Giáo án Bài 20. Kim loại trong tự nhiên và phương pháp tách kim loại

Huy động kiến thức nền về trạng thái tự nhiên của kim loại; từ đó xác định vấn đề: làm thế nào để thu được kim loại từ quặng.

HS quan sát hình ảnh hoặc mẫu quặng hematite, magnetite, bauxite và mẫu vàng, đồng nguyên chất. HS trả lời câu hỏi: (1) Kim loại nào thường gặp dưới dạng hợp chất? Kim loại nào có thể gặp dạng đơn chất? (2) Vì sao phần lớn kim loại không tồn tại dạng đơn chất trong tự nhiên? (3) Muốn có kim loại tinh khiết, cần làm gì với quặng?

Đa số kim loại tồn tại dạng hợp chất trong khoáng vật (ví dụ $Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$, aluminium trong bauxite); một số kim loại kém hoạt động như vàng, platinum có dạng đơn chất. Vấn đề cần giải quyết: chuyển ion kim loại trong hợp chất thành kim loại đơn chất bằng cách nào.

Nêu được khái niệm quặng, phân biệt quặng với đá chứa vết kim loại và kể tên một số quặng phổ biến.

HS làm việc theo nhóm 4 người, hoàn thành Phiếu học tập số 1 gồm: (a) Đọc thông tin, nêu khái niệm quặng. (b) Điền bảng: tên quặng, thành phần kim loại/hợp chất chính (hematite: $Fe_2O_3$; magnetite: $Fe_3O_4$; bauxite: khoáng oxide/hydroxide ngậm nước chứa aluminium). (c) Vì sao không phải mọi đá có vết kim loại đều là quặng có lợi? (d) Kể tên kim loại thường có dạng đơn chất trong tự nhiên.

Quặng là khoáng vật chứa kim loại với hàm lượng đủ để khai thác có lợi trong điều kiện kinh tế–kĩ thuật.
Bảng: hematite – $Fe_2O_3$, là nguồn sắt; magnetite – $Fe_3O_4$, là nguồn sắt; bauxite – chứa các khoáng oxide/hydroxide ngậm nước của aluminium, là nguồn aluminium.
Đá có vết kim loại không phải quặng có lợi vì hàm lượng quá thấp, chi phí tuyển luyện lớn hơn giá trị thu được.
Kim loại kém hoạt động như vàng, platinum thường gặp ở dạng đơn chất.

Trình bày được nguyên lí chung của việc tách kim loại; nêu được phạm vi áp dụng của nhiệt luyện và giải thích vì sao CO không khử được $Al_2O_3$.

GV chiếu mô phỏng 3D lò cao trong trang bài học NeoEdu (lò cắt dọc, quan sát vùng khử oxide sắt bằng CO ở 400–800 °C, vùng tạo xỉ ở khoảng 1 000 °C, cửa gió nóng khoảng 1 800 °C). HS quan sát và trả lời: (1) Khí nào khử oxide sắt? Các bậc khử theo thứ tự nào? (2) Đá vôi tham gia phản ứng gì và có tác dụng gì? (3) Viết phương trình khử tổng cộng. (4) Vì sao không dùng CO để khử $Al_2O_3$? (5) Kim loại trung bình được nhiệt luyện bằng những chất khử nào?

Nguyên lí chung: $M^{n+} + ne \rightarrow M$, tức khử ion kim loại thành đơn chất.
Phương trình tổng: $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$.
CO khử oxide sắt từng bậc: $Fe_2O_3 \rightarrow Fe_3O_4 \rightarrow FeO \rightarrow Fe$.
Đá vôi phân huỷ $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$ và tạo xỉ $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ để loại tạp chất.
Nhiệt luyện: kim loại trung bình được khử bằng C, CO, $H_2$ hoặc Al tuỳ oxide và điều kiện.
CO không khử được $Al_2O_3$ vì nhôm hoạt động hoá học rất mạnh, oxide của nó bền hơn so với khả năng khử của CO; nhôm được điều chế bằng điện phân nóng chảy.
Lưu ý: CO rất độc, nhiệt luyện là quy trình công nghiệp, không thực hiện tại nhà hay trong phòng thí nghiệm học đường.

Trình bày được nguyên tắc thuỷ luyện và điện phân nóng chảy; viết được quá trình xảy ra ở cathode, anode và giải thích vì sao kim loại hoạt động mạnh được điều chế bằng điện phân.

HS làm việc theo cặp đôi, nghiên cứu thông tin trong sách và Phiếu học tập số 2 gồm: (a) Thuỷ luyện: dùng Fe khử $Cu^{2+}$ có đúng không? Vì sao không dùng Na trong nước để thu Cu sạch? (b) Điện phân $Al_2O_3$ nóng chảy trong cryolite: viết quá trình ở cathode $Al^{3+} + 3e \rightarrow Al$; nêu vai trò của cryolite. (c) Điện phân $MgCl_2$ nóng chảy: viết quá trình ở cathode và anode, tổng phương trình. (d) Vì sao phương trình $2Al_2O_3 \rightarrow 4Al + 3O_2$ chỉ là sơ đồ lí tưởng?

Thuỷ luyện: $Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu$; dùng kim loại mạnh hơn để khử ion trong dung dịch. Không dùng Na vì Na phản ứng mạnh với nước.
Điện phân $Al_2O_3$: cryolite nóng chảy hạ nhiệt độ vận hành; cathode $Al^{3+} + 3e \rightarrow Al$; anode carbon bị oxi hoá tạo $CO_2$/CO.
Điện phân $MgCl_2$ nóng chảy: cathode $Mg^{2+} + 2e \rightarrow Mg$; anode $2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e$; tổng $MgCl_2 \rightarrow Mg + Cl_2$.
Phương trình $2Al_2O_3 \rightarrow 4Al + 3O_2$ là sơ đồ lí tưởng giả định anode không bị oxi hoá, không mô tả đầy đủ tế bào anode carbon thực tế.

Vận dụng được phương trình hoá học, hàm lượng quặng và hiệu suất để tính khối lượng kim loại thu được; phân biệt được các yếu tố cần thiết khi tính sản lượng.

GV trình chiếu các bài tập sau (làm lần lượt, HS làm cá nhân 6 phút rồi kiểm tra theo nhóm): (1) Nguyên lí chung tách kim loại từ ion là gì? A. Khử ion kim loại; B. Oxi hoá kim loại thành cation; C. Kết tủa hydroxide là đã thu kim loại; D. Chỉ hoà tan quặng là đã thu kim loại tinh khiết. (2) Cách thích hợp sản xuất Al từ $Al_2O_3$? A. Điện phân dung dịch $AlCl_3$; B. CO khử $Al_2O_3$; C. Trung hoà $Al_2O_3$ bằng NaOH; D. Điện phân nóng chảy trong cryolite. (3) 160 g $Fe_2O_3$ khử hoàn toàn, khối lượng Fe lí thuyết là bao nhiêu gam? (4) Xét tách kim loại: a) CO là chất khử có độc tính; b) Anode carbon sản xuất Al không bao giờ tiêu hao; c) Thuỷ luyện có thể dùng Fe khử $Cu^{2+}$; d) Tái chế cần kiểm soát phụ gia và chất thải. Đúng hay sai? (5) 102 g $Al_2O_3$, hiệu suất 80%, tính khối lượng Al thu được. (6) 1,0 tấn quặng chứa 80%$Fe_2O_3$, hiệu suất tách Fe 90%, tính kg Fe.

Đáp án: (1) A; (2) D; (3) 112 g; (4) a) Đ, b) S, c) Đ, d) Đ; (5) 43,2 g Al; (6) 504 kg Fe.
Lời giải câu (6): $m_{Fe_2O_3} = 1000 \times 0{,}80 = 800$ kg; phần khối lượng Fe $= \dfrac{112}{160} = 0{,}70$; $m_{Fe}$ lí thuyết $= 800 \times 0{,}70 = 560$ kg; $m_{Fe}$ thực tế $= 560 \times 0{,}90 = 504$ kg. Phải áp dụng cả hàm lượng và hiệu suất theo tích, không cộng phần trăm.
Lời giải câu (5): $2Al_2O_3 \rightarrow 4Al + 3O_2$; 102 g $Al_2O_3$ (1 mol) cho 54 g Al lí thuyết; thực tế $54 \times 0{,}80 = 43{,}2$ g.

Vận dụng kiến thức về phương pháp tách và tái chế kim loại để phân tích phế liệu mẫu và đề xuất cách phân loại, xử lí an toàn; nêu được ý nghĩa của tái chế kim loại.

GV giao nhiệm vụ về nhà (có thể bắt đầu trên lớp bằng việc phân nhóm và chọn mẫu): hoàn thành báo cáo bàn học mẫu, chỉ dựa trên danh mục phế liệu gồm lon nhôm, dây đồng và thép phế liệu sạch. Báo cáo gồm: (a) Xác định kim loại nền và nguy cơ của lớp phủ/lớp bọc. (b) Đề xuất cách phân loại riêng từng loại. (c) Nêu quy trình tái chế theo mô hình: thu gom và phân loại → xử lí sơ bộ/tách tạp → phối trộn theo mác → nấu chảy/tinh chế công nghiệp → đúc và gia công. (d) Kết luận về ý nghĩa tái chế và những hạn chế cần lưu ý.

Bảng báo cáo gồm: lon nhôm – kim loại nền Al, cần phân loại vì có sơn và hợp kim khác nhau; dây đồng – Cu, cần kiểm soát lớp bọc nhựa, không đốt nhựa; thép phế liệu – Fe, cần quản lí C và nguyên tố hợp kim.
Kết luận: tái chế giúp giảm nhu cầu khai thác quặng và tiết kiệm năng lượng; tuy nhiên lượng thu hồi giảm do tổn thất, oxy hoá và phụ thuộc tạp chất; không đủ dữ kiện để tính phần trăm tiết kiệm năng lượng hay phát thải.
Lưu ý an toàn: không tháo pin, không đốt dây, không nấu chảy hay xử lí rác điện tử để hoàn thành báo cáo; chỉ làm báo cáo trên giấy dựa trên thông tin đã cho.