KHTN9-CTST | Bài 17. Dãy hoạt động hoá học của kim loại. Một số phương pháp tách kim loại

MỤC TIÊU

- Tiến hành được một số thí nghiệm hoặc mô tả được thí nghiệm (qua hình vẽ hoặc học liệu điện tử thí nghiệm) khi cho kim loại tiếp xúc với nước, hydrochloric acid,...
- Nêu được dãy hoạt động hoá học (K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, H, Cu, Ag, Au).
- Trình bày được ý nghĩa của dãy hoạt động hoá học.
- Nêu được phương pháp tách kim loại theo mức độ hoạt động hoá học của chúng.
- Trình bày được quá trình tách một số kim loại có nhiều ứng dụng, như: Tách sắt ra khỏi iron(III) oxide bởi carbon oxide; Tách nhôm ra khỏi aluminium oxide bởi phản ứng điện phân; Tách kẽm khỏi zinc sulfide bởi oxygen và carbon (than).

TÓM TẮT KIẾN THỨC

Khởi động
Trong cuộc sống, ta thường thấy những kim loại như sắt, đồng bị gỉ sét, mất vẻ sáng bóng khi để lâu trong không khí. Ngược lại, những đồng tiền vàng vẫn giữ sáng bóng. Vì sao lại có hiện tượng đó?

* Phương pháp giải:
Dựa vào tính chất hóa học của kim loại.
* Lời giải chi tiết:
Vì vàng không tác dụng với oxygen trong không khí, trong khi đó đồng, sắt tác dụng với oxygen tạo oxide kim loại nên mất đi vẻ sáng bóng.

1. XÂY DỰNG DÃY HOẠT ĐỘNG HOÁ HỌC CỦA KIM LOẠI

1.1. Mô tả thí nghiệm phản ứng của kim loại với nước

Khi thực hiện thí nghiệm phản ứng của hai kim loại sodium và magnesium với nước, ta có kết quả như sau:
- Mẩu kim loại sodium phản ứng mạnh với nước như đã được mô tả trong Ví dụ 4, trang 74.
- Trong khi đó, kim loại magnesium hầu như không phản ứng với nước ở điều kiện thường và phản ứng chậm với nước nóng. Khi đun nóng magnesium trong hơi nước (Hình 17.1) thì xảy ra phản ứng, sản phẩm thu được gồm khí hydrogen và chất rắn magnesium oxide.
- Các phương trình hoá học của phản ứng trong hai thí nghiệm trên:

2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂↑

Mg + H₂O_(hơi) → MgO + H₂↑

Thảo luận
Câu hỏi 1. Kim loại sodium và magnesium phản ứng với nước có hiện tượng giống nhau không?

* Phương pháp giải:
Dựa vào tính chất kim loại tác dụng với nước
* Lời giải chi tiết:
Kim loại sodium và magnesium phản ứng với nước có hiện tượng không giống nhau.
- Kim loại sodium phản ứng mạnh với nước ở ngay điều kiện thường.
- Kim loại magnesium hầu như không phản ứng với nước ở điều kiện thường, phản ứng chậm với nước nóng và phản ứng mạnh với hơi nước nóng.

Thảo luận
Câu hỏi 2. Nhận xét mức độ hoạt động hoá học của kim loại Na và Mg.

* Phương pháp giải:
Dựa vào phản ứng của Na và Mg trong nước.
* Lời giải chi tiết:
Na tác dụng trực tiếp với nước nên mức độ hoạt động của Na mạnh hơn so với Mg.

Vận dụng kiến thức
Giải thích vì sao trong phòng thí nghiệm, kim loại sodium, potassium được bảo quản bằng cách ngâm trong dầu hoả.

* Phương pháp giải:
Dựa vào phản ứng của Na, K trong nước.
* Lời giải chi tiết:
Do kim loại sodium, potassium hoạt động mạnh, dễ dàng phản ứng với các tác nhân (oxygen, hơi nước …) có trong không khí. Do đó, để bảo quản cần ngâm chúng vào trong dầu hoả.

1.2. Thí nghiệm phản ứng của kim loại với dung dịch hydrochloric acid

Thí nghiệm 1: Phản ứng của một số kim loại với dung dịch hydrochloric acid
- Dụng cụ và hoá chất: ống nghiệm, giá để ống nghiệm, mảnh magnesium, đinh sắt, đồng phoi bào, dung dịch HCl 1 M.
- Tiến hành:
+ Bước 1: Cố định 3 ống nghiệm trên giá để ống nghiệm, đánh số thứ tự 3 ống nghiệm.
+ Bước 2: Thêm vào lần lượt mỗi ống nghiệm 2 mL dung dịch HCl.
+ Bước 3: Cho vào ống nghiệm (1) một mảnh magnesium, ống nghiệm (2) một đinh sắt và ống nghiệm (3) một mảnh đồng phoi bào.

Thảo luận
Câu hỏi 3. Tiến hành Thí nghiệm 1 và nêu hiện tượng quan sát được. Viết phương trình hoá học của các phản ứng.

* Phương pháp giải:
Dựa vào thí nghiệm phản ứng của một số kim loại với dung dịch hydrochloric acid.
* Lời giải chi tiết:
- Học sinh tiến hành thí nghiệm theo các bước:
+ Bước 1: Cố định 3 ống nghiệm trên giá ống nghiệm, đánh số thứ tự 3 ống nghiệm.
+ Bước 2: Thêm vào lần lượt mỗi ống nghiệm 2 mL dung dịch HCl.
+ Bước 3: Cho vào ống nghiệm (1) một mảnh magnesium, ống nghiệm (2) một đinh sắt và ống nghiệm (3) một mảnh đồng phoi bào.
- Hiện tượng:
+ Ống nghiệm 1: Phản ứng xảy ra mãnh liệt. Mảnh Mg tan dần, có khí thoát ra mạnh.
+ Ống nghiệm 2: Có phản ứng xảy ra, phản ứng êm dịu hơn so với ở ống nghiệm 1. Đinh sắt tan dần, có khí thoát ra.
+ Ống nghiệm 3: Không có hiện tượng gì xuất hiện.
- Phương trình hoá học:
+ Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂↑
+ Fe + 2 HCl → FeCl₂+ H₂↑

Thảo luận
Câu hỏi 4. Nhận xét mức độ hoạt động hoá học của kim loại Fe, Cu, Mg.

* Phương pháp giải:
Dựa vào kết quả của thí nghiệm 1.
* Lời giải chi tiết:
- Mg và Fe tác dụng với HCl, Cu không tác dụng với HCl nên Mg, Fe hoạt động hoá học mạnh hơn so với Cu.
- Tốc độ thoát khí của ống nghiệm (1) nhanh hơn (2) chứng tỏ Mg có mức độ hoạt động hoá học mạnh hơn Fe.
⟹ Kết luận: Mg > Fe > Cu.

Củng cố kiến thức
Khí nào sinh ra khi kim loại phản ứng với dung dịch HCl? Nêu ví dụ minh hoạ và viết phương trình hoá học của phản ứng.

* Phương pháp giải:
Dựa vào kết quả của thí nghiệm 1.
* Lời giải chi tiết:
Khí sinh ra khi kim loại phản ứng với dung dịch HCl là khí H₂.
Ví dụ: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂↑

1.3. Thí nghiệm phản ứng của kim loại với dung dịch muối

Thí nghiệm 2: Phản ứng của kim loại với dung dịch muối
- Dụng cụ và hoá chất: ống nghiệm, giá để ống nghiệm, dây đồng, dung dịch ZnSO, 1 M, dung dịch AgNO₃ 1 M.
- Tiến hành:
+ Bước 1: Cố định 2 ống nghiệm trên giá để ống nghiệm, đánh số thứ tự 2 ống nghiệm.
+ Bước 2: Cho vào ống nghiệm (1) 2 mL dung dịch ZnSO, và ống nghiệm (2) 2 mL dung dịch AgNO₃.
+ Bước 3: Nhúng vào mỗi ống nghiệm một đoạn dây đồng, quan sát hiện tượng.

Bằng nhiều thí nghiệm khác nhau, các nhà khoa học sắp xếp các kim loại thành dãy theo chiều giảm dần mức độ hoạt động hoá học.

Thảo luận
Câu hỏi 5. Tiến hành Thí nghiệm 2 và nêu hiện tượng quan sát được. Viết phương trình hoá học của các phản ứng.

* Phương pháp giải:
Dựa vào kết quả của thí nghiệm 2.
* Lời giải chi tiết:
- Học sinh tiến hành thí nghiệm theo các bước sau:
+ Cố định 2 ống nghiệm trên giá để ống nghiệm, đánh số thứ tự 2 ống nghiệm.
+ Cho vào ống nghiệm (1) 2mL dung dịch ZnSO₄ và ống nghiệm (2) 2 mL dung dịch AgNO₃.
+ Nhúng vào mỗi ống nghiệm một đoạn dây đồng, quan sát hiện tượng.
- Hiện tượng:
+ Ống nghiệm 1: Không có hiện tượng gì xuất hiện.
+ Ống nghiệm 2: Có lớp kim loại trắng sáng bám ngoài dây đồng; dung dịch chuyển từ không màu sang màu xanh.
- Phương trình hoá học:
+ Cu + ZnSO₄ → không phản ứng
+ Cu + 2 AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2 Ag

Thảo luận
Câu hỏi 6. Nhận xét mức độ hoạt động hoá học của kim loại Cu, Zn, Ag.

* Phương pháp giải:
Dựa vào kết quả của thí nghiệm 2.
* Lời giải chi tiết:
- Cu không đẩy được Zn ra khỏi dung dịch ZnSO₄ nên Cu hoạt động hóa học yếu hơn Zn.
- Cu đẩy được Ag ra khỏi dung dịch AgNO₃ nên Cu hoạt động hóa học mạnh hơn Ag.
⟹ Kết luận: Zn > Cu > Ag.

Ghi nhớ

Dãy hoạt động hoá học của một số kim loại:

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, (H), Cu, Ag, Au

2. Ý NGHĨA CỦA DÃY HOẠT ĐỘNG HOÁ HỌC CỦA KIM LOẠI

Trình bày ý nghĩa của dãy hoạt động hoá học của kim loại

Dựa vào dãy hoạt động hoá học của kim loại, ta biết:
1. Mức độ hoạt động hoá học của các kim loại giảm dần từ trái sang phải.
2. Kim loại đứng trước Mg phản ứng được với nước ở nhiệt độ thường tạo thành dung dịch base và giải phóng khí H₂.
3. Kim loại đứng trước H tác dụng được với dung dịch acid (HCl, H,SO, loãng, ...) giải phóng khí H₂.
4. Các kim loại đứng trước (trừ Na, K, ...) có thể đẩy kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối.

Ghi nhớ
Dựa vào dãy hoạt động hoá học của kim loại, ta có thể xác định được mức độ hoạt động hoá học của kim loại.

Củng cố kiến thức
Hoàn thành phương trình hoá học của các phản ứng sau:
a) Ca + H₂O → ?
b) Fe + HCl → ?
c) Zn + CuSO₄ → ?

* Phương pháp giải:
Dựa vào các tính chất hóa học của kim loại.
* Lời giải chi tiết:
a) Ca + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + 2 H₂↑
b) Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂↑
c) Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

3. TÁCH MỘT SỐ KIM LOẠI CÓ NHIỀU ỨNG DỤNG

3.1. Tìm hiểu phương pháp điện phân nóng chảy

- Phương pháp điện phân nóng chảy được sử dụng để điều chế các kim loại hoạt động hoá học mạnh như Li, Na, K, Ca, ... từ những hợp chất của chúng (muối, oxide, ...).
- Ví dụ 1: Nhôm được sản xuất từ quặng bauxite (thành phần chủ yếu là aluminium oxide). Phương pháp điện phân nóng chảy được sử dụng phổ biến để tách nhôm. Phương trình hoá học của phản ứng được viết như sau:

2 A1₂O₃ → 4 Al + 3 O₂↑

- Nhôm nóng chảy lắng ở đáy của bể điện phân, sau đó được hút ra ngoài.

\(2A{l_2}{O_3}\mathrel{\mathop{\kern0pt\longrightarrow}\limits_{Criolit}^{đpnc}} {\rm{4A}}l + 3{{\rm{O}}_2}\)

Thảo luận
Câu hỏi 7. Trong công nghiệp, phương pháp nào được sử dụng để sản xuất nhôm? Nguyên liệu để sản xuất nhôm là gì?

* Phương pháp giải:
Dựa vào các phương pháp tách một số kim loại.
* Lời giải chi tiết:
- Trong công nghiệp, phương pháp điện phân nóng chảy được sử dụng để sản xuất nhôm.
- Nguyên liệu để sản xuất nhôm là quặng bauxite (thành phần chủ yếu là aluminium oxide).

3.2. Tìm hiểu phương pháp nhiệt luyện

- Trong ngành công nghiệp luyện kim, để tách những kim loại có độ hoạt động hoá học trung bình như Zn, Fe, ... ra khỏi hợp chất oxide, người ta thường sử dụng phương pháp nhiệt luyện. Phương pháp này được thực hiện bằng cách sử dụng các chất như Al, C, CO, ... phản ứng với oxide của kim loại cần tách.
- Ví dụ 2: Để tách sắt ra khỏi hợp chất iron(III) oxide, người ta cho iron(III) oxide (Fe,O,) phản ứng với khí carbon monoxide (CO) ở nhiệt độ cao.
Phương trình hoá học của phản ứng:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

- Ví dụ 3: Kim loại kẽm cũng có thể được tách ra theo phương pháp nhiệt luyện. Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất kẽm là quặng sphalerite (chứa zinc sulfile, ZnS). Nung nóng quặng sphalerite ở nhiệt độ cao với luồng không khí trong lò để chuyển thành zinc oxide theo phương trình hoá học:

2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂↑

- Cho ZnO phản ứng với C ở nhiệt độ cao thu được kẽm.

ZnO + C → Zn + CO↑

Ghi nhớ
Tách một số kim loại có nhiều ứng dụng:
• Phương pháp điện phân nóng chảy: Sử dụng để tách kim loại hoạt động hoá học mạnh (K, Na, Ca, ...). Trong công nghiệp, nhôm được tách từ quặng bauxite bằng phương pháp điện phân nóng chảy.
• Phương pháp nhiệt luyện: Sử dụng các chất phản ứng thích hợp (C, CO, ...) để tách các kim loại hoạt động hoá học trung bình (Fe, Zn, Pb, ...) ra khỏi oxide của chúng.

Thảo luận
Câu hỏi 8. Người ta đã dùng phương pháp nào để tách Zn từ zinc sulfide? Viết phương trình hoá học xảy ra.

* Phương pháp giải:
Dựa vào các phương pháp tách một số kim loại.
* Lời giải chi tiết:
- Người ta dùng phương pháp nhiệt luyện để tách Zn từ zinc sulfide.
- Phương trình hoá học:
+ Nung nóng quặng sphalerite (thành phần chính là ZnS) ở nhiệt độ cao với luồng không khí trong lò để chuyển thành zinc oxide theo phương trình hoá học:

2ZnS + 3O₂ $\stackrel{{\mathrm{t°}}^{}}{\to }$ 2ZnO + 2SO₂↑

+ Cho ZnO phản ứng với C ở nhiệt độ cao thu được kẽm (Zn):

ZnO + C $\stackrel{{\mathrm{t°}}^{}}{\to }$ Zn + CO

Vận dụng kiến thức
Hãy giải thích vì sao vàng, đồng, sắt được con người biết đến và sử dụng trước nhôm hàng nghìn năm.

* Phương pháp giải:
Dựa vào các phương pháp tách một số kim loại.
* Lời giải chi tiết:
- Nhôm là kim loại hoạt động hoá học mạnh nên trong tự nhiên không tồn tại nhôm dưới dạng đơn chất, ngoài ra, rất khó để điều chế nhôm đơn chất từ quặng nhôm. Đến khi con người tìm ra phương pháp điện phân nóng chảy thì nhôm đơn chất mới được tạo ra và đưa vào sử dụng.
- Trong khi đó, vàng là kim loại hoạt động hoá học yếu, nên có thể tìm thấy trong tự nhiên ở dạng đơn chất; còn sắt và đồng có thể điều chế dạng đơn chất từ quặng dễ dàng hơn nhôm nhiều do đó vàng, đồng, sắt được con người biết đến và sử dụng trước nhôm hàng nghìn năm.

Mở rộng kiến thức
Ngoài hai phương pháp tách kim loại đã được nêu trong bài, người ta còn dùng phương pháp thuỷ luyện để tách kim loại. Phương pháp này sử dụng kim loại hoạt động mạnh hơn để tách các kim loại hoạt động hoá học yếu (Au, Ag, ...) ra khỏi các hợp chất ở dạng dung dịch.

BÀI TẬP

Đang cập nhật

SÁCH HỌC SINH (bản in thử)