại này chỉ điều chế bằng điện phân nóng chảy.
- Cho rằng trong ăn mòn điện hoá kim loại yếu hơn bị ăn mòn.