Sách bài tập KHTN 9 Bài 20 (Kết nối tri thức): Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim

Giải SBT KHTN 9 Bài 20: Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim

Bài 20.1 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Kim loại Na được điều chế bằng phương pháp nào sau đây?

A. Phương pháp điện phân nóng chảy.

B. Phương pháp nhiệt luyện với chất phản ứng là CO.

C. Phương pháp nhiệt luyện với chất phản ứng là H₂.

D. Phương pháp thuỷ luyện.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Kim loại Na được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy muối.

Bài 20.2 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Phương pháp nhiệt luyện với chất phản ứng CO có thể tách được kim loại nào sau đây ra khỏi oxide của nó?

A. Fe.

Β. Κ.

C. Ca.

D. Al.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

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

Bài 20.3 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Thành phần chính của quặng bauxite là

A. Fe₃O₄.

B. Al₂O₃.

C. AlCl₃.

D. Al₂(SO₄)₃.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

Thành phần chính của quặng bauxite là Al₂O₃ được dùng để sản xuất nhôm.

Bài 20.4 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Chất/các chất phản ứng dùng để tách kẽm ra khỏi kẽm sulfide là

A. CO.

B. O₂ và C.

C. HCl và Al.

D. H₂.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

- Ban đầu, cả kẽm và kẽm sulfide đều phản ứng với O₂ để sinh ra ZnO.

PTHH:

2Zn + O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 2ZnO

2ZnS + 3O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 2ZnO + 2SO₂

- Sau đó, đem chất rắn ZnO phản ứng với C.

PTHH: ZnO + C $\stackrel{t^o}{\to }$ Zn + CO

Bài 20.5 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Kim loại cơ bản của hợp kim duy-ra (duralumin) là

A. Fe.

B. Cu.

C. Al.

D. Mg.

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

Kim loại cơ bản của hợp kim duy-ra (duralumin) là nhôm (Al).

Bài 20.6 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Gang và thép có thành phần nguyên tố cơ bản nào khác nhau?

A. Sắt.

B. Manganese.

C. Carbon.

D. Nickel.

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

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% đến 5% trong gang và dưới 2% trong thép.

Bài 20.7 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Chất nào sau đây không phải là nguyên liệu sản xuất gang?

A. Quặng sắt.

B. Than cốc.

C. Đá vôi.

D. Đất sét.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

Nguyên liệu sản xuất gang gồm: quặng sắt (thường là quặng hematite với thành phần chính là Fe₂O₃), than cốc và chất tạo xỉ như CaCO₃ (đá vôi), SiO₂, …

Bài 20.8 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Chất nào sau đây không phải là nguyên liệu sản xuất thép?

A. Gang.

C. Khí oxygen.

B. Thép phế liệu.

D. Khí carbon dioxide.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

Nguyên liệu chính để sản xuất thép là gang (hoặc thép phế liệu) và khí oxygen.

Bài 20.9 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Điện phân nóng chảy 1,53 tấn Al₂O₃, giả thiết hiệu suất 100%, thu được khối lượng nhôm là

A. 810 kg.

B. 720 kg.

C. 405 kg.

D. 360 kg.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

2Al₂O₃ $\stackrel{dpnc}{\to }$ 4Al + 3O₂

204 108

1,53 tấn$\stackrel{H=100\%}{\to }$?

$\to m_{Al} = \frac{1.53. 108}{204}= 0, 81$ tấn = 810 kg.

Bài 20.10 trang 63 Sách bài tập KHTN 9: Một đồ vật bằng vàng tây, thành phần gồm có vàng và bạc, nặng 0,453 g; trong đó, khối lượng vàng là 0,170 g. Thành phần phần trăm khối lượng của vàng trong loại vàng tây đó là

Α. 62,5%.

Β. 37,5%.

C. 17,0%.

D. 45,3%.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

$\%m_{Au}=\frac{0,170}{0,453}.100\%=37,5\%$

Bài 20.11 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Cần ít nhất bao nhiêu tấn Fe₂O₃ để thu được 1 tấn gang có hàm lượng sắt 96,6%?

A. 1,035 tấn.

B. 1,480 tấn.

C. 0,69 tấn.

D. 1,38 tấn.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

1 tấn gang chứa lượng sắt (Fe) là: $1.\frac{96,6}{100}=0,966$ tấn

Trong 160 gam Fe₂O₃ chứa 56.2 = 112 gam Fe.

Vậy m tấn Fe₂O₃ chứa 0,966 tấn Fe.

$\to m=\frac{160.0,966}{112}=1,38$ tấn

Bài 20.12 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Từ 1 tấn gang có hàm lượng sắt 96% có thể thu được tối đa bao nhiêu kg thép có hàm lượng sắt 99%?

A. 960,0 kg.

B. 950,4 kg.

C. 969,7 kg.

D. 1010 kg.

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

1 tấn gang chứa lượng sắt (Fe) là: $1.\frac{96}{100}=0,96$ tấn = 960 kg

Trong 100 kg thép chứa 99 kg Fe (Do thép có hàm lượng sắt là 99%)

Vậy m kg thép chứa 960 kg Fe.

$\to m=\frac{100.960}{99}=969,7kg$

Bài 20.13 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Trong quá trình điện phân nóng chảy aluminium oxide, cryolite được trộn vào để làm gì?

Lời giải:

Cryolite được trộn vào trong quá trình điện phân nóng chảy Al₂O₃ để làm giảm nhiệt độ nóng chảy, tăng tính dẫn điện (giảm tiêu tốn điện năng) và chống oxi hoá nhôm lỏng tạo thành (Al phản ứng với O₂).

Bài 20.14 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Điện cực than chì có bền không trong quá trình điện phân nóng chảy aluminium oxide?

Lời giải:

Điện cực than chì không bền. Oxygen sinh ra sẽ phản ứng dần với điện cực than chì, tạo khí CO và CO₂.

O₂ + C $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂

C + CO₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 2CO

Bài 20.15 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Tại sao hợp kim lại được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và cuộc sống?

Lời giải:

Hợp kim có nhiều ưu điểm so với kim loại thành phần, đặc biệt về tính chất vật lí.

Ví dụ: đuy-ra (duralumin) có độ cứng lớn hơn nhôm rất nhiều, do đó được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo thân vỏ máy bay, ô tô, ...

Bài 20.16 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Khí lò cao trong sản xuất gang thép thường chứa các khí gì? Các khí này ảnh hưởng thế nào tới môi trường xung quanh? Em hãy đề xuất cách xử lí các khí này trước khi thải ra môi trường xung quanh.

Lời giải:

- Khí thoát ra từ lò cao sản xuất gang thường có nhiều CO₂, CO và một số khí như SO₂, NO, NO₂, CH₄, ... gây ra sự gia tăng hiệu ứng nhà kính, mưa acid và ô nhiễm không khí, ...

- Cách xử lí: Cần đốt cháy và hấp thụ sản phẩm vào một số dung dịch đặc biệt (như dung dịch Ca(OH)₂).

Bài 20.17 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Từ 1 tấn quặng sphalerite chứa 97% ZnS thu được khối lượng Zn và khối lượng SO₂ phát thải là bao nhiêu, biết hiệu suất của mỗi phản ứng là 90%? Khối lượng than cốc cần dùng cho lượng quặng sphalerite là bao nhiêu, biết lượng cần dùng dư 20% so với lượng phản ứng?

Lời giải:

Ta có: $m_{ZnS}=\mathrm{1.1000.}\frac{97}{100}=970kg\to n_{ZnS}=\frac{{970.10}^3}{97}={10}^{4}mol$ = 10 000 mol

Phản ứng: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

Số mol: 10 000 → 9 000 9 000 (Do H = 90%)

Phản ứng: ZnO + C → Zn + CO

Số mol: 9 000 → 8100 8 100 (Do H = 90%)

Khối lượng Zn thu được là: $m_{Zn}=65.8100=526500g=526,5kg$

Khối lượng khí SO₂ phát thải là: $m_{S{O}_2}=64.9000=576000g=576kg$

Khối lượng than cốc cần dùng là: $m_{than}=\mathrm{12.8100.}\frac{120}{100}=116640g=116,64kg$

Bài 20.18 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Nhúng một thanh kẽm vào 200 mL dung dịch AgNO₃. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, Ag sinh ra bám hết vào thanh kẽm, khối lượng thanh kim loại thu được tăng 1,51 g. Xác định nồng độ dung dịch AgNO₃ ban đầu.

Lời giải:

Phản ứng: Zn + 2AgNO₃ → Zn(NO₃)₂ + 2Ag

Số mol: a → 2a → 2a

Khối lượng thanh kim loại tăng thêm là: $2a.108-a.65=1,51\to a=0,01mol$

→ Số mol ban đầu của AgNO₃ là 2a = 2.0,01 = 0,02 mol

→ Nồng độ dung dịch AgNO₃ ban đầu là: $C_M=\frac{0,02}{0,2}=0,1M$

Bài 20.19 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Cho 8 g một loại đồng thau (hợp kim đồng – kẽm) vào lượng dư dung dịch HCl 2 M, sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 1,2395 L khí hydrogen (ở đkc). Xác định thành phần của đồng thau (giả thiết hợp kim này chỉ chứa hai nguyên tố).

Lời giải:

Chỉ có kẽm phản ứng với dung dịch HCl.

Ta có: $n_{H_2}=\frac{1,2395}{24,79}=0,05mol$

Phản ứng: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Số mol: 0,05 ← 0,05

$\begin{array}{l}\%Zn=\frac{0,05.65}{8}.100\%=40,625\%\\ \%Cu=100\%-40,625\%=59,375\%\end{array}$

Bài 20.20 trang 64 Sách bài tập KHTN 9: Cho 4,958 L khí (ở đkc) CO đi qua ống sứ đựng 8 g một oxide kim loại, nung nóng. Sau phản ứng thu được m gam kim loại M và hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hydrogen bằng 20. Tính giá trị m và xác định công thức oxide của kim loại M.

Lời giải:

Ta có: $n_{CO}=\frac{4,958}{24,79}=0,2mol$

Sơ đồ phản ứng:

CO (0,2 mol) + oxide KL (8 gam) → M + hỗn hợp khí X $\underset{0,2mol}{\underbrace{\left\{\begin{array}{l}CO\\ C{O}_2\end{array}\right.}}{\overline{M}}_X=40$

Bảo toàn khối lượng ta có:

$m_{CO}+m_{oxide}=m_X+m_M\to m_M=0,2.28+8-0,2.40=5,6g$

Phản ứng: M₂O_n + nCO → 2M + nCO₂

Số mol: a → na 2a na

Theo bài ta có:

(2M + 16n).a = 8 (1)

M.2a = 5,6 (2)

Lấy (1) chia cho (2) ta được: $\frac{2M+16n}{2M}=\frac{8}{5,6}\to M=\frac{56}{3}n$

→ n = 3, M = 56 (Fe).

→ Oxide cần tìm là: Fe₂O₃.

Lý thuyết KHTN 9 Bài 20: Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim

I. Phương pháp tách kim loại

- Trong tự nhiên, kim loại chủ yếu tồn tại ở trong quặng dưới dạng hợp chất như oxide, muối,… Ví dụ: Aluminium oxide là thành phần chủ yếu trong quặng bauxite; iron (III) oxide là thành phần chủ yếu trong quặng hematite,… Một số kim loại quý như vàng có thể tồn tại dưới dạng đơn chất.

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

+ Từ quặng, người ta làm giàu quặng bằng cách loại bỏ các tạp chất như đất, cát, đá,… thu được hợp chất chứa kim loại.

+ 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.

- Một số phương pháp hoá học thường để tách kim loại:

+ Phương pháp điện phân nóng chảy được áp dụng 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,…; có thể dùng các chất như C, CO, H₂, Al,… tác dụng với oxide kim loại ở nhiệt độ cao, thu được kim loại.

+ Phương pháp thuỷ luyện để tách các kim loại hoạt động hoá học yếu như Ag, Au,….

II. Quá trình tách một số kim loại có nhiều ứng dụng

1. Tách nhôm ra khỏi aluminium oxide bằng phản ứng điện phân

- Nguyên liệu: quặng bauxite (thành phần chính là Al₂O₃).

- Quá trình điện phân nóng chảy: Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy aluminium oxide nóng chảy, theo phản ứng sau:

2. Tách sắt ra khỏi iron (III) oxide

Ở nhiệt độ cao, sắt được tách ra khỏi iron (III) oxide bởi carbon monoxide:

$\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3+3\mathrm{C}\mathrm{O}\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{F}\mathrm{e}+3\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

3. Tách kẽm ra khỏi zinc sulfide

- Quặng chứa zinc sulfide (ZnS) được đốt trong không khí để chuyển zinc sulfide thành zinc oxide (ZnO):

$2\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}+3{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}+2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$

- Tiếp theo, kẽm được tách ra khỏi zinc oxide bởi carbon:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}+\mathrm{C}\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{Z}\mathrm{n}+\mathrm{C}\mathrm{O}$

Mở rộng:

Phương pháp thuỷ luyện: Các hợp chất hoặc hỗn hợp các kim loại hoạt động hoá học yếu như bạc,… được chuyển thành muối tan. Sau đó, dùng kim loại hoạt động hoá học mạnh hơn đẩy kim loại bạc ra khỏi muối, tách chúng ra khỏi dung dịch.

II. Hợp kim

1. Khái niệm hợp kim

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 kim loại chiếm thành phần chính trong hợp kim.

Ví dụ: thép có kim loại cơ bản là sắt, đuy-ra (duralumin) có kim loại cơ bản là nhôm,…

2. Ưu điểm của hợp kim

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 nên được sử dụng phổ biến trong đời sống và trong công nghiệp.

3. Một số hợp kim phổ biến

- Gang và thép là hai hợp kim của sắt với carbon và một số nguyên tố khác (carbon chiếm hàm lượng từ 2% đến 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 rộng rãi 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,…

- Inox là một loại thép đặc biệt, ngoài sắt và carbon còn các nguyên tố khác như chromium, nickel. Inox cứng và khó bị gỉ, được sử dụng làm đồ gia dụng, thiết bị y tế,…

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

III. Sản xuất gang, thép

1. Sản xuất gang từ nguồn quặng chứa iron (III) oxide

- Nguyên liệu: quặng sắt (thường là quặng hematite với thành phần chính là Fe₂O₃), than cốc và chất tạo xỉ như CaCO₃, SiO₂,…

- Các giai đoạn chính:

+ Tạo thành khí CO:

$\begin{array}{c}\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\\ \mathrm{C}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{C}\mathrm{O}\end{array}$

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

$3\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }2\mathrm{F}\mathrm{e}+3\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

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

+ Tạo xỉ, tách xỉ thu được gang:

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}+\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{°}}{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_3$

Lưu ý:

+ 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 qua cửa ở gần miệng lò.

2. Sản xuất thép

- Nguyên liệu chính: Gang (hoặc thép phế liệu) và khí oxygen.

- Quá trình 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.