Luyện kim: Điện phân muối nóng chảy + Phản ứng nhiệt nhôm — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Tại sao nhôm chỉ có thể dùng dòng điện để «tách» ra, còn sắt lại có thể được nhôm «đẩy» ra?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: 2Al₂O₃(l) --đpnc--> 4Al(l) + 3O₂↑
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 12 (SGK GDPT 2018) · Chương Đại cương về kim loại — Bài Tách kim loại (Điện phân nóng chảy & Nhiệt luyện)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (8 bước)
- Bước 1 (Ba khu vực): Cùng là kim loại khai thác từ quặng, tại sao có kim loại «nung» là ra, có kim loại bắt buộc phải dùng dòng điện? — Kết luận: 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. |
Mⁿ⁺ + ne⁻ → M - Bước 2 (Chỉ có thể điện phân): Than cốc có thể khử quặng sắt thành sắt, tại sao lại không khử được quặng nhôm thành nhôm? — Kết luận: 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. |
2NaCl(l) --đpnc--> 2Na(l) + Cl₂↑ · MgCl₂(l) --đpnc--> Mg(l) + Cl₂↑ - Bước 3 (Mặt cắt bình điện phân): Bên trong bể điện phân này thực chất có những gì, và nhôm được «sinh ra» như thế nào? — Kết luận: 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. |
2Al₂O₃(l) --đpnc (cryolite trợ dung)--> 4Al(l) + 3O₂↑ - Bước 4 (Ion nào đi về đâu): Sau khi đóng điện, electron và các ion di chuyển về phía nào? Tăng cường độ dòng điện có tiết kiệm điện không? — Kết luận: 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. |
Cathode: Al³⁺ + 3e⁻ → Al · Anode: 2O²⁻ − 4e⁻ → O₂↑ - Bước 5 (Phối trộn cryolite): Al₂O₃ tới 2054 ℃ mới nóng chảy, làm sao bể điện phân chịu nổi? — Kết luận: 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. |
2Al₂O₃(l) --đpnc (cryolite trợ dung)--> 4Al(l) + 3O₂↑ - Bước 6 (Bài toán điện năng): Nhiệt độ bể chỉ chênh lệch mười mấy độ, tại sao tiền điện lại chênh nhau cả một khoản lớn? — Kết luận: 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 ℃. |
W = 2980·U/η · U = 4.10 + 0.003·(955 − t) + 0.010·(950 − t phần dưới 950 ℃) - Bước 7 (Nhiệt nhôm): Nhôm khó điều chế ra như vậy, tại sao người ta lại dùng nhôm để luyện sắt? — Kết luận: 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 ℃. |
2Al + Fe₂O₃ --nhiệt độ cao--> Al₂O₃ + 2Fe - Bước 8 (Đánh giá vận hành ca): Khi sản lượng, điện năng tiêu thụ và độ an toàn của bể cùng bị ràng buộc, bạn sẽ điều chỉnh bể điện phân như thế nào? — Kết luận: 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. |
t ∈ [950, 965] ℃ · W ≤ 13 100 kW·h/t · P ≥ 2.30 t/d
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Luyện kim: Điện phân muối nóng chảy + Phản ứng nhiệt nhôm · Trang chủ VietLab 3D