Tài liệu Điện phân thoát kim loại ppt

ĐI
ĐI
Ệ
Ệ
N PHÂN THO
N PHÂN THO
Á
Á
T KIM LO
T KIM LO
Ạ
Ạ
I
I
Thoát KL trên điện cực : catod
1) Điện luyện (dung dịch hoặc nóng chảy) : thu KL
từ quặng – 1 khâu trong quá trình
2) Điện tinh luyện (dung dịch hoặc nóng chảy) :
thu KL tinh khiết từ KL thô
3) S/x KL bột : KL và hợp kim; dung dịch
4) Mạ : KL và hợp kim; dung dịch
Ñ
Ñ
ie
ie
ä
ä
n luye
n luye
ä
ä

n
n
Chương III
Chương III
 Thu KL tinh khiết ở thể lỏng trên catod: Na, Li, Mg, Al
Catod lỏng tạo hợp kim với KL, sau đó chưng cất:
Kù (catod Pb lỏng), Ca (Cu – 1083
o
C; Cu + 30%
Ca – 700 – 800
o
C).
 Thu KL rắn trên catod: nếu KL khó nóng chảy
 I rất lớn : ~100 kA/m
2
; > 25 – 100 lần so với đp
mt nước.
 Điện phân gần T kết tinh : cấu trúc gần giống
tinh thể
Điện phân muối nóng chảy– Đặc điểm chung
Các tính chất hóa lý:
 Độ dẫn điện cao (KCl dd
χ
< 30 S.m
-1
; KCl (TiCl
3
-
800
o

C)
χ
~ 100 - 500 S.m
-1
)
 Tỷ trọng: điều chỉnh sao cho sản phẩm hoặc nổi lên
trên (Na, Mg) hoặc chìm xuống dưới (Al)
d
t
= d
o
+
α
(t – t
o
) ;
α
< 0
 Độ nhớt: ảnh hưởng đến độ dẫn điện
η
ηη
η
= B.e
Ua/kT
(U
a
– NL kích động chảy nhớt): T tăng
η
giảm
Độ nhớt hệ nóng chảy không lớn so với dd đậm đặc:

η
NaCl 25%/H2O
= 1,86 cpz ;
η
NaCl nóng chảy
= 1,49 cpz
Độ nhớt không có đặc tính cộng.
Điện phân muối nóng chảy –Đặc điểm chung
Các tính chất hóa lý:
 Áp suất hơi của muối nóng chảy: P lớn
→
thất thoát
muối nc, gây ô nhiễm môi trường. P tăng theo nhiệt
độ:
lnP = - (
∆
H
bh
/T) + const
 Sức căng bề mặt (
σ
σσ
σ
) – sự thấm ướt (
θ
- góc thấm ướt)
θ
nhỏ (cos
θ
lớn) – bề mặt càng được thấm ướt.

cos
θ
= (
σ
RK
-
σ
RL
)/
σ
LK
 Hiệu ứng anod: khí thoát ra làm chất đly
nóng ch
ả
y
không thấm ướt đ/c
→
hồ quang điện: giảm dòng và
tăng thế đột ngột.
Điện phân muối nóng chảy –Đặc điểm chung
• Bình Downs.
• Điện phân muối nóng chảy NaCl.
• Thêm CaCl
2
để giảm nhiệt độ nóng chảy của
NaCl từ 804°C xuống 600°C.
• Dùng tấm chắn bằng Fe để ngăn cách Na và Cl
(Không để tái hình thành lại NaCl).
 Pứ catod (Fe): 2 Na
+

(l) + 2 ē → 2 Na(l)
 Pứ anod (C): 2 Cl
−
(l) → Cl
2
(k) + 2 ē
Đ
Đ
ie
ie
ä
ä
n luye
n luye
ä
ä
n Na
n Na
Ñ
Ñ
ie
ie
ä
ä
n luye
n luye
ä
ä
n Na
n Na

Sa
Sa
û
û
n xua
n xua
á
á
t Al
t Al
 1827 (Veller) : K (kl) + AlCl
3
→ pp Nhiệt, rất đắt
 1880: Na + AlCl
3
.NaCl (nóng chảy)
 1886 Hall (Mỹ) + Héroult (Pháp) : điện phân
 Quy trình ít thay đổi, công nghệ được cải tiến
nhiều: nguyên liệu, điện cực,…
 Hiện nay bắt đầu chú ý lại các pp Nhiệt, chủ yếu
để s/x hợp kim (Al+Si) …
Al
Al
 Kim loại thông dụng thứ hai sau Fe
 Dễ dát mỏng, mềm, bền cơ học (/KL), bền ăn
mòn, nhẹ, …
 Giao thông 34%; Bao bì 25%; Xây dựng 17%;
tải điện 7%; Vật dụng gia đình lâu dài 7%; ….
Vỏ trái đất
Cơ thể người

Khác,
9,2%
Khác,
7%
Đ
Đ
ie
ie
ä
ä
n luye
n luye
ä
ä
n Al
n Al
Công nghệ điện phân Hall – Héroult (1886).
 Al
2
O
3
nóng chảy ở 2020°
°°
°C – chất lỏng không
dẫn điện nên không thể điện phân Al
2
O
3
(tinh
khiết) nóng chảy.

 Hall – Héroult : dùng dd Al
2
O
3
trong cryolit
(Na
3
AlF
6
), T
nc
1012°
°°
°C, môi trường dẫn điện.
• Pứ Anod: C(r) + 2 O
2-
(l) → CO
2
(k) + 4 ē
• Pứ Catod: Al
3+
(l) + 3 ē → Al(l)
 Điện cực graphit bò tiêu thụ trong phản ứng.
Ñ
Ñ
ie
ie
ä
ä
n luye

n luye
ä
ä
n Al
n Al
Độ
hòa tan t
ố
t c
ủ
a Al
2
O
3
trong Na
3
AlF
6
– do kích th
ướ
c F và O
trong các ph
ứ
c ch
ấ
t Al nóng ch
ả
y g
ầ
n b

ằ
ng nhau → d
ễ
hình
thành ion AlOF
2
-
, AlOF
3
2-
, … → h
ỗ
n h
ợ
p ion ph
ứ
c →
cơ chế
ph
ả
n
ứ
ng ch
ư
a
đượ
c bi
ế
t rõ.
P

ứ ở
catod : kh
ử
Al (III)
Al
2
O
3
+ cryolit
Al noùng chaûy
Khí
 Nếu pứ anod là thoát khí oxy: 2 O
2-
→ O
2
+ 4 ē
• thì pứ tổng chung: 2 Al
2
O
3
→ 4 Al + 3 O
2
• Anod trơ : E
bình
= 2,21 V
• ∆
∆∆
∆G
1000oC
= 640 kJ/mol Al

 Nếu dùng anod C: C(r) + 2 O
2-
(l) → CO
2
(k) + 4 ē
• và pứ tổng chung: 2 Al
2
O
3
+ 3 C→ 4 Al + 3 CO
2
• Anod C: E
bình
= 1,18 V
• ∆
∆∆
∆G
1000oC
= 340 kJ/mol Al
Đ
Đ
ie
ie
ä
ä
n luye
n luye
ä
ä
n Al

n Al – Phản ứng anod
Làm giàu bauxite (Al
2
O
3
.xH
2
O)
→
Al
2
O
3
tinh khiết
C
ầ
n lo
ạ
i Fe, Si, Ti kh
ỏ
i qu
ặ
ng vì d
ễ
b
ị
kh
ử hơn Al
- s
ẽ

hòa l
ẫ
n.
3 pp
đ
i
ề
u ch
ế
Al
2
O
3
s
ạ
ch : ki
ề
m, axít, nhi
ệ
t
đ
i
ệ
n
Quy trình Bayer (pp ướt):
áp d
ụ
ng
khi Al
2

O
3
:SiO
2
≥
≥≥
≥
8
 Đun quặng trong 30% NaOH ở 150-230
°
C và P cao (30
atm – tránh sôi).
 Al
2
O
3
hòa tan:
Al
2
O
3
.H
2
O(r) + 2 H
2
O(l) + 2 OH
−
(aq)
→
2 Al(OH)

4
–
(aq)
 Tách dd aluminat.
 Nung aluminat
→
Al
2
O
3
tinh khiết
Đ
Đ
ie
ie
ä
ä
n luye
n luye
ä
ä
n Al
n Al
–
– Tinh chế Al
2
O
3
tinh khiết