📖 Bài 20: Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim - lớp 9

1. Phương pháp tách kim loại

Trong tự nhiên, hầu hết kim loại tồn tại dưới dạng hợp chất (oxide, muối...) trong các loại quặng (như quặng bauxite chứa $Al_2O_3$, quặng hematite chứa $Fe_2O_3$). Để tách kim loại ra khỏi quặng, người ta dùng 3 phương pháp chính:

• Phương pháp điện phân nóng chảy: Dùng để tách các kim loại hoạt động hoá học mạnh (như Na, Ca, Mg, Al...). Ví dụ, sản xuất nhôm từ aluminium oxide: $2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{Điện phân nóng chảy, Cryolite}} 4Al + 3O_2$.
• Phương pháp nhiệt luyện: Dùng để tách các kim loại hoạt động trung bình (như Zn, Fe, Cu...) ở nhiệt độ cao, bằng cách dùng các chất khử như C, CO, $H_2$, Al.... Ví dụ, tách sắt: $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^o} 2Fe + 3CO_2$.
• Phương pháp thuỷ luyện: Dùng để tách các kim loại hoạt động yếu (như Ag, Au...).

2. Hợp kim

• Khái niệm: 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.
• Ưu điểm: Hợp kim thường có những ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất như: độ cứng cao hơn, bền hơn, khả năng chống ăn mòn tốt hơn và giá thành thường rẻ hơn.
• Một số hợp kim phổ biến:
  • Gang và Thép: Đều là hợp kim của sắt (Fe) và carbon (C) cùng một số nguyên tố khác. Gang chứa 2% - 5% carbon (cứng và giòn). Thép chứa dưới 2% carbon (cứng, dẻo, đàn hồi tốt).
  • Inox (Thép không gỉ): Hợp kim của sắt, carbon và thêm các nguyên tố như chromium, nickel giúp inox cứng và khó bị gỉ.
  • Duy-ra (Duralumin): Hợp kim của nhôm với đồng, manganese, magnesium... Rất nhẹ và cứng hơn nhôm nguyên chất.

3. Sản xuất gang, thép

• Sản xuất gang: Nguyên liệu gồm quặng hematite ($Fe_2O_3$), than cốc và đá vôi. Quá trình diễn ra trong lò cao: Than cốc cháy tạo khí CO ($C + O_2 \rightarrow CO_2$ và $C + CO_2 \rightarrow 2CO$). Khí CO sẽ khử oxide sắt tạo ra sắt lỏng ($3CO + Fe_2O_3 \rightarrow 2Fe + 3CO_2$). Sắt lỏng hoà tan một lượng nhỏ carbon tạo thành gang. Đá vôi phân huỷ và kết hợp với tạp chất tạo thành xỉ ($CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$) nhẹ hơn nổi lên trên để loại bỏ.
• Sản xuất thép: Nguyên liệu là gang và khí oxygen. Quá trình này thổi khí oxygen vào gang lỏng ở nhiệt độ cao để đốt cháy các tạp chất (C, Si, Mn, P, S...) làm giảm hàm lượng carbon và tạp chất, từ đó thu được thép.

4. Em đã học

Từ bài học này, em cần ghi nhớ các điểm cốt lõi:

• Các bước cơ bản để tách kim loại từ quặng: Quặng $\xrightarrow{\text{Làm giàu quặng}}$ Hợp chất chứa kim loại $\xrightarrow{\text{Phương pháp hoá học}}$ Kim loại.
• Một số phương pháp hoá học thường dùng để tách kim loại: Điện phân nóng chảy, nhiệt luyện, thuỷ luyện.
• Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa ít nhất một kim loại cơ bản và một số kim loại/phi kim khác. Hợp kim thường có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại nguyên chất (như độ bền, độ cứng cao...).
• Sản xuất gang: Trải qua các giai đoạn tạo khí $CO$, tạo gang từ quặng ($3CO + Fe_2O_3 \rightarrow 2Fe + 3CO_2$), và tạo xỉ ($CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$).
• Sản xuất thép: Làm giảm các tạp chất (C, Si, Mn...) trong gang bằng cách chuyển chúng thành các oxide và loại bỏ chúng để thu được thép.

5. Em có thể

• Giải thích được mối liên hệ giữa tính chất và ứng dụng của hợp kim.
• Trình bày (thuyết trình/viết/vẽ) về các giai đoạn cơ bản của quá trình sản xuất gang và quá trình sản xuất thép.

6. Ví dụ thực tế ứng dụng kiến thức

• Tại sao vỏ máy bay lại làm từ hợp kim Duy-ra (Duralumin) mà không phải nhôm hay thép? Thép rất cứng nhưng quá nặng, nếu làm vỏ máy bay sẽ không thể bay lên hiệu quả. Nhôm nguyên chất rất nhẹ nhưng lại quá mềm dẻo. Bằng cách pha thêm một lượng nhỏ Đồng (Cu), Manganese (Mn) và Magnesium (Mg) vào Nhôm, các nhà luyện kim tạo ra Duralumin – một hợp kim nhẹ như nhôm nhưng lại cứng cáp gần bằng thép. Đây là vật liệu hoàn hảo cho ngành hàng không vũ trụ.
• Phân biệt Gang và Thép trong đời sống: Dù đều làm từ sắt và carbon, nhưng do tỉ lệ carbon khác nhau nên tính chất của chúng trái ngược nhau. Gang chứa nhiều carbon (2-5%) nên cứng nhưng rất giòn, dễ nứt vỡ khi bị đập mạnh, thường dùng để đúc vỏ động cơ hoặc nắp cống trên đường. Thép chứa ít carbon (< 2%) nên dẻo dai, tính đàn hồi cao, có thể uốn cong thành cốt thép xây dựng nhà cửa, làm lò xo hoặc khung xe máy.
• Cryolite trong sản xuất Nhôm có tác dụng gì? Nhôm oxide ($Al_2O_3$) có nhiệt độ nóng chảy cực kì cao (khoảng 2050 °C). Việc đun nóng chảy nó để điện phân sẽ tốn một lượng điện năng khổng lồ. Để giải quyết bài toán kinh tế, các kĩ sư thêm chất Cryolite vào. Cryolite giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống chỉ còn khoảng 950 °C, giúp tiết kiệm cực kì nhiều nhiên liệu và chi phí cho nhà máy.