Tailieumoi.vn giới thiệu Giải bài tập Khoa học tự nhiên lớp 9 Bài 20: Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim chi tiết sách Kết nối tri thức giúp học sinh xem và so sánh lời giải từ đó biết cách làm bài tập môn KHTN 9. Mời các bạn đón xem:

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

Mở đầu trang 95 Bài 20 KHTN 9: Kim loại được sử dụng rộng rãi trong đời sống. Chúng được tách từ nguồn nguyên liệu nào và sản xuất bằng cách nào?

Trả lời:

Trong tự nhiên, kim loại chủ yếu tồn tại ở trong quặng dưới dạng hợp chất như oxide, muối … Từ các quặng kim loại, người ta làm giàu quặng bằng cách loại bỏ các tạp chất như đất, cát, đá … 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 của nó. Ví dụ:

- Phương pháp điện phân nóng chảy được dùng 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, …

- Phương pháp thuỷ luyện dùng để tách các kim loại hoạt động yếu như Ag, Au …

Câu hỏi trang 95 KHTN 9: Nêu các bước cơ bản trong quy trình tách kim loại từ quặng.

Trả lời:

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

- Từ các quặng kim loại, người ta làm giàu quặng bằng cách loại bỏ các tạp chất như đất, cát, đá …

- 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 của nó.

Hoạt động 1 trang 96 KHTN 9: Hãy chỉ ra điểm giống nhau và khác nhau trong quá trình tách kẽm và tách sắt đã nêu ở trên.

Trả lời:

- Điểm giống nhau: phương pháp sử dụng để tách kẽm và sắt đều là phương pháp nhiệt luyện.

- Điểm khác nhau:

+ Tách sắt từ quặng trải qua một giai đoạn dùng CO tác dụng với Fe₂O₃.

+ Tách kẽm từ quặng trải qua hai giai đoạn: đốt quặng để chuyển ZnS trong quặng thành ZnO; sau đó dùng CO tác dụng với ZnO.

Hoạt động 2 trang 96 KHTN 9: Theo em, kim loại natri có thể tách bằng phương pháp nhiệt luyện như tách kẽm được không? Vì sao?

Trả lời:

Theo em, kim loại natri không thể tách bằng phương pháp nhiệt luyện như tách kẽm. Vì kim loại natri hoạt động mạnh, phương pháp phù hợp để tách natri là phương pháp điện phân.

Câu hỏi 1 trang 97 KHTN 9: Phương pháp nào thường được dùng để tách các kim loại hoạt động mạnh như K, Na, Al, …?

Trả lời:

Phương pháp điện phân thường được dùng để tách các kim loại hoạt động mạnh như K, Na, Al, …

Câu hỏi 2 trang 97 KHTN 9: Phương pháp nào thường được dùng để tách các kim loại hoạt động trung bình như Zn, Fe?

Trả lời:

Phương pháp nhiệt luyện thường được dùng để tách các kim loại hoạt động trung bình như Zn, Fe.

Câu hỏi 1 trang 97 KHTN 9: Thành phần, tính chất của kim loại và hợp kim của nó khác nhau như thế nào? Tại sao trong thực tiễn kim loại thường được sử dụng dưới dạng hợp kim. Lấy ví dụ minh hoạ.

Trả lời:

* So sánh:

- Về thành phần:

+ Kim loại nguyên chất được cấu tạo nên từ một loại nguyên tố hoá học.

+ 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 thành phần chính có trong hợp kim.

- Về tính chất: Hợp kim cứng hơn, bền hơn so với kim loại nguyên chất.

* 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 do đó trong thực tiễn kim loại thường được sử dụng dưới dạng hợp kim.

Ví dụ: Gang và thép là hai hợp kim quan trọng của sắt với carbon và một số nguyên tố khác. Hiện nay chúng là những vật liệu kim loại phổ biến nhất trên thế giới.

Câu hỏi 2 trang 97 KHTN 9: Gang, thép, đuy – ra có thành phần và tính chất đặc trưng gì? Tại sao các hợp kim này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và cuộc sống?

Trả lời:

- 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% - 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 phổ biến 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, …

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

- Gang, thép, đuy – ra nói riêng hay các hợp kim nói chung 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 do đó được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và cuộc sống.

Hoạt động 1 trang 99 KHTN 9: Mô tả các giai đoạn chính của quá trình sản xuất gang. Viết phương trình hoá học của các phản ứng.

Trả lời:

Giai đoạn chính của quá trình sản xuất gang:

- Tạo CO:

C + O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂

C + CO₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 2CO

- Tạo gang từ quặng:

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

- Tạo xỉ, tách xỉ thu được gang:

CaO + SiO₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ CaSiO₃

Hoạt động 2 trang 99 KHTN 9: Tại sao khi bỏ một phần carbon và các tạp chất trong gang lại thu được thép?

Trả lời:

Do hàm lượng carbon trong thép ít hơn hàm lượng carbon trong gang (carbon chiếm hàm lượng từ 2% - 5% trong gang và dưới 2% trong thép) do đó khi bỏ một phần carbon và các tạp chất trong gang lại thu được thép.

Hoạt động 3 trang 99 KHTN 9: Khí thải trong sản xuất gang, thép thường chứa các khí gì? Em hãy tìm hiểu và cho biết nếu các khí này được đưa thẳng ra ngoài môi trường mà không qua xử lí thì sẽ gây ảnh hưởng như thế nào tới môi trường sống.

Trả lời:

Khí thải trong sản xuất gang, thép thường chứa carbon dioxide (CO₂); sulfur dioxide (SO₂) … Nếu các khí này được đưa thẳng ra ngoài môi trường mà không qua xử lí thì sẽ gây ô nhiễm môi trường, gây mưa acid, gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính …

Câu hỏi 1 trang 99 KHTN 9: Gang và thép có thành phần khác nhau như thế nào? Thành phần đó ảnh hưởng đến tính chất vật lí của gang và thép như thế nào? Nêu các ứng dụng nổi bật của gang và thép trong cuộc sống.

Trả lời:

Câu hỏi 2 trang 99 KHTN 9: Phương pháp tách kim loại nào đã được vận dụng trong quá trình sản xuất gang? Giải thích.

Trả lời:

Phương pháp nhiệt luyện đã được sử dụng trong quá trình sản xuất gang.

Cụ thể trong quá trình tạo gang từ quặng, khí CO phản ứng với các oxide có trong quặng:

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

Em có thể trang 99 KHTN 9: Giải thích mối liên hệ giữa tính chất và ứng dụng của hợp kim.

Trả lời:

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 do đó trong thực tiễn kim loại thường được sử dụng dưới dạng hợp kim.

Em có thể trang 99 KHTN 9: Trình bày (thuyết trình/ viết/ vẽ) về các giai đoạn cơ bản của quá trình sản xuất gang và quá trình sản xuất thép.

Trả lời:

- Các giai đoạn chính của quá trình sản xuất gang:

+ Phản ứng tạo thành khí CO:

C + O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂

C + CO₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 2CO

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

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

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

+ Đá vôi bị phân huỷ thành CaO. CaO kết hợp với các oxide như SiO₂ trong quặng tạo thành xỉ:

CaO + SiO₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ CaSiO₃

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 cửa ở gần miệng lò.

- Các giai đoạn cơ bản của quá trình sản xuất thép:

Nguyên liệu chính để sản xuất thép là gang (hoặc thép phế liệu) và khí oxygen. Trong quá trình sản xuất thép, khí oxygen được thổi vào lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao, đốt chát các tạp chất trong gang. Các oxide tạo thành ở dạng khí (CO₂, SO₂ …) sẽ thoát ra, theo khí thải, còn các oxide ở dạng rắn (SiO₂, MnO₂, …) sẽ tạo xỉ nhẹ, nổi lên trên thép lỏng và được tách ra để thu lấy thép.

Xem thêm các bài giải bài tập Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 19. Dãy hoạt động hoá học

Bài 20. Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim

Bài 21. Sự khác nhau cơ bản giữa phi kim và kim loại

Bài 22. Giới thiệu về hợp chất hữu cơ

Bài 23. Alkane

Bài 24. Alkene

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.

III. 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,…

IV. 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.