Tái chế kim loại
Mô tả dây chuyền tái chế nhôm, sắt thép, đồng (thu gom, phân loại, nấu chảy, tinh luyện), tính năng lượng và nguyên liệu tiết kiệm được, rồi làm thực hành thu hồi đồng từ dung dịch thải bằng bột sắt và tính hiệu suất.
Ứng với SGK Hoá học 12 (bộ thống nhất): Chuyên đề 2 · Bài 4
⚡ Nhớ nhanh
- 1Tái chế kim loại: thu gom phế liệu → phân loại → làm sạch → nấu chảy → tinh luyện → đúc lại. Kim loại tái chế được gần như vô hạn lần mà tính chất không đổi.
- 2Phân loại: nam châm hút Fe (thép); dòng xoáy đẩy kim loại màu dẫn điện (Al, Cu); Al và Cu tách tiếp bằng tỉ trọng / cảm biến. Nam châm không hút Al, Cu.
- 3Luyện nhôm từ quặng: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ (điện phân nóng chảy). Tái chế chỉ cần nóng chảy Al (660 °C) ⇒ tiết kiệm khoảng 95 % năng lượng; thép khoảng 60 %, đồng khoảng 85 % (số liệu quy tròn).
- 4Thu hồi Cu từ dung dịch thải (thuỷ luyện): Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓. Fe dư lẫn trong Cu thì rửa bằng HCl loãng: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ (Cu không tan).
- 5Đồng thô tinh luyện bằng điện phân dung dịch CuSO₄: anode là Cu thô (tan ra Cu²⁺), cathode là Cu tinh khiết (Cu²⁺ bị khử bám vào).
- 6Bẫy: không cân chất rắn khi còn Fe dư (hiệu suất ra hơn 100 %); nam châm không tách được lon nhôm.
👀 Nhìn là hiểu
Chọn kim loại cần thu và bật/tắt từng máy tách (nam châm, dòng xoáy, tỉ trọng) trên dây chuyền: sim cho biết thu được bao nhiêu kg, độ tinh khiết và năng lượng tiết kiệm. Tab Thí nghiệm là buổi thực hành thu hồi Cu từ dung dịch CuSO₄ bằng bột Fe (nhiều bước, có bẫy Fe dư); tab Đoán trước có 4 câu.
Phương trình: Luyện từ quặng: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ (điện phân nóng chảy). Tái chế: chỉ nấu chảy Al ở 660 °C, không phải khử Al³⁺.
Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.
Thu được 300 kg nhôm tinh khiết. Nấu chảy ở 660 °C (thay vì điện phân nóng chảy Al₂O₃) cần 3000 MJ, luyện từ quặng cần 60000 MJ ⇒ tiết kiệm 57000 MJ (95 %).
1 ♻️ Vì sao phải tái chế kim loại?
Cần nhớ
- ✦Quặng là tài nguyên không tái tạo. Kim loại phế liệu đã ở dạng kim loại nên chỉ cần nấu chảy lại, không phải khử ion kim loại: bỏ được khâu tốn năng lượng nhất.
- ✦Nhôm: luyện từ quặng phải điện phân nóng chảy 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ (khoảng 950 °C, rất tốn điện). Tái chế chỉ nấu chảy Al ở 660 °C ⇒ tiết kiệm khoảng 95 % năng lượng.
- ✦Ngoài năng lượng, tái chế còn giảm khai thác quặng, giảm rác thải kim loại và giảm khí thải ở khâu luyện quặng.
- ✦Số liệu năng lượng trong bài là số quy tròn để so sánh; số thật phụ thuộc nhà máy và cách tính.
Năng lượng cho 1 kg kim loại (số liệu quy tròn)
| Kim loại | Luyện từ quặng (MJ/kg) | Tái chế (MJ/kg) | Tiết kiệm |
|---|---|---|---|
| Nhôm | 200 | 10 | 95 % |
| Sắt (thép) | 20 | 8 | 60 % |
| Đồng | 60 | 9 | 85 % |
Dạng bài
Tính năng lượng tiết kiệm khi tái chế
- 1 Đổi ra kg: 1 tấn = 1000 kg. Tính khối lượng riêng từng kim loại trong hỗn hợp phế liệu (khối lượng × % khối lượng).
- 2 Với mỗi kim loại: năng lượng tiết kiệm = m · (E quặng − E tái chế) (MJ).
- 3 Cộng các kim loại lại; phần trăm tiết kiệm = (E quặng − E tái chế)/E quặng.
- 4 Kiểm tra: tiết kiệm không thể vượt năng lượng luyện từ quặng, và 1 GJ = 1000 MJ ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Lấy năng lượng tái chế của cả tấn phế liệu: 1000 · 10 = 10 000 MJ rồi coi là tiết kiệm. Chỉ 300 kg là nhôm; còn lại là Fe, Cu và tạp chất tính riêng.
Một tấn phế liệu hỗn hợp có 300 kg nhôm. Tái chế số nhôm đó thay vì luyện từ quặng thì tiết kiệm bao nhiêu năng lượng? Biết 1 kg Al luyện từ quặng cần 200 MJ, tái chế cần 10 MJ.
Hướng dẫn giải
2 🏭 Dây chuyền tái chế: thu gom, phân loại, nấu chảy, tinh luyện
Cần nhớ
- ✦Thu gom: phế liệu kim loại lẫn rác (nhựa, giấy, thuỷ tinh) được gom về nhà máy, xé nhỏ hoặc ép khối.
- ✦Phân loại: nam châm hút Fe và thép; dòng xoáy (từ trường biến thiên cảm ứng dòng điện trong kim loại dẫn điện, đẩy chúng ra xa) tách Al, Cu khỏi nhựa; Al và Cu tách tiếp bằng tỉ trọng (Al nhẹ hơn: 2,7 so với 8,96 g/cm³) hoặc cảm biến.
- ✦Nấu chảy: Al ở 660 °C, Cu ở 1085 °C, Fe ở 1538 °C (lò điện hồ quang cho thép). Lớp sơn, nhựa trên phế liệu bị cháy nên phải có hệ xử lí khí thải.
- ✦Tinh luyện: loại tạp chất. Đồng thô tinh luyện bằng điện phân; thép loại bớt C, S, P bằng thổi oxi; nhôm pha thêm Mg, Si… tạo hợp kim theo yêu cầu rồi đúc thành thỏi.
Tách từng kim loại ra khỏi phế liệu
| Kim loại | Nam châm | Dòng xoáy | Nấu chảy | Tinh luyện / đúc |
|---|---|---|---|---|
| Fe, thép | Bị hút | Gần như không bị đẩy | 1538 °C | Thổi O₂ giảm C, đúc phôi |
| Al | Không hút | Bị đẩy | 660 °C | Pha hợp kim, đúc thỏi |
| Cu | Không hút | Bị đẩy | 1085 °C | Điện phân tinh luyện |
| Nhựa, giấy | Không hút | Không bị đẩy | Không nấu | Chuyển đi xử lí khác |
Tinh luyện đồng bằng điện phân
- ✦Bình điện phân chứa dung dịch CuSO₄ + H₂SO₄. Anode (cực dương) là Cu thô: Cu → Cu²⁺ + 2e. Cathode là lá đồng mỏng tinh khiết: Cu²⁺ + 2e → Cu.
- ✦Tạp chất kém hoạt động hơn Cu (Ag, Au) không tan, rơi xuống đáy thành bùn anode; tạp chất hoạt động hơn (Zn, Fe) tan vào dung dịch nhưng không bám lên cathode ở điện thế thích hợp.
- ✦Lượng Cu tan ở anode bằng lượng Cu bám ở cathode nên nồng độ CuSO₄ gần như không đổi.
3 🧪 Thu hồi kim loại từ dung dịch và phế liệu
Cần nhớ
- ✦Thuỷ luyện: dùng kim loại hoạt động hơn đẩy kim loại yếu ra khỏi dung dịch muối. Thu hồi Cu từ dung dịch thải chứa Cu²⁺ (xanh lam) bằng bột Fe: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓.
- ✦Hiện tượng: dung dịch nhạt màu xanh dần (Cu²⁺ giảm, Fe²⁺ lục nhạt tăng); chất rắn màu đỏ (Cu) bám vào Fe hoặc lắng xuống.
- ✦Fe dư thì lẫn trong Cu. Loại Fe dư bằng HCl loãng: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑, Cu không phản ứng ⇒ lọc, rửa nước, sấy rồi cân.
- ✦Tương tự thu hồi Ag từ dung dịch AgNO₃ thải: Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓.
Dạng bài
Tính khối lượng Cu thu hồi và hiệu suất
- 1 Đổi ra mol: n(Cu²⁺) = V(L) · C_M; n(Fe) = m/56.
- 2 So tỉ lệ 1 : 1 (Fe + CuSO₄) để biết chất hết; n(Cu) lí thuyết = n(chất hết).
- 3 m(Cu) lí thuyết = 64 · n; nếu Fe dư thì m(Fe dư) = 56 · (n Fe − n Cu²⁺).
- 4 Hiệu suất H = m(Cu thu được)/m(Cu lí thuyết) · 100 %. Kiểm tra: m rắn = m Cu + m Fe dư ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Cân cả chất rắn khi chưa rửa Fe dư: 2,8 g Fe vào 0,04 mol CuSO₄ cho 2,56 g Cu + 0,56 g Fe dư = 3,12 g, hiệu suất tưởng 3,122,56 = 122 %.
Ngâm bột sắt dư vào 100 mL dung dịch CuSO₄ 0,20 M. Sau khi dung dịch nhạt hẳn màu, lọc, rửa bằng HCl loãng, sấy thu được 1,22 g Cu. Tính hiệu suất thu hồi.
Hướng dẫn giải
4 🔬 Thực hành: thu hồi đồng từ dung dịch thải
An toàn
- ✦Chỉ làm trong phòng thí nghiệm, có giáo viên hướng dẫn; đeo kính và găng tay. CuSO₄ độc với sinh vật nước, HCl loãng gây kích ứng da.
- ✦Không đổ dung dịch thải ra cống: gom vào bình chứa thải kim loại nặng của phòng thí nghiệm.
Dạng bài
Các bước thực hành
- 1 Dụng cụ: cốc 250 mL, ống đong, cân điện tử (0,01 g), bột sắt, dung dịch CuSO₄ 0,20 M (giả lập nước thải), phễu lọc, giấy lọc, dung dịch HCl loãng, đũa thuỷ tinh, đèn cồn hoặc tủ sấy.
- 2 Đong 100 mL CuSO₄ 0,20 M vào cốc, cân một khối lượng bột Fe, cho vào cốc rồi khuấy đến khi dung dịch nhạt hẳn màu.
- 3 Lọc lấy chất rắn, rửa bằng HCl loãng để hoà tan Fe dư, rửa nước, sấy khô, cân ⇒ m Cu.
- 4 Lặp lại với 5–6 khối lượng Fe khác nhau; tính H và vẽ m Cu theo m Fe. Kiểm tra: đường đi lên rồi nằm ngang ở m Fe = 1,12 g ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Ghi khối lượng khi dung dịch còn xanh (phản ứng chưa xong) thì Cu thu được thiếu; quên rửa HCl khi Fe dư thì khối lượng cao hơn lí thuyết. Tab Thí nghiệm tô vàng cả hai trường hợp.
Một bảng số liệu mẫu (rửa HCl, H ≈ 98 %)
| m Fe (g) | n Fe (mmol) | m Cu lí thuyết (g) | m Cu thu được (g) |
|---|---|---|---|
| 0,28 | 5 | 0,32 | 0,31 |
| 0,56 | 10 | 0,64 | 0,63 |
| 0,84 | 15 | 0,96 | 0,94 |
| 1,12 | 20 | 1,28 | 1,25 |
| 1,68 | 30 | 1,28 | 1,26 |
Đọc bảng số liệu
- ✦Khi Fe còn thiếu (m Fe < 1,12 g), m Cu tăng theo m Fe với tỉ lệ 6456 ≈ 1,14 g Cu cho mỗi gam Fe.
- ✦Từ m Fe = 1,12 g (20 mmol, bằng đúng n Cu²⁺) đồ thị nằm ngang: Cu²⁺ đã hết, thêm Fe chỉ là Fe dư (phải rửa bỏ).
- ✦Giá trị phẳng 1,25–1,26 g ứng với 98 % của 1,28 g ⇒ n Cu²⁺ ban đầu ≈ 0,020 mol.
5 🥫 Hoá học quanh ta
- ✦🥫 Lon nước ngọt bằng nhôm nấu lại chỉ ở 660 °C, rẻ hơn nhiều so với điện phân Al₂O₃. Lon có lớp sơn và nhựa phủ nên nhà máy phải đốt sạch sơn trước và xử lí khói.
- ✦🧲 Bãi phế liệu dùng nam châm điện cẩu để nhấc sắt thép vụn; nhôm, đồng phải phân loại bằng cách khác.
- ✦🔌 Dây điện cũ có lõi đồng: không tự đốt vỏ nhựa ngoài trời vì sinh khói độc; hãy đưa đến cơ sở thu mua có xử lí.
- ✦📱 Bo mạch điện thoại chứa Cu, Ag, Au với lượng rất nhỏ; việc thu hồi dùng hoá chất độc nên chỉ làm ở cơ sở chuyên nghiệp, không tự làm tại nhà.
6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai
⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm
- ✦Nhớ ba con số tiết kiệm năng lượng: nhôm 95 % > đồng 85 % > thép 60 %; nhôm tiết kiệm nhiều nhất vì luyện quặng bằng điện phân.
- ✦Phân loại: Fe → nam châm; Al, Cu → dòng xoáy; Al ↔ Cu → tỉ trọng.
- ✦Fe + CuSO₄ tỉ lệ 1 : 1 mol; khối lượng thanh Fe tăng 8 g cho mỗi mol Cu bám (64 − 56).
- ✦Hiệu suất thu hồi luôn ≤ 100 %; ra lớn hơn là chất rắn còn tạp (Fe dư).
⚠️ Lỗi hay sai nhất
- ✦Tưởng nam châm tách được lon nhôm: Al không bị nam châm hút; phải dùng dòng xoáy.
- ✦Bật dòng xoáy mà bỏ bước tỉ trọng: nhôm lẫn đồng, độ tinh khiết chỉ 300300 + 200 = 60 % trong ví dụ trên sim.
- ✦Quên Fe dư: 2,8 g Fe với 0,04 mol CuSO₄ thu 3,12 g chất rắn, không phải 2,56 g.
- ✦Tính năng lượng cho cả tấn phế liệu thay vì chỉ phần kim loại: 1000 · 10 = 10 000 MJ thay vì 300 · 10 = 3 000 MJ (tái chế 300 kg Al).
- ✦Nhầm anode và cathode khi tinh luyện đồng: Cu thô là anode (tan), Cu tinh khiết là cathode (bám).
- ✦Nhầm số mol Al₂O₃ với Al: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂, nên 1 mol Al₂O₃ cho 2 mol Al; luyện 1 tấn Al cần 1,89 tấn Al₂O₃, không phải 1 tấn.
⚖️ Kiểm tra bảo toàn
- ✦Bảo toàn khối lượng: m chất rắn sau phản ứng = m Cu + m Fe dư.
- ✦Bảo toàn nguyên tố Cu: n Cu thu được ≤ n Cu²⁺ ban đầu; bảo toàn nguyên tố Fe: n Fe đã tan = n Cu²⁺ đã phản ứng.
- ✦Bảo toàn electron: Fe cho 2e, Cu²⁺ nhận 2e nên n Fe phản ứng = n Cu tạo ra.
- ✦Bảo toàn nhôm: tái chế 54 kg Al cần đúng 54 kg Al phế liệu (trừ hao hụt); luyện quặng thì 54 kg Al ứng với 102 kg Al₂O₃.
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.
Vì sao tái chế
- 1Nhận biết
Điều nào không phải lợi ích của việc tái chế kim loại?
- 2Nhận biết
Trong công nghiệp, nhôm được luyện từ quặng bằng phương pháp
- 3Thông hiểu Luyện 1 kg Al từ quặng cần 200 MJ, tái chế cần 10 MJ. Tái chế tiết kiệm bao nhiêu % năng lượng? Đáp số:
- 4Thông hiểu
Tái chế 500 kg thép phế liệu (luyện từ quặng cần 20 MJ/kg, tái chế cần 8 MJ/kg) tiết kiệm được
- 5Vận dụng Điện phân nóng chảy Al₂O₃ theo 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂. Muốn luyện 1 tấn Al (hiệu suất 100 %) cần bao nhiêu tấn Al₂O₃? Làm tròn đến hàng phần trăm. Đáp số:
Dây chuyền tái chế
- 1Nhận biết
Thiết bị nào dùng để tách sắt, thép ra khỏi hỗn hợp phế liệu?
- 2Thông hiểu
Vì sao nam châm không tách được lon nhôm khỏi rác?
- 3Thông hiểu
Máy tách bằng dòng xoáy trên băng chuyền đẩy ra những vật nào?
- 4Thông hiểu
Nhiệt độ nóng chảy: Al 660 °C, Cu 1085 °C, Fe 1538 °C. Khi nấu chảy phế liệu, lò phải nóng nhất với
- 5Vận dụng
Tinh luyện đồng thô bằng điện phân dung dịch CuSO₄. Phát biểu đúng là
Thu hồi kim loại từ dung dịch
- 1Nhận biết
Muốn thu hồi Cu từ dung dịch CuSO₄ thải, dùng kim loại rẻ và hoạt động hơn Cu là
- 2Thông hiểu Cho Fe dư vào 250 mL dung dịch CuSO₄ 0,2 M. Phản ứng hoàn toàn, thu tối đa bao nhiêu gam Cu? Đáp số:
- 3Thông hiểu
Cho 2,8 g bột Fe vào dung dịch chứa 0,04 mol CuSO₄. Sau phản ứng hoàn toàn, lọc lấy chất rắn. Khối lượng chất rắn là
- 4Thông hiểu
Để loại bột Fe dư lẫn trong Cu thu được, nên rửa chất rắn bằng
- 5Vận dụng Thực hành: Fe dư, 100 mL CuSO₄ 0,20 M, thu được 1,22 g Cu khô. Hiệu suất thu hồi là bao nhiêu % (làm tròn đến hàng đơn vị)? Đáp số:
Thí nghiệm và số liệu
- 1Thông hiểu
Cho các lượng bột Fe khác nhau vào 100 mL CuSO₄ 0,20 M, khuấy đến nhạt màu, rửa HCl loãng, sấy, cân Cu: Nhận xét nào đúng?
- 2Thông hiểu Theo bảng ở câu trên, giá trị bão hoà m Cu ≈ 1,26 g. Số mol Cu²⁺ ban đầu trong 100 mL dung dịch khoảng bao nhiêu mol (làm tròn đến hàng phần trăm)? Đáp số:
- 3Vận dụng
Một nhóm cho 1,68 g Fe vào 100 mL CuSO₄ 0,20 M, khuấy đến nhạt màu, lọc, sấy (không rửa HCl), cân được 1,84 g chất rắn. Phát biểu đúng là
Lợi ích năng lượng
- 1Thông hiểu
Cho bảng năng lượng cho 1 kg kim loại: Kim loại nào có tỉ lệ năng lượng tái chếnăng lượng luyện từ quặng nhỏ nhất?
- 2Thông hiểu Theo bảng ở câu trên, tái chế đồng tiết kiệm bao nhiêu % năng lượng so với luyện từ quặng? Đáp số:
- 3Vận dụng
Hai tấn phế liệu hỗn hợp có 30 % Al, 30 % Fe, 20 % Cu (còn lại là tạp chất). Tái chế hết các kim loại thay vì luyện từ quặng (số liệu bảng trên) tiết kiệm được
🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp
Đề Hoá học có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.
Kiểm tra · Trắc nghiệm
- 1Thông hiểu
Hỗn hợp phế liệu gồm lon nhôm, đinh sắt, dây đồng và vỏ chai nhựa đi qua nam châm rồi máy dòng xoáy. Vật bị máy dòng xoáy đẩy ra là
- 2Thông hiểu
Điện phân nóng chảy Al₂O₃ theo 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ thu được 54 kg Al. Khối lượng O₂ sinh ra là
- 3Vận dụng
Ngâm đinh sắt dư trong 200 mL CuSO₄ 0,5 M đến khi phản ứng xong. Khối lượng đinh sắt tăng thêm
Kiểm tra · Đúng / sai
- 1Thông hiểu
Thực hành thu hồi đồng: Bước 1: cho 1,12 g bột Fe vào 100 mL CuSO₄ 0,20 M, khuấy đến khi dung dịch nhạt hẳn màu. Bước 2: lọc lấy chất rắn đỏ, rửa HCl loãng rồi rửa nước. Bước 3: sấy, cân được 1,25 g.
a)Phản ứng xảy ra là Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu, trong đó Fe là chất khử.
b)Dung dịch sau phản ứng có màu xanh lam đậm hơn trước vì có thêm Fe²⁺.
c)Hiệu suất thu hồi đồng khoảng 98 %.
d)Nếu dùng 2,24 g Fe và không rửa HCl thì chất rắn cân được vẫn xấp xỉ 1,25 g.
- 2Vận dụng
Một nhà máy tái chế 10 tấn lon nhôm đã bóc sạch sơn. Cho: luyện 1 kg Al từ quặng cần 200 MJ, tái chế cần 10 MJ; Al = 27, Al₂O₃ = 102.
a)Tái chế tiết kiệm khoảng 95 % năng lượng so với luyện từ quặng.
b)Năng lượng tiết kiệm được là 1,9·10⁶ MJ.
c)Luyện 10 tấn Al từ quặng cần đúng 10 tấn Al₂O₃.
d)Tái chế 10 tấn nhôm cần 2·10⁶ MJ.
Kiểm tra · Trả lời ngắn
- 1Thông hiểu Trong các vật: lon nhôm, đinh sắt, dây đồng, vỏ chai nhựa, hộp thép tráng thiếc, thanh inox 304 (không hút nam châm). Có bao nhiêu vật bị nam châm hút? Đáp số:
- 2Vận dụng Ngâm Fe dư vào 400 mL dung dịch CuSO₄ 0,25 M, phản ứng hoàn toàn. Thu tối đa bao nhiêu gam Cu? Đáp số:
- 3Vận dụng Tái chế 4 tấn đồng (luyện từ quặng 60 MJ/kg, tái chế 9 MJ/kg) tiết kiệm bao nhiêu GJ? Đáp số:
🎯 Chuyên đề này dùng để kiểm tra thế nào?
- •Chuyên đề không có trong đề thi tốt nghiệp; nội dung dùng cho kiểm tra trên lớp và đánh giá chuyên đề.
- •Hay hỏi vì sao tái chế nhôm tiết kiệm năng lượng (không phải điện phân Al₂O₃, chỉ nấu chảy ở 660 °C) và so sánh Al, Cu, thép.
- •Thường có câu về dây chuyền phân loại: nam châm hút Fe; Al, Cu không bị hút, tách bằng dòng xoáy và tỉ trọng.
- •Có thể có bài tính thu hồi Cu bằng Fe: chất hết, Fe dư, khối lượng chất rắn, hiệu suất; bẫy là quên Fe dư hoặc quên đổi mL sang L.
Công nghiệp silicate