08:30:3902/11/2021
Trong tự nhiên chỉ có một số ít kim loại như vàng, palatin,... tồn tại ở dạng tự do, hầu hết các kim loại còn lại đều tồn tại ở dạng hợp chất. Trong kim loại kim loại tồn tại dưới dạng ion dương Mn+.
Vậy làm sao để điều chế kim loại, bài viết này sẽ giúp các em biết nguyên tắc điều chế kim loại? cách điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện, thủy luyện và điện phân [điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch].
I. Nguyên tắc điều chế kim loại
• Nguyên tắc để điều chế kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử:
Mn+ + ne → M
II. Phương pháp điều chế kim loại
Tùy thuộc vào độ hoạt động hóa học của kim loại mà người ta chọn phương pháp điều chế phù hợp. Dưới đây là các phương pháp điều chế kim loại thường được sử dụng.
1. Điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện
- Được sử dụng để điều chế các kim loại có mức hoạt động trung bình [Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb]
- Phương pháp này sẽ khử ion kim loại trong hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO, H2, Al hoặc các kim loại hoạt động.
* Ví dụ: Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
- Phương pháp này được dùng để sản xuất kim loại trong công nghiệp. Chất khử hay được sử dụng là cacbon.
2. Điều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện
- Được sử dụng để điều chế các kim loại có mức hoạt động trung bình và yếu [như: Cu, Hg, Ag, Pt, Au]
- Cơ sở của phương pháp này là dùng những dung dịch thích hợp như dung dịch H2SO4, NaOH, NaCN,... để hòa tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có trong quặng. Sau đó khử những ion kim loại này trong dung dịch bằng kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn,...
* Ví dụ: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
3. Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân
a] Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân nóng chảy
- Được sử dụng để điều chế các kim loại có mức độ hoạt động mạnh [K, Ba, Ca, Na, Mg, Al]
- Là phương pháp dùng dòng điện một chiều khử ion kim loại trong chất điện li nóng chảy [muối halogenua, oxit, hidroxit]
* Ví dụ: Điện phân MgCl2 nóng chảy để điều chế Mg
Ở catot [cực âm]: Mg2+ + 2e → Mg
Ở anot [cực dương]: 2Cl- → Cl2↑ + 2e
MgCl2 Mg + Cl2↑
b] Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân dung dịch
- Được sử dụng để điều chế các kim loại hoạt động trung bình hoặc yếu
- Là phương pháp dùng dòng điện một chiều để khử ion kim loại yếu trong dung dịch muối của nó.
* Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2 để điều chế Cu
Ở catot [cực âm]: Cu2+ + 2e → Cu
Ở anot [cực dương]: 2Cl- → Cl2 + 2e
CuCl2 Cu + Cl2
c] Công thức tính lượng chất thu được ở các điện cực
- Dựa vào công thức biểu diễn định luật Farađây, có thể xác định được khối lượng các chất thu được ở điện cực:
, trong đó
m: Khối lượng chất thu được ở điện cực [gam].
A: Khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực.
n: Số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận.
I: Cường độ dòng điện [ampe].
t: Thời gian điện phân [giây].
F:Hằng số Farađây [F = 96500].
Trên đây KhoiA.Vn đã giới thiệu với các em về cách điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện, thủy luyện và điện phân. Hy vọng bài viết giúp các em hiểu rõ hơn. Nếu có câu hỏi hay góp ý các em hãy để lại bình luận dưới bài viết, chúc các em thành công.
Thế nào là nhiệt luyện? Các kim loại có thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện là gì? Tại sao lại cần phải nhiệt luyện kim loại? Phương pháp nhiệt luyện có vai trò như thế nào trong lĩnh vực gia công cơ khí? Trong nội dung bài viết này, Cơ khí Alpha Tech sẽ cùng bạn đi tìm câu trả lời cho những vấn đề trên.
Khái niệm nhiệt luyện là gì?
Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại hoặc một hợp kim nào đó đến mức nhiệt độ xác định. Sau đó giữ nhiệt độ đó trong một thời gian cần thiết và làm nguội với tốc độ đã được tính toán để nhận được sản phẩm mới có tính chất cơ lý theo yêu cầu.
Khác với đúc, hàn, nhiệt luyện không làm nóng chảy vật liệu. Nó cũng không làm biến dạng kim loại như phương pháp cắt gọt hay phương pháp biến dạng dẻo [rèn và dập]. Kết quả của quá trình nhiệt luyện chính là làm thay đổi tổ chức tế vi, cơ tính của sản phẩm kim loại. Đôi khi quá trình này còn tác động làm thay đổi thành phần hóa học cùng đặc tính của vật liệu.
> Xem thêm: 15+ vật dụng phổ biến làm bằng Inox.
Vai trò của nhiệt luyện trong gia công cơ khí
Nhiệt luyện là một khâu gia công quan trọng không thể thiếu trong ngành cơ khí và luyện kim hiện đại. Vì ngoài các yêu cầu về thành phần hóa học ra, người ta chỉ có thể thông qua nhiệt luyện người ta mới có thể phát huy hết tất cả các khả năng tiềm tàng của kim loại và hợp kim. Như làm tăng độ cứng, độ bền, tính đàn hồi cũng như khả năng chống mài mòn của kim loại.
Một máy móc, công cụ tốt, không thể không dùng đến nhiều vật liệu tốt. Do đó để đạt được các yêu cầu về kỹ thuật trong cơ khí, có đến 80% các chi tiết máy phải gia công nhiệt luyện. 100% các dụng cụ cơ khí như dao cắt gọt, dụng cụ đo lường, trục khuỷu, bánh răng, ổ bi, khuôn mẫu… đều phải thông qua nhiệt luyện.Nhiệt luyện giúp sản xuất ra các cơ cấu và chi tiết, dụng cụ máy bền hơn, nhẹ hơn, khỏe hơn với các tính năng tốt hơn. Từ đó đảm bảo khả năng làm việc lâu dài bền vững cho máy móc và dụng cụ.
> Xem thêm: Đặc điểm của kim loại Crom là gì? Nó được ứng dụng như thế nào?
Các phương pháp nhiệt luyện trong gia công cơ khí
- Phương pháp ủ: là quá trình đảo ngược của quá trình làm cứng nguyên liệu bằng cách nung nóng nguyên liệu đến nhiệt độ nhất định và duy trì trong khoảng thời gian vừa đủ. Rồi làm nguội chậm cùng lò với tốc độ nhỏ hơn 200 độ/1h. Để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo giúp nguyên liệu dễ gia công hơn.
- Phương pháp thường hóa: là phương pháp nung nóng kim loại đến trạng thái Austronite hoàn toàn. Sau đó giữ nhiệt và làm nguội ngoài không khí tĩnh. Để thu được tổ chức gần ổn định, có độ cứng tương đối thấp. Mục đích làm giảm độ cứng của kim loại để phù hợp với quá trình gia công cắt gọt. Hoặc làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành dập, kéo thép ở trạng thái nguội .
- Phương pháp tôi: Là quá trình nung nóng nguyên liệu đến nhiệt độ tới hạn [Ac1] để cấu trúc bên trong nguyên liệu biến thành tổ chức Ausenite [một tổ chức phi từ tính]. Sau đó làm nguội nhanh để biến đổi nó thành tổ chức Martebsite hay các tổ chức không ổn định khác. Nhằm mục đích làm tăng độ bền và tăng khả năng chịu tải của chi tiết.
- Phương pháp ram: Là phương pháp nhiệt luyện bằng cách nung nóng nguyên liệu đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn [Ac1]. Sau đó giữ nhiệt trong một khoảng thời gian vừa đủ. Để Mactenxit và Austenit dư phân hoá thành các tổ chức có cơ tính phù hợp rồi làm nguội. Nhiệt độ Ram càng cao thì độ cứng càng giảm và độ dẻo càng tăng.
Các giai đoạn của quá trình nhiệt luyện kim loại
Bất kỳ hình thức nhiệt luyện nào cũng gồm 3 giai đoạn:
- Nung nóng.
- Giữ nhiệt.
- Và làm nguội.
Giai đoạn nung nóng được đặc trưng bằng tốc độ nung và nhiệt độ nung. Giai đoạn giữ nhiệt được đặc trưng bằng thời gian giữ nhiệt. Giai đoạn làm nguội thì được đặc trưng bởi tốc độ làm nguội. Tuỳ thuộc vào hàm lượng thành phần, kích thước và hình dáng của chi tiết mà từ đó người ta sẽ quyết định tốc độ nung cũng như nhiệt độ nung và tốc độ nguội một cách hợp lý.
> Xem thêm: Tìm hiểu về đặc điểm của kim loại Niken và ứng dụng của nó trong thực tế.
Những kim loại có thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện
Kim loại nào có thể điều chế được bằng nhiệt luyện?
Nhiệt luyện thường chỉ được áp dụng với những kim loại có tính khử yếu hoặc trung bình. Còn đối với những kim loại có tính khử cao, nó sẽ được điều chế bằng các phương pháp khác. Như tuy luyện, điện phân nóng chảy, khử ứng suất, làm lạnh sâu hoặc nhuộm đen để đảm bảo hiệu quả cao nhất sau khi điều chế.
Những kim loại phổ biến điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện
- Thép: Thép là kim loại đầu tiên nằm trong danh sách này. Đây là kim loại được sử dụng nhiều nhất trong gia công cơ khí nhằm chế tạo các chi tiết máy, dụng cụ cắt gọt, công cụ đo đạc… Nhiệt luyện giúp cho các chi tiết bằng thép sau khi gia công có những tính chất cần thiết đảm bảo khả năng làm việc lâu dài, ổn định.
- Sắt: là một trong những kim loại phổ biến và có tính ứng dụng cao nhất được điều chế bằng nhiệt luyện. Sắt nhiệt luyện có tính ứng dụng cao trong thực tế. Được sử dụng trong nhiều ngành nghề đa dạng như: xây dựng, sản xuất, chế tạo máy…
- Hợp kim nhôm: Nhiệt luyện [tôi + hóa già] giúp nhôm hợp kim có những tính chất không khác gì thép cabon nhưng lại ưu việt hơn. Phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong sản xuất công nghiệp.
- Inox: Mục đích chủ yếu là để inox cứng hơn. Giúp tăng độ bền và khả năng chịu tải của inox.
Ngoài ra, danh sách này còn có rất nhiều sản phẩm khác. Nổi bật có thể kể tới Pb, Sn… Tùy từng trường hợp, chúng sẽ được xử lý với những yếu tố cũng như điều kiện nhiệt luyện hoàn toàn riêng biệt.
> Xem thêm: 15+ vật dụng độc đáo gia công bằng laser mà bạn nên biết.
Nguyên tắc khi điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện
- Nguyên tắc đầu tiên đối với phương pháp này là nó sử dụng những chất khử Oxit. Như C, Co, Hidro, Al để khử oxit kim loại trong điều kiện nhiệt độ cao. Khi đó, kim loại có thể đạt được những thay đổi đúng như mong muốn của người dùng.
- Trong trường hợp cần sử dụng phản ứng giữa kim loại kiềm và kiềm thổ được sử dụng như một chất khử sẽ phức tạp hơn. Quá trình này cần được thực hiện trong môi trường chân không để mang lại hiệu quả như mong muốn.
- Khi nhiệt luyện nguyên liệu là quặng sunfua kim loại, cần phải thực hiện chuyển đổi quặng thành các dạng oxit kim loại trước khi thực hiện quá trình nhiệt luyện.
Tìm hiểu thông tin về một số phương pháp gia công kim loại:
- Dịch vụ soi rãnh V kim loại uy tín tại Hà Nội.
- Những thông tin cần biết về dịch vụ phay kim loại.
Lời kết
Trên đây là những nội dung tìm hiểu về nhiệt luyện và các kim loại có thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện. Đây đều là những kiến thức còn khá mới mẻ đối với nhiều người. Đặc biệt là những người không làm trong lĩnh vực này. Hy vọng bài viết này đã mang lại những thông tin hữu ích, giúp bạn hiểu hơn về một khía cạnh nữa trong gia công cơ khí. Nếu có thắc mắc khác, hãy liên hệ với Alpha Tech để được hỗ trợ giải đáp ngay nhé.
CÔNG TY TNHH CƠ KHÍ CHÍNH XÁC ALPHA TECH VIỆT NAM