Bài tập về điều chế kim loại

Kiến thức cần nhớ

Nguyên tắc điều chế kim loại

Nguyên tắc điều chế kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử.

Mⁿ⁺  +  ne → M

Phương pháp điều chế kim loại

Tùy thuộc vào độ hoạt động hóa học của kim loại mà người ta lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp.

1. Phương pháp nhiệt luyện

- Nguyên tắc: Khử ion kim loại trong hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO, H₂ hoặc các kim loại hoạt động (như Al).

- Phạm vi áp dụng: Sản xuất các kim loại có tính khử trung bình (Zn, Fe, Sn, Pb,…) trong công nghiệp.

- Ví dụ:

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

2. Phương pháp thuỷ luyện

- Nguyên tắc: Dùng những dung dịch thích hợp như: H₂SO₄, NaOH, NaCN,… để hoà tan kim loại hoặc các hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có ở trong  quặng. Sau đó khử những ion kim loại này trong dung dịch bằng những kim loại có tính khử mạnh hơn như Fe, Zn,…

- Phạm vi áp dụng: Thường sử dụng để điều chế các kim loại có tính khử yếu.

- Ví dụ dùng Fe để khử ion Cu²⁺ trong dung dịch muối đồng.

Fe + CuSO₄→ FeSO₄ + Cu↓

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺  + Cu↓

3. Phương pháp điện phân 

a. Điện phân hợp chất nóng chảy 

- Nguyên tắc: Khử các ion kim loại bằng dòng điện bằng cách điện phân nóng chảy hợp chất của kim loại.

- Phạm vi áp dụng: Điều chế các kim loại hoạt động hoá học mạnh như K, Na, Ca, Mg, Al…

- Ví dụ điện phân Al₂O₃ nóng chảy là phương pháp sản xuất nhôm trong công nghiệp.

+ Ở catot (cực âm): Al³⁺ + 3e → Al

+ Ở anot (cực dương): 2O^2- → O₂ + 4e

Phương trình điện phân: 2Al₂O₃ 4Al + 3O₂

Sơ đồ thùng điện phân Al₂O₃ nóng chảy

b. Điện phân dung dịch 

- Nguyên tắc: Khử các ion kim loại bằng dòng điện bằng cách điện phân dung dịch muối của kim loại.

- Phạm vi áp dụng: Điều chế các kim loại có độ hoạt động hoá học trung bình hoặc yếu như Zn, Cu …

- Ví dụ điện phân dung dịch CuCl₂ để điều chế Cu:

+ Ở catot: Cu²⁺ + 2e → Cu

+ Ở anot: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Phương trình điện phân: CuCl₂ $\stackrel{dpdd}{\to }$ Cu + Cl₂

c. Tính lượng chất thu được ở các điện cực

 Dựa vào công thức Farađây, có thể tính được khối lượng các chất thu được ở điện cực:

$m=\frac{AIt}{nF}$ trong đó:

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

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).

Các dạng bài tập về Điều chế kim loại

Dạng 1: Lí thuyết trọng tâm

Dạng 2: Oxit kim loại tác dụng với chất khử

Dạng 3: Điện phân

Bài toán 1: Xác định lượng chất trong quá trình điện phân

Bài toán 2: Xác định thời gian điện phân

Bài toán 3: Đồ thị

Ví dụ minh hoạ

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: $n_{CO}=x(mol);n_{C{O}_2}=y(mol)$

Ta có hệ phương trình: 

$\{\begin{array}{l}{n}_{hh}=x+y=0,5\\ m_{hh}=28\mathrm{x}+44y=0,5.(20,4.2)\end{array}\to \{\begin{array}{l}x=0,1\\ y=0,4\end{array}$

$n_{COpư}=n_{C{O}_2}=0,4mol$

BTKL: $m_{COpu}+m_X=m_A+m_{C{O}_2}$

→ $m_X=64-0.4(44-28)=70,4g$

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

Bài tập tự luyện

Câu 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

Câu 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: $n_{CO}=x(mol);n_{C{O}_2}=y(mol)$

Ta có hệ phương trình: 

$\{\begin{array}{l}{n}_{hh}=x+y=0,5\\ m_{hh}=28\mathrm{x}+44y=0,5.(20,4.2)\end{array}\to \{\begin{array}{l}x=0,1\\ y=0,4\end{array}$

$n_{COpư}=n_{C{O}_2}=0,4mol$

BTKL: $m_{COpu}+m_X=m_A+m_{C{O}_2}$

→ $m_X=64-0.4(44-28)=70,4g$

Câu 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

Câu 4: 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

Câu 5: 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

Câu 6: 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

Câu 7: 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:

$n_{CuS{O}_4}=0,4.0,2=0,08mol$

Khí thu được ở anot là O₂ → $n_{O_2}=\frac{0,224}{22,4}=0,01(mol)$

Tại anot (+): $2H_{2}O\to 4H^{+}+O_2+4\mathrm{e}$

$\to n_{e(an\mathrm{o}t)}=4n_{O_2}=0,04(mol)$

Ta thấy: $2n_{C{u}^{2+}(bandau)}>4n_{O_2}$ → Tại catot Cu²⁺  chưa bị điện phân hết

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

                                0,04 → 0,02 (mol)

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

Câu 8: 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

Câu 9: 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

→ $\frac{n_{CuS{O}_4}}{n_{KCl}}=\frac{3}{8}$

→ $\mathrm{\%}CuS{O}_4=\frac{3.160}{3.160+8.74,5}.100\mathrm{\%}=44,61\mathrm{\%}$

2. Bài tập tự luyện có hướng dẫn

(Xem thêm ở file bên dưới)

Xem thêm các dạng bài tập và câu hỏi liên quan khác

95 Bài tập về Polime (có đáp án năm 2024) hay nhất

70 Bài tập về Peptit và protein (có đáp án năm 2023) - Hóa học 12

70 Bài tập về Amino axit (có đáp án năm 2023) - Hóa học 12

70 Bài tập về Amin (có đáp án năm 2023) - Hóa học 12

70 Bài tập về Saccarozơ, tinh bột và xenlulozơ (có đáp án năm 2023) - Hóa học 12