Nguyên tắc điều chế kim loại và phương pháp nhiệt luyện, thuỷ luyện

Hai chương trước đã cho em thấy hai chiều ngược nhau của cùng một quá trình oxi hoá – khử: ăn mòn là kim loại bị oxi hoá từ M thành $M^{n+}$, còn dãy hoạt động hoá học sắp xếp các kim loại theo mức độ dễ bị oxi hoá đó. Điều chế kim loại đi theo chiều ngược lại hoàn toàn — khử ion kim loại $M^{n+}$ trong quặng trở về kim loại tự do M.

Nguyên tắc chung của mọi phương pháp điều chế kim loại chỉ có một câu: khử ion kim loại trong hợp chất (quặng, dung dịch muối...) thành kim loại tự do, $M^{n+} + ne \to M$. Điểm khác biệt giữa các phương pháp nằm ở việc dùng "cái gì" để cung cấp electron cho quá trình khử đó — và lựa chọn này phụ thuộc trực tiếp vào mức độ hoạt động hoá học của kim loại cần điều chế, theo đúng dãy hoạt động đã học.

Phương pháp nhiệt luyện phù hợp với các kim loại có độ hoạt động trung bình, đứng khoảng giữa dãy hoạt động (từ Zn đến Cu): dùng một chất khử hoá học (CO, $H_2$, C, hoặc chính Al) khử oxide kim loại ở nhiệt độ cao. Đây là phương pháp cốt lõi của công nghiệp luyện gang thép: $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$ diễn ra trong lò cao. Với những kim loại kém hoạt động hơn, $H_2$ cũng đủ sức khử: $PbO + H_2 \xrightarrow{t^\circ} Pb + H_2O$. Một biến thể đặc biệt của nhiệt luyện là phản ứng nhiệt nhôm, dùng chính Al làm chất khử cho những trường hợp cần nhiệt độ cực cao tại chỗ: $2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 2Fe$, ứng dụng thực tế trong hàn đường ray xe lửa.

Phương pháp thuỷ luyện phù hợp với kim loại kém hoạt động hơn, đặc biệt để thu hồi kim loại quý hoặc kim loại từ quặng nghèo, phế liệu. Cách làm: hoà tan hợp chất chứa ion kim loại cần điều chế vào dung dịch (thường bằng acid), sau đó dùng một kim loại có tính khử mạnh hơn kim loại cần điều chế — nhưng không được quá mạnh đến mức phản ứng với nước — để đẩy kim loại đó ra khỏi dung dịch muối. Ví dụ thực tế: dùng sắt vụn để thu hồi đồng từ nước thải mỏ chứa $CuSO_4$: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$, một phương pháp đơn giản, chi phí thấp từng được áp dụng ở một số mỏ đồng.

Điểm chung của cả nhiệt luyện lẫn thuỷ luyện là chúng đều dựa vào một chất khử có sẵn — chất khử hoá học (CO, $H_2$, C, Al) trong nhiệt luyện, hoặc một kim loại khác trong thuỷ luyện — chứ không dùng dòng điện. Điều đó giải thích vì sao cả hai phương pháp chỉ áp dụng được cho những kim loại có tính khử vừa phải: ion của chúng đủ "dễ khử" để một chất khử thông thường có thể đảm nhiệm được, không cần đến nguồn năng lượng mạnh hơn như dòng điện.