Điều chế kim loại — nhiệt luyện, thuỷ luyện, điện phân

Same-grade bridge: bài trước đã ôn ăn mòn kim loại — quá trình kim loại bị oxi hoá tự phát trở về dạng hợp chất bền hơn trong tự nhiên. Điều chế kim loại là quá trình **ngược lại**: khử ion kim loại $M^{n+}$ trong quặng (hợp chất) trở về dạng đơn chất M, đòi hỏi cung cấp năng lượng hoặc chất khử phù hợp.

Nguyên tắc chung của điều chế kim loại là **khử ion kim loại $M^{n+}$ thành kim loại tự do M**. Ba phương pháp được chọn theo đúng mức độ hoạt động hoá học của kim loại cần điều chế. **Thuỷ luyện** dùng một kim loại hoạt động mạnh hơn để đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của nó: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$. Phương pháp này áp dụng cho kim loại có tính khử trung bình đến yếu, thường dùng trong phòng thí nghiệm hoặc thu hồi kim loại quý từ dung dịch thải công nghiệp. **Nhiệt luyện** dùng chất khử hoá học mạnh (CO, $H_2$, C, hoặc chính kim loại Al trong phản ứng nhiệt nhôm) khử oxide kim loại ở nhiệt độ cao: $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$. Phương pháp này áp dụng cho kim loại có tính khử trung bình (đứng sau Al, quanh khu vực trước/sau H trong dãy hoạt động) — quan trọng nhất trong công nghiệp luyện kim loại như Fe. **Điện phân nóng chảy** là phương pháp duy nhất áp dụng được cho kim loại hoạt động **rất mạnh** (K, Na, Ca, Mg, Al) — các oxide/hợp chất của chúng quá bền, không có chất khử hoá học thông thường nào đủ mạnh để khử được, buộc phải dùng dòng điện: $2Al_2O_3 \xrightarrow{đpnc} 4Al + 3O_2$. Đây chính là lí do CO khử được $Fe_2O_3$ (kim loại trung bình) nhưng bất lực trước $Al_2O_3$ (kim loại rất mạnh, liên kết Al-O quá bền).

Về nguyên liệu và quy mô, mỗi phương pháp phù hợp với một bối cảnh sản xuất khác nhau. Thuỷ luyện thường dùng ở quy mô nhỏ hoặc để thu hồi kim loại quý (Ag, Au) từ dung dịch thải, chi phí thấp nhưng chậm. Nhiệt luyện là phương pháp công nghiệp chủ lực để luyện Fe với sản lượng khổng lồ — riêng lò cao luyện gang có thể vận hành liên tục nhiều năm không ngừng. Điện phân nóng chảy tiêu tốn năng lượng điện rất lớn (đây là lí do các nhà máy luyện nhôm thường đặt gần nguồn thuỷ điện giá rẻ, như nhà máy alumin — nhôm tại Tân Rai, Lâm Đồng), nhưng là con đường duy nhất khả thi cho kim loại hoạt động mạnh.