Giải Hóa học 12 Bài 21: Điều chế kim loại

133 lượt xem

Chúng tôi giới thiệu Giải bài tập Hóa học lớp 12 Bài 21: Điều chế kim loại chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Điều chế kim loại lớp 12.

Bài giảng Hóa học 12 Bài 21: Điều chế kim loại

Giải bài tập Hóa học 12 Bài 21: Điều chế kim loại

Câu hỏi và bài tập (trang 98 SGK Hóa Học 12)

Bài 1 trang 98 SGK Hóa Học 12: Trình bày cách để

- Điều chế Ca từ CaCO₃.

- Điều chế Cu từ CuSO₄

Viết phương trình hoá học của các phản ứng.

Phương pháp giải:

Ghi nhớ:

- Phương pháp điện phân : điện phân nóng chảy muối clorua

- Cách điều chế Cu:

+ Phương pháp thủy luyện: Dùng kim loại mạnh đẩy Cu ra khỏi dd muối

+ Phương pháp nhiệt luyện: Dùng CO hoặc H₂khử CuO về Cu

+ Phương pháp điện phân: Điện phân các muối tan của đồng

Ghi nhớ:

- Phương pháp điện phân : điện phân nóng chảy muối clorua

- Cách điều chế Cu:

+ Phương pháp thủy luyện: Dùng kim loại mạnh đẩy Cu ra khỏi dd muối

+ Phương pháp nhiệt luyện: Dùng CO hoặc H₂khử CuO về Cu

+ Phương pháp điện phân: Điện phân các muối tan của đồng

Lời giải:

Điều chế Ca từ CaCO₃: Điện phân nóng chảy muối halogenua khan

$\begin{matrix} C a C O_{3} \overset{(1)}{\to} C a C l_{2} \overset{(2)}{\to} C a \\ (1) C a C O_{3} + H C l \overset{t^{0}}{\to} C a C l_{2} + C O_{2} + H_{2} O \\ (2) C a C l_{2} \to_{}^{đ p n c} C a + C l_{2} \end{matrix}$

Điều chế Cu từ CuSO₄: Có thể dùng phương pháp: Điện phân dung dịch, thủy luyện, nhiệt luyện

Cách 1: Phương pháp thủy luyện : Fe + CuSO₄→ FeSO₄ + Cu↓

Cách 2: Phương pháp điện phân dung dịch

$C u S O_{4} \overset{đ p d d}{\to} C u + H_{2} S O_{4} + O_{2}$

Cách 3: Nhiệt luyện:

CuSO₄ + 2NaOH $\to$ Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

$C u (O H)_{2} \overset{t^{0}}{\to} C u O + H_{2} O$

$C u O + H_{2} \overset{t^{0}}{\to} C u + H_{2} O$

Bài 2 trang 98 SGK Hóa Học 12: Từ Cu(OH)₂, MgO, Fe₂O₃hãy điều chế các kim loại tương ứng bằng một phương pháp thích hợp. Viết phương trình hóa học của phản ứng.

Phương pháp giải:

Viết phương trình điều chế Cu,Mg, Fe từ các chất cho ban đầu:

- Ghi nhớ:

+ Điều chế Mg bằng phương pháp điện phân nóng chảy muối clorua

+ Điều chế Cu, Fe bằng phương pháp thủy luyện, nhiệt luyện hoặc bằng phương pháp điện phân dung dịch.

Lời giải:

- Điều chế Cu bằng phương pháp nhiệt luyện

$\begin{matrix} C u (O H)_{2} \overset{t^{0}}{\to} C u O + H_{2} O \\ C u O + H_{2} \overset{t^{0}}{\to} C u + H_{2} O \end{matrix}$

- Điều chế Mg bằng phương pháp điện phân nóng chảy

MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O

$M g C l_{2} \overset{đ p n c}{\to} M g + C l_{2}$

- Điều chế Fe bằng phương pháp nhiệt luyện

$F e_{2} O_{3} + 3 H_{2} \overset{t^{0}}{\to} 2 F e + 3 H_{2} O$

Hoặc $F e_{2} O_{3} + 3 C O \overset{t^{0}}{\to} 2 F e + 3 C O_{2}$

Bài 3 trang 98 SGK Hóa Học 12: Một loại quặng sắt chứa 80% Fe₂O₃, 10% SiO₂ và một số tạp chất khác không chứa Fe và Si. Hàm lượng các nguyên tố Fe và Si trong quặng này là

A. 56% Fe và 4,7% Si.

B. 54% Fe và 3,7% Si.

C. 53% Fe và 2,7% Si.

D. 52% Fe và 4,7% Si.

Phương pháp giải:

Giả sử có 100 gam quặng sắt thì khối lượng Fe₂O₃là 80 gam và khối lượng SiO₂ là 10 gam

Tính được n_Fe2O3 => n_Fe = ? => m_Fe = ?

Tính được n_SiO2 => n_Si = ? => m_Si = ?

Áp dụng công thức tính thành phần phần trăm

$\begin{matrix} % F e = \frac{m F e}{m q u a n g} .100 % \\ % S i = \frac{m S i}{m q u a n g} .100 % \end{matrix}$

Lời giải:

Giả sử có 100 gam quặng sắt thì khối lượng Fe₂O₃là 80 gam và khối lượng SiO₂ là 10 gam

Tính được n_Fe2O3 = 80: 160 = 0,5 (mol)

=> n_Fe = 2n_Fe2O3 = 2.0,5 = 1(mol) => m_Fe = 56 (g)

n_SiO2 = 10 : 60 = 1/6 (mol)

=> n_Si = n_SiO2= 1/6 (mol) => m_Si = 1/6. 28 = 14/3 (g)

$\begin{matrix} % F e = \frac{m F e}{m q u a n g} .100 % = \frac{56}{100} .100 % = 56 % \\ % S i = \frac{m S i}{m q u a n g} .100 % = \frac{\frac{14}{3}}{100} .100 % = 4, 7 % \end{matrix}$

Đáp án A

Bài 4 trang 98 SGK Hóa Học 12: Để khử hoàn toàn 30 gam hỗn hợp gồm CuO, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃, Fe, MgO cần dùng 5,6 lít khí CO (đktc). Khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng là

A. 28 gam. B. 26 gam.

C. 24 gam. D. 22 gam.

Phương pháp giải:

Gọi công thức tổng quát của các oxit là R_xO_y

PTHH: $R_{x} O_{y} + y C O \overset{t^{0}}{\to} x R + y C O_{2}$

Từ PTHH trên => n_CO2 = n_CO => m_CO2 =?

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

m_Oxit + m_CO = m_R + m_CO2

=> m_R=?

Cách 2:

Quy đổi hỗn hợp về: M và O

(M, O) + CO $\overset{t^{o}}{\to} C r ắ n + C O_{2}$

Khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng = khối lượng hỗn hợp đầu - khối lượng O phản ứng với CO

=> Khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng

Lời giải:

Cách 1:

PTHH tổng quát: $M_{x} O_{y} + y C O \overset{t^{0}}{\to} x M + y C O_{2}$

Từ phương trình trên => $n_{C O_{2}}$ = n_CO = $\frac{5, 6}{22, 4}$ = 0,25 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

m_{hỗn hợp oxit}+ m_CO → m_{chất rắn} + $m_{C O_{2}}$

=> m_{chất rắn} = m_{hỗn hợp oxit}+ m_CO- m_CO2

=30 - 0,25.44 + 0,25.28

= 26 (gam).

Đáp án B

Cách 2:

Quy đổi: 30 gam hỗn hợp thành M và O

(M, O) + CO $\overset{t^{o}}{\to} C r ắ n + C O_{2}$

Ta có: n_CO = $\frac{5, 6}{22, 4}$ = 0,25 (mol)

Khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng = khối lượng hỗn hợp đầu - khối lượng O phản ứng với CO

m = 30 - 0,25 x 16 = 26 (gam)

Đáp án B

Bài 5 trang 98 SGK Hóa Học 12: Điện phân (điện cực trơ) dung dịch muối sunfat của một kim loại hoá trị II với dòng điện cường độ 3A. Sau 1930 giây điện phân thấy khối lượng catot tăng 1,92 gam.

a) Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra tại mỗi điện cực và phương trình hoá học của sự điện phân.

b) Xác định tên kim loại.

Phương pháp giải:

a) Viết các bán phản ứng xảy ra các điện cực:

Tại catot (-): M²⁺ + 2e → M

Tại anot (+): 2H₂O →4H⁺ + O₂ + 4e

PTHH phản ứng điện phân: 2MSO₄ + 2H₂O $\overset{đ p d d}{\to}$ 2M +O₂ + 2H₂SO₄

b) Áp dụng công thức:

m = $\frac{A I t}{n . F}$ => A =? => kim loại

Lời giải:

a) Catot: M²⁺ + 2e → M

Anot: 2H₂O →4H⁺ + O₂ + 4e

PTHH của phản ứng điện phân:

2MSO₄ + 2H₂O $\overset{đ p d d}{\to}$ 2M +O₂ + 2H₂SO₄

b) m = $\frac{A I t}{n . F}$ => A = $\frac{2.96500.1, 92}{3.1930}$ = 64 => Kim loại Cu

Lý thuyết Bài 21: Điều chế Kim loại

I. NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

Khử ion kim loại thành nguyên tử.

Mⁿ⁺ + ne → M

II.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

1. Phương pháp nhiệt luyện

- Đối tượng KL: KL có mức độ hoạt động trung bình

- Phương thức điều chế: khử ion kim loại trong hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử thông thường như C, CO, H₂, Al.

VD:

Fe₂O₃ + 3 CO $\overset{t^{o}}{\to}$ 2Fe + 3CO₂

2. Phương pháp thủy luyện

- Đối tượng KL: KL có mức độ hoạt động trung bình và yếu

- Phương thức điều chế: Khử những in kim loại cần điều chế bằng những kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn,....

VD:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

3. Phương pháp điện phân

a) Điện phân nóng chảy:

- Đối tượng KL: KL có mức độ hoạt động mạnh

- Phương thức điều chế: Dùng dòng điện một chiều khử ion kim loại trong chất điện li nóng chảy (muối halogenua, oxit, hidroxit).

Ví dụ: Điện phân MgCl₂ nóng chảy để điều chế Mg.

Phương trình điện phân

b) Điện phân dung dịch:

- Đối tượng KL: Dùng điều chế các kim loại yếu.

- Phương thức điều chế: Dùng dòng điện một chiều khử ion kim loại yếu trong dung dịch muối của nó.

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl₂ để điều chế kim loại Cu

Phương trình điện phân

c) Tính lượng chất thu được ở các điện cực

- Dựa vào công thức Farađây:

Trong đó:

m: Khối lượng chất thu được ở điện cực (g).

A: Khối lượng mol nguyên tử của 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).

F: Hằng số Farađây (F = 96500).

Phương pháp giải Bài 21: Điều chế kim loại

Dạng 1: Điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện

* Một số lưu ý cần nhớ

- Điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện là điều chế kim loại bằng cách khử oxi kim loại bằng H₂, CO, C, Al.

=> Đây là phương pháp điều chế kim loại trung bình (đứng từ Zn trong dãy hoạt động trở đi)

Để làm được tốt dạng bài tập này, các em cần áp dụng linh loạt các định luật bảo toàn electron, bảo toàn điện tích và bảo toàn khối lượng.

* Một số ví dụ điển hình

Ví dụ 1: Khử hoàn toàn m gam Fe₂O₃ cần vừa đủ 4,704 lít khí CO (đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

Khi oxit bị khử bởi CO:

n_O(oxit) = n_CO = 4,704/22,4 = 0,21 mol

BTNT "O": 3n_Fe2O3 = n_O(oxit) = 0,21

=> n_Fe2O3= 0,07 mol

=> m = 160.0,07 = 11,2 gam

Ví dụ 2: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe₂O₃. Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m g hỗn hợp X nung nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64 g chất rắn A và 11,2 lít khí B (đktc) có tỉ khối so với hiđro là 20,4. Giá trị của a là

Hướng dẫn giải chi tiết:

Giả sử: $n_{C O} = x (m o l); n_{C O_{2}} = y (m o l)$

Ta có hệ phương trình:

${\begin{cases} n_{h h} = x + y = 0, 5 \\ m_{h h} = 28 x + 44 y = 0, 5. (20, 4.2) \end{cases} \to {\begin{cases} x = 0, 1 \\ y = 0, 4 \end{cases}$

$n_{C O p ư} = n_{C O_{2}} = 0, 4 m o l$

BTKL: $m_{C O p u} + m_{X} = m_{A} + m_{C O_{2}}$

→ $m_{X} = 64 - 0.4 (44 - 28) = 70, 4 g$

Ví dụ 3: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe₂O₃ nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe₂O₃ và Fe₃O₄. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO₃ đặc, nóng thu được 4,368 lít NO₂ (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_NO2 = 0,195 mol

Xét toàn bộ quá trình chỉ có CO cho e (tạo CO₂) và HNO₃ nhận e (tạo NO₂)

Bảo toàn e: 2.n_CO = n_NO2 => n_CO = 0,0975 mol

=> n_CO2= n_CO = 0,0975 mol

Bảo toàn khối lượng: m_CO+ m_Fe2O3 = m_CO2 + m_{hh oxit}

=> m_Fe2O3 = 0,0975.44 + 10,44 – 0,0975.28 = 12 gam

Dạng 2: Điều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện

* Một số lưu ý cần nhớ:

Cơ sở của phương pháp này là dùng những dung môi thích hợp như dung dịch H₂SO₄, NaOH, NaCN,... để hoà tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có trong quặng. Sau đó khử những ion kim loại này bằng kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn, ...

Ví dụ : Dùng Fe để khử ion Cu²⁺ trong dung dịch muối đồng.

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu¯

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu¯

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Cho thanh sắt Fe vào dung dịch X chứa 0,1 mol AgNO₃ và 0,2 mol Cu(NO₃)₂. Khi thấy thanh kim loại tăng lên 8,8 gam thì dừng lại. Tính khối lượng kim loại bám vào thanh sắt

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_Ag+ = 0,1 mol; n_Cu2+= 0,2 mol

Nếu Ag⁺ phản ứng hết :

Fe + 2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag

0,05 ← 0,1 → 0,1

=> m_tăng = 0,1.108 – 0,05.56 = 8 < 8,8

=> Ag⁺ phản ứng hết; Cu²⁺ phản ứng 1 phần

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

x → x → x

=> m_tăng = 64x – 56x = 8x

=> tổng khối lượng tăng ở 2 phản ứng là:

m_tăng = 8 + 8x = 8,8 => x = 0,1 mol

=> m_{kim loại bám vào} = m_Ag + m_Cu = 17,2 gam

Ví dụ 2: Cho 0,56 gam bột sắt vào 100 ml dung dịch gồm AgNO₃ 0,3M và Cu(NO₃)₂ 0,5M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được m gam chất rắn X. Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_Fe = 0,01 mol; n_AgNO3 = 0,03 mol; n_Cu(NO3)2 = 0,05 mol

Ta thấy : n_{e Fe cho tối đa} = 0,01.3 = 0,03 mol = n_{e Ag+ nhận tối đa}

=> Fe phản ứng hết với Ag, tạo thành Fe³⁺ và Ag

=> n_Ag = n_AgNO3 = 0,03 mol => m = 0,03.108 = 3,24 gam

Ví dụ 3: Cho m gam Zn vào dung dịch chứa 0,15 mol FeCl₃. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 3,92 gam chất rắn. Giá trị của m là:

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_FeCl3 = 0,15mol => m_{Fe tối đa sinh ra}= 0,15 . 56 = 8,4 gam > 3,92 gam

=> chất rắn chỉ có Fe, còn Zn đã phản ứng hết

n_Fe = 3,92 / 56 = 0,07 mol

FeCl₃ phản ứng với Zn tạo thành Fe (0,07 mol) và FeCl₂ (0,15 – 0,07 = 0,08 mol)

Bảo toàn e: 2n_Zn = 3n_Fe+ n_FeCl2 => n_Zn = 0,145 mol

=> m = 9,425 gam

Dạng 3: Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân

* Một số lưu ý cần nhớ:

- Điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học

- Người ta dùng phương pháp điện phân nóng chảy để điều chế những kim loại mạnh (kim loại kiềm, kiềm thổ, ...)

VD1: 2NaCl $\overset{\tilde{n} p n c}{\to}$ 2Na + Cl₂

- Điện cực âm: Catot , nơi diễn ra quá trình khử: Na⁺ + 1e → Na

- Điện cưc dương: Anot, nơi diễn ra quá trình oxi hóa: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

* Lưu ý: Dấu của cực trong quá trình điện phân, ngược với pin điện hóa.

VD2: Điện phân dung dịch CuSO₄

( - ): Cực catot: Cu²⁺ +2e → Cu

( + ) Cực anot: 2H₂O → 4H+ + O₂ + 4e

=> Ta có phương trình điện phân:

CuSO₄ + H₂O → Cu + H₂SO₄ + ½ O₂

* Lưu ý:

Trong dung dịch

- Ion kim loại từ Zn trở đi sẽ bị điện phân, các ion KL sẽ bị điện phân lần lượt từ Ag⁺ > Fe³⁺ > Cu²⁺ > H⁺..

- Anion có khả năng bị điện phân trong dung dịch: S^2- > I^-> Br^- > Cl^-> OH^-

(Các anion SO₄^2-, NO₃^-, ClO₄^- không bị điện phân trong dung dịch)

- Công thức Faraday: $m = \frac{A I t}{n F}$

Trong đó:

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

A : Khối lượng mol của chất thu được ở điện cực

F : Hằng số Farađay có giá trị bằng 96500.

n : Số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận (số electron trao đổi)

I : Cường độ dòng điện (ampe)

t : Thời gian điện phân (giây)

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Điện phân 400 ml dung dịch CuSO₄ 0,2M với cường độ dòng điện 10A trong một thời gian thu được 0,224 lít khí (đktc) ở anot. Biết điện cực đã dùng là điện cực trơ và hiệu suất điện phân là 100%. Khối lượng catot tăng là

Hướng dẫn giải chi tiết:

$n_{C u S O_{4}} = 0, 4.0, 2 = 0, 08 m o l$

Khí thu được ở anot là O₂ → $n_{O_{2}} = \frac{0, 224}{22, 4} = 0, 01 (m o l)$

Tại anot (+): $2 H_{2} O \to 4 H^{+} + O_{2} + 4 e$

$\to n_{e (a n o t)} = 4 n_{O_{2}} = 0, 04 (m o l)$

Ta thấy: $2 n_{C u^{2 +} (b a n d a u)} > 4 n_{O_{2}}$ → Tại catot Cu²⁺chưa bị điện phân hết

Tại catot (-): $C u^{2 +} + 2 e \to C u$

0,04 → 0,02 (mol)

→ m_{catot tăng} = m_Cu = 0,02.64 = 1,28 gam

Ví dụ 2: Điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ, cường độ dòng điện 10A. Khi ở anot có 4 gam khí oxi bay ra thì ngưng. Phát biểu nào sau đây là đúng ?

A. Khối lượng đồng thu được ở catot là 16 gam.

B. Thời gian điện phân là 9650 giây.

C. pH của dung dịch trong quá trình điện phân luôn giảm.

D. Không có khí thoát ra ở catot.

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_O2 = 0,125 mol

Catot: Cu²⁺ + 2e → Cu

Anot: 2H₂O → O₂ ↑ + 4H⁺ + 4e

=> n_{e trao đổi} = 4.n_O2 = 0,5 mol

=> n_Cu = 0,5 / 2 = 0,25 mol => m = 16 gam => A đúng

t = n.F / I = 4825s => B sai

+) pH của dung dịch ban đầu giảm, khi hết Cu²⁺ thì nước điện phân ở catot tạo OH^-, ở anot tạo ra H⁺ và n_OH- = n_H+ nên pH không đổi => C sai

+) hết Cu²⁺, nước điện phân ở catot tạo khí H₂ => D sai

Ví dụ 3: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp X gồm KCl và CuSO₄ vào nước, thu được dung dịch Y. Điện phân dung dịch Y với điện cực trơ màng ngăn xốp, đến khi H₂O bị điện phân tại cả 2 điện cực thì dừng điện phân. Số mol khí ở anot thoát ra bằng 4 lần số mol khí thoát ra tại catot. Phần trăm khối lượng của CuSO₄ trong X là

Hướng dẫn giải chi tiết:

Tại A có 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Tại K có Cu⁺² +2e → Cu

2H₂O + 2e → 2OH^- +H₂

Bảo toàn e có 2n_Cl2= 2n_Cu + 2n_H2

Vì n_Cl2 = 4n_H2 nên 2n_Cl2 = 2n_Cu + ½ n_Cl2 → n_Cu = ¾ . n_Cl2

→ $\frac{n_{C u S O_{4}}}{n_{K C l}} = \frac{3}{8}$

→ $% C u S O_{4} = \frac{3.160}{3.160 + 8.74, 5} .100 % = 44, 61 %$

Giải SGK, SBT, Chuyên đề Hóa Học Lớp 12