Giải Khoa học tự nhiên 9 KNTT Bài 20: Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim có đáp án

Trong tự nhiên, kim loại chủ yếu tồn tại ở trong quặng dưới dạng hợp chất như oxide, muối … Từ các quặng kim loại, người ta làm giàu quặng bằng cách loại bỏ các tạp chất như đất, cát, đá … Sau đó, tuỳ thuộc vào mức độ hoạt động hoá học của kim loại, có thể lựa chọn phương pháp hoá học phù hợp để tách kim loại ra khỏi hợp chất của nó. Ví dụ:

- Phương pháp điện phân nóng chảy được dùng để tách các kim loại hoạt động hoá học mạnh như Na, Ca, Mg, Al, …

- Phương pháp nhiệt luyện thường được dùng để tách các kim loại hoạt động hoá học trung bình như Fe, Zn, …

- Phương pháp thuỷ luyện dùng để tách các kim loại hoạt động yếu như Ag, Au …

Các bước cơ bản trong quy trình tách kim loại từ quặng:

- Từ các quặng kim loại, người ta làm giàu quặng bằng cách loại bỏ các tạp chất như đất, cát, đá …

- Sau đó, tuỳ thuộc vào mức độ hoạt động hoá học của kim loại, có thể lựa chọn phương pháp hoá học phù hợp để tách kim loại ra khỏi hợp chất của nó.

- Điểm giống nhau: phương pháp sử dụng để tách kẽm và sắt đều là phương pháp nhiệt luyện.

- Điểm khác nhau:

+ Tách sắt từ quặng trải qua một giai đoạn dùng CO tác dụng với Fe$_{2}$O$_{3}$.

+ Tách kẽm từ quặng trải qua hai giai đoạn: đốt quặng để chuyển ZnS trong quặng thành ZnO; sau đó dùng CO tác dụng với ZnO.

* So sánh:

- Về thành phần:

+ Kim loại nguyên chất được cấu tạo nên từ một loại nguyên tố hoá học.

+ Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa ít nhất một kim loại cơ bản và một số kim loại hoặc phi kim khác. Kim loại cơ bản là thành phần chính có trong hợp kim.

- Về tính chất: Hợp kim cứng hơn, bền hơn so với kim loại nguyên chất.

* Hợp kim thường có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất về độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn và gỉ sét, phù hợp với nhiều ứng dụng do đó trong thực tiễn kim loại thường được sử dụng dưới dạng hợp kim.

Ví dụ: Gang và thép là hai hợp kim quan trọng của sắt với carbon và một số nguyên tố khác. Hiện nay chúng là những vật liệu kim loại phổ biến nhất trên thế giới.

- Gang và thép là hai hợp kim quan trọng của sắt với carbon và một số nguyên tố khác (carbon chiếm hàm lượng từ 2% - 5% trong gang và dưới 2% trong thép). Thép có nhiều ưu điểm hơn sắt về độ cứng, độ đàn hồi, khả năng chịu lực nên được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng, giao thông. Gang cứng và giòn hơn thép, thường được dùng để đúc các chi tiết máy, ống dẫn nước, nắp cống, …

- Đuy – ra (duralumin) là hợp kim của nhôm với đồng, manganese, magnesium … Đuy – ra nhẹ tương đương với nhôm nhưng bền và cứng hơn nhiều, được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô …

- Gang, thép, đuy – ra nói riêng hay các hợp kim nói chung có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất về độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn và gỉ sét, phù hợp với nhiều ứng dụng do đó được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và cuộc sống.

Giai đoạn chính của quá trình sản xuất gang:

- Tạo CO:

C + O$_{2}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ CO$_{2}$

C + CO$_{2}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ 2CO

- Tạo gang từ quặng:

3CO + Fe$_{2}$O$_{3}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ 2Fe + 3CO$_{2}$

- Tạo xỉ, tách xỉ thu được gang:

CaO + SiO$_{2}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ CaSiO$_{3}$

Phương pháp nhiệt luyện đã được sử dụng trong quá trình sản xuất gang.

Cụ thể trong quá trình tạo gang từ quặng, khí CO phản ứng với các oxide có trong quặng:

3CO + Fe$_{2}$O$_{3}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ 2Fe + 3CO$_{2}$

- Các giai đoạn chính của quá trình sản xuất gang:

+ Phản ứng tạo thành khí CO:

C + O$_{2}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ CO$_{2}$

C + CO$_{2}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ 2CO

+ Khí CO phản ứng với các oxide có trong quặng:

3CO + Fe$_{2}$O$_{3}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ 2Fe + 3CO$_{2}$

Sắt nóng chảy hoà tan một lượng nhỏ carbon cùng một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng.

+ Đá vôi bị phân huỷ thành CaO. CaO kết hợp với các oxide như SiO$_{2}$ trong quặng tạo thành xỉ:

CaO + SiO$_{2}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ CaSiO$_{3}$

Xỉ nhẹ nổi lên trên gang lỏng, được đưa ra ngoài cửa tháo xỉ.

Khí thải tạo thành trong lò cao được đưa ra ngoài cửa ở gần miệng lò.

- Các giai đoạn cơ bản của quá trình sản xuất thép:

Nguyên liệu chính để sản xuất thép là gang (hoặc thép phế liệu) và khí oxygen. Trong quá trình sản xuất thép, khí oxygen được thổi vào lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao, đốt chát các tạp chất trong gang. Các oxide tạo thành ở dạng khí (CO$_{2}$, SO$_{2}$ …) sẽ thoát ra, theo khí thải, còn các oxide ở dạng rắn (SiO$_{2}$, MnO$_{2}$, …) sẽ tạo xỉ nhẹ, nổi lên trên thép lỏng và được tách ra để thu lấy thép.