Mục lục bài họcĐang ở d09-b2
Extraction, displacement and rusting
Extraction — decided by position in the series
Metals are found in ores as compounds, so extraction always means removing the metal from its compound — that is, reduction. How hard that is depends on how reactive the metal is.
- Above carbon (potassium, sodium, calcium, magnesium, aluminium): the compounds are too stable to be reduced by carbon, so the metal must be extracted by electrolysis of the molten compound. This uses enormous amounts of electricity.
- Below carbon (zinc, iron, lead): can be extracted by heating the ore with carbon or carbon monoxide, which is far cheaper. Iron is made this way in a blast furnace:
- Very unreactive metals (gold, silver): found uncombined in the earth, so no chemical extraction is needed at all.
This single principle explains a historical fact: gold and copper have been used for thousands of years, iron for about three thousand, and aluminium only since the 1880s — even though aluminium is the most abundant metal in the crust.
Displacement
A more reactive metal displaces a less reactive one from its compound:
$$\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}$$The blue solution fades and a pink-brown solid appears. The reverse does not happen — copper cannot displace zinc — and testing that is exactly what displacement questions do.
Rusting
Rusting of iron needs both water and oxygen. Remove either one and rusting stops. Salt does not cause rusting but speeds it up.
Prevention works in one of two ways.
- Barrier methods keep water and oxygen away: painting, greasing, coating in plastic, or plating with tin. These fail as soon as the barrier is scratched.
- Sacrificial protection uses a more reactive metal, usually zinc or magnesium, attached to the iron. The more reactive metal corrodes instead of the iron, and it keeps working even when scratched.
Galvanising — coating iron with zinc — does both at once: the zinc is a barrier, and if the coating is scratched it still protects sacrificially.
Tách kim loại — quyết định bởi vị trí trong dãy. Kim loại nằm trong quặng dưới dạng hợp chất, nên tách kim loại luôn có nghĩa là lấy kim loại ra khỏi hợp chất — tức là phản ứng khử. Việc đó khó tới đâu phụ thuộc kim loại hoạt động mạnh tới đâu.
- Trên cacbon (kali, natri, canxi, magie, nhôm): hợp chất quá bền để cacbon khử được, nên phải tách bằng điện phân hợp chất nóng chảy. Cách này tiêu tốn lượng điện khổng lồ.
- Dưới cacbon (kẽm, sắt, chì): tách được bằng cách nung quặng với cacbon hoặc cacbon monoxit, rẻ hơn nhiều. Sắt được luyện theo cách này trong lò cao:
- Kim loại rất kém hoạt động (vàng, bạc): tìm thấy ở dạng tự do trong tự nhiên, nên không cần tách hoá học nào cả.
Chỉ một nguyên tắc này giải thích một sự kiện lịch sử: vàng và đồng được dùng từ hàng nghìn năm trước, sắt từ khoảng ba nghìn năm, còn nhôm chỉ từ thập niên 1880 — dù nhôm là kim loại nhiều nhất trong vỏ Trái Đất.
Phản ứng đẩy. Kim loại hoạt động mạnh hơn đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi hợp chất của nó:
$$\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}$$Dung dịch xanh nhạt màu dần và xuất hiện chất rắn màu đỏ nâu. Chiều ngược lại không xảy ra — đồng không đẩy được kẽm — và đó chính là thứ câu hỏi về phản ứng đẩy kiểm tra.
Sự gỉ. Sắt gỉ cần cả nước lẫn oxy. Bỏ một trong hai là sắt không gỉ. Muối không gây gỉ nhưng làm gỉ nhanh hơn.
Chống gỉ theo một trong hai hướng.
- Phương pháp che chắn — ngăn nước và oxy tiếp xúc: sơn, bôi mỡ, bọc nhựa, hoặc mạ thiếc. Cách này hỏng ngay khi lớp phủ bị xước.
- Bảo vệ hy sinh — gắn một kim loại hoạt động mạnh hơn, thường là kẽm hoặc magie, vào sắt. Kim loại mạnh hơn bị ăn mòn thay cho sắt, và nó vẫn hoạt động ngay cả khi bị xước.
Mạ kẽm — phủ kẽm lên sắt — làm cả hai việc cùng lúc: lớp kẽm vừa là màn chắn, vừa bảo vệ hy sinh nếu bị xước.
Giải thích vì sao nhôm phải tách bằng điện phân trong khi sắt tách được bằng cách nung với cacbon, dù nhôm là kim loại nhiều nhất trong vỏ Trái Đất.
Nguyên tắc chung. Kim loại nằm trong quặng dưới dạng hợp chất, nên tách kim loại là khử hợp chất đó. Việc này khó tới đâu phụ thuộc độ bền của hợp chất, mà độ bền lại đi theo độ hoạt động của kim loại: kim loại càng hoạt động thì hợp chất càng bền.
Với sắt. Sắt nằm dưới cacbon trong dãy hoạt động. Nghĩa là cacbon hoạt động mạnh hơn sắt, nên nó lấy được oxy khỏi sắt oxit:
$$\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}$$Chỉ cần nung quặng với than cốc trong lò cao — một quá trình rẻ và đã có từ hàng nghìn năm.
Với nhôm. Nhôm nằm trên cacbon. Nghĩa là nhôm hoạt động mạnh hơn cacbon, nên cacbon không đủ mạnh để lấy oxy khỏi nhôm oxit. Nung quặng bôxit với than không cho ra nhôm.
Cách duy nhất là điện phân nhôm oxit nóng chảy, dùng dòng điện để cưỡng bức phản ứng khử xảy ra:
$$\ce{Al^3+ + 3e^- -> Al}$$Vì sao nhôm đắt dù rất sẵn. Điện phân đòi hỏi nung chảy quặng ở nhiệt độ rất cao và duy trì dòng điện rất lớn liên tục. Chi phí điện chiếm phần lớn giá thành nhôm.
Đó là lý do nhôm chỉ được sản xuất công nghiệp từ thập niên 1880 — khi có điện giá rẻ — dù nó là kim loại nhiều nhất trong vỏ Trái Đất. Và cũng vì thế tái chế nhôm tiết kiệm tới khoảng $95\%$ năng lượng so với sản xuất mới.
Một chiếc đinh sắt được mạ thiếc, một chiếc khác được mạ kẽm. Cả hai bị xước sâu tới lớp sắt bên trong rồi để ngoài trời ẩm. Dự đoán và giải thích điều gì xảy ra với mỗi chiếc.
Đinh mạ thiếc — sắt sẽ gỉ, thậm chí gỉ nhanh hơn.
Thiếc nằm dưới sắt trong dãy hoạt động, tức kém hoạt động hơn sắt. Lớp thiếc chỉ hoạt động như một màn chắn vật lý, ngăn nước và oxy tiếp xúc với sắt.
Khi lớp chắn bị xước, nước và oxy chạm thẳng vào sắt và quá trình gỉ bắt đầu. Tệ hơn: vì thiếc kém hoạt động hơn, chính sắt bị ăn mòn ưu tiên tại vết xước, nên gỉ lan nhanh hơn cả đinh trần.
Đinh mạ kẽm — sắt vẫn được bảo vệ.
Kẽm nằm trên sắt trong dãy, tức hoạt động mạnh hơn. Lớp kẽm làm hai việc:
- là một màn chắn, giống lớp thiếc;
- bảo vệ hy sinh: khi lớp phủ bị xước, kẽm bị ăn mòn thay cho sắt, vì nó nhường electron dễ hơn.
Sắt vì thế vẫn không gỉ, kể cả khi phần sắt đã lộ ra. Lớp kẽm mòn dần và chỉ khi nó mòn hết thì sắt mới bắt đầu gỉ.
Điều phân biệt hai cách. Cả hai đều là lớp phủ, nhưng chỉ lớp phủ bằng kim loại hoạt động mạnh hơn mới còn tác dụng sau khi bị xước. Đó là lý do người ta mạ kẽm cho tôn lợp mái và cột thép ngoài trời — những thứ chắc chắn sẽ bị va quệt.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Metals gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.