Luyện kim: Điện phân nóng chảy Al₂O₃ & Phản ứng nhiệt nhôm

Phương trình / Quy luật áp dụng: Mⁿ⁺ + ne⁻ → M

Giải thích chuẩn SGK: Bản chất của luyện kim là khử ion kim loại trong hợp chất thành đơn chất; kim loại càng hoạt động thì cation càng khó nhận electron, nên phương pháp tách được phân theo dãy hoạt động: K–Al điện phân nóng chảy, Zn–Cu nhiệt luyện, Hg/Ag nhiệt phân.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Cơ sở lựa chọn phương pháp tách kim loại là gì?» — Trả lời: Dựa vào mức độ hoạt động hóa học của kim loại (độ mạnh yếu của tính khử), không chỉ trả lời «dựa vào giá thành».

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2NaCl(l) --đpnc--> 2Na(l) + Cl₂↑　·　MgCl₂(l) --đpnc--> Mg(l) + Cl₂↑

Giải thích chuẩn SGK: Nhôm hoạt động mạnh hơn cả carbon và sắt, carbon không khử được Al₂O₃ và sắt cũng không đẩy được nhôm (ΔrG° = +840.1 kJ·mol⁻¹ > 0, không tự diễn biến) — vì vậy Na, Mg, Al chỉ có thể điều chế bằng điện phân hợp chất nóng chảy.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao không thể luyện nhôm bằng chất khử thông thường như luyện sắt?» — Trả lời: Do mức độ hoạt động hóa học (nhôm hoạt động mạnh hơn carbon và sắt), không trả lời «vì nhôm đắt».

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2Al₂O₃(l) --đpnc (cryolite trợ dung)--> 4Al(l) + 3O₂↑

Giải thích chuẩn SGK: Bể điện phân nhôm là thiết bị điện phân muối nóng chảy: khối than anode ở trên, khối than cathode ở đáy bể; nhôm lỏng nặng hơn khối nóng chảy nên lắng xuống đáy và được hút ra ngoài.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Sản phẩm ở cathode khi điện phân nóng chảy Al₂O₃ nằm ở đâu?» — Ở đáy bể (do khối lượng riêng lớn hơn khối nóng chảy); còn anode ở phía trên, sản phẩm là khí O₂.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Cathode: Al³⁺ + 3e⁻ → Al　·　Anode: 2O²⁻ − 4e⁻ → O₂↑

Giải thích chuẩn SGK: Cathode: Al³⁺ + 3e⁻ → Al, Anode: 2O²⁻ − 4e⁻ → O₂↑; dòng điện càng lớn thì sản lượng nhôm càng nhiều, nhưng độ sụt áp trên thanh cái, thanh dẫn và khối nóng chảy cũng lớn hơn, nên điện năng tiêu thụ mỗi tấn nhôm không hề giảm đi khi tăng dòng điện.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Điều gì xảy ra khi tăng cường độ dòng điện trong điện phân nhôm?» — Sản lượng tăng tỉ lệ thuận, nhưng điện áp bể và điện năng tiêu thụ trên mỗi tấn nhôm cũng tăng nhẹ; muốn tiết kiệm điện phải giảm điện áp bể và nâng cao hiệu suất dòng điện.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2Al₂O₃(l) --đpnc (cryolite trợ dung)--> 4Al(l) + 3O₂↑

Giải thích chuẩn SGK: Cryolite kéo nhiệt độ nóng chảy của hệ Al₂O₃ từ 2054 ℃ xuống dưới khoảng 1000 ℃ để điện phân công nghiệp diễn ra ở 940–980 ℃; nó là chất trợ dung nên không viết vào phương trình tổng quát.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Vai trò của cryolite (Na₃AlF₆) là gì?» — Là chất trợ dung giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ (không phải chất xúc tác, không tham gia phản ứng điện cực).

Phương trình / Quy luật áp dụng: W = 2980·U/η　·　U = 4.10 + 0.003·(955 − t) + 0.010·(950 − t phần dưới 950 ℃)

Giải thích chuẩn SGK: Nhiệt độ bể giảm → Al₂O₃ khó tan, điện trở khối nóng chảy tăng → điện áp bể tăng → điện năng tiêu thụ tăng (955 → 940 ℃: 12 861 → 13 068 kW·h/t); nhiệt độ bể quá cao tuy giảm điện áp bể nhưng hiệu suất dòng điện tụt nhanh hơn (ở 990 ℃, η = 0.908 → 13 111 kW·h/t). Cả hai phía đều tốn điện, nên công nghiệp giữ ở 940–980 ℃.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao điện năng tiêu thụ trong điện phân nhôm lại cao như vậy?» — Vì điện áp bể thực tế cao hơn nhiều so với thế phân hủy lý thuyết, phần chênh lệch biến thành nhiệt năng giữ cho bể nóng chảy.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2Al + Fe₂O₃ --nhiệt độ cao--> Al₂O₃ + 2Fe

Giải thích chuẩn SGK: Cùng một bản chất «nhôm hoạt động mạnh»: khi điện phân là trở ngại (phải dùng dòng điện cưỡng bức), nhưng trong phản ứng nhiệt nhôm lại là lợi thế (nhôm chiếm oxygen của oxide sắt), tỏa nhiệt 851.5 kJ·mol⁻¹ và đạt nhiệt độ trên 2500 ℃.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Chất oxi hóa trong phản ứng nhiệt nhôm là chất nào?» — Là Fe₂O₃ (Fe giảm số oxi hóa từ +3 → 0); phản ứng nhiệt nhôm dùng để hàn đường ray và luyện kim loại khó nóng chảy.

Phương trình / Quy luật áp dụng: t ∈ [950, 965] ℃ · W ≤ 13 100 kW·h/t · P ≥ 2.30 t/d

Giải thích chuẩn SGK: Miền khả thi là một dải hẹp hai chiều: chỉ khi nhiệt độ bể nằm trong khoảng 950–965 ℃ và cường độ dòng điện vừa đủ lớn thì cả ba chỉ tiêu mới đồng thời đạt chuẩn.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao trong điện phân nhôm không thể cứ hạ nhiệt độ mãi để tiết kiệm điện?» — Vì điện áp bể tăng, khối nóng chảy đặc quánh và Al₂O₃ không hòa tan kịp.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Cathode: Al, Anode: O₂. Ở cathode (nối với cực âm nguồn điện): Al³⁺ + 3e⁻ → Al; ở anode (nối với cực dương): 2O²⁻ − 4e⁻ → O₂↑. Khí O₂ thoát ra ở anode sau đó đốt cháy cực dương bằng than chì tạo CO/CO₂, nhưng sản phẩm điện cực trực tiếp là O₂.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Chất trợ dung giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃. Cryolite (Na₃AlF₆, nóng chảy ở 1012 ℃) là chất trợ dung: hòa tan Al₂O₃ giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống dưới khoảng 1000 ℃ (công nghiệp vận hành ở 940–980 ℃). Nó không tham gia phản ứng điện cực và không viết vào phương trình tổng quát.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Nhôm hoạt động mạnh hơn carbon, ở nhiệt độ khả thi trong công nghiệp carbon không khử được Al₂O₃. Theo dãy hoạt động hóa học, nhôm đứng trước carbon nên tính khử của nhôm mạnh hơn carbon; nếu đảo ngược dùng sắt khử Al₂O₃ thì ΔrG° = +840.1 kJ·mol⁻¹ > 0, cũng không tự xảy ra. Vì vậy chỉ có thể điện phân nóng chảy.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Sản lượng tăng lên khoảng 4/3 lần, điện năng tiêu thụ mỗi tấn nhôm cũng tăng nhẹ. Sản lượng tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện (2.30 → 3.06 t/d); nhưng độ sụt áp thuần trở trên thanh cái, thanh dẫn và khối nóng chảy tăng theo dòng điện làm điện áp bể tăng 4.100 → 4.180 V, khiến điện năng tiêu thụ tăng nhẹ từ 12 861 lên 13 112 kW·h/t.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Bị oxi hóa, đóng vai trò chất khử. Số oxi hóa của nhôm tăng từ 0 lên +3, nhường electron nên bị oxi hóa và đóng vai trò chất khử; sắt giảm số oxi hóa từ +3 xuống 0 nên bị khử. Phản ứng nhiệt nhôm tỏa nhiệt 851.5 kJ·mol⁻¹, dùng để hàn đường ray và luyện kim loại khó nóng chảy.