TÍNH CHẤT HÓA HỌC, ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG CỦA KẼM (Zn)

1. Lịch sử về nguyên tố Zn

-  Các mẫu vật riêng biệt sử dụng kẽm không nguyên chất trong thời kỳ cổ đại đã được phát hiện.

-  Các loại quặng kẽm đã được sử dụng để làm hợp kim đồng-kẽm là đồng thau vài thế kỷ trước khi phát hiện ra kẽm ở dạng nguyên tố riêng biệt. Đồng thau Palestin có từ thế kỷ 14 TCN đến thế kỷ 10 TCN chứa 23% kẽm.

2. Tính chất vật lí

-  Kẽm là kim loại có màu lam nhạt, giòn ở nhiệt độ phòng, dẻo ở nhiệt độ 100 – 150⁰C, giòn trở lại ở nhiệt dộ trên 200⁰C. Kẽm có khối lượng riêng bằng 7,13 g/cm³, nóng chảy ở 419,5⁰C và sôi ở 906⁰C.

3. Tính chất hóa học

-  Kẽm là kim loại hoạt động có tính khử mạnh, thế điện cực của kẽm E⁰_zn²⁺/zn = - 0,76V.

a. Tác dụng với phi kim

 - Zn tác dụng trực tiếp với nhiều phi kim.

    Ví dụ: 2Zn  +  O₂ → 2ZnO

                Zn     +   Cl₂   →  ZnCl₂

 -  Ở điều kiện thường, Zn bị oxi hóa trong không khí hình thành lớp oxit bền bảo vệ ngăn không cho phản ứng tiếp tục xảy ra.

b. Tác dụng với axit

 - Với các dung dịch axit HCl, H₂SO₄loãng:

      Ví dụ:  Zn +  2HCl  → ZnCl₂  +  H₂

       Pt ion:  Zn  +  2H⁺  →  Zn²⁺  +   H₂

       (Zn khử ion H⁺ trong dung dịch axit thành hidro tự do).

 - Với dung dịch HNO₃, H₂SO₄ đặc:

Với các axit HNO₃ đặc nóng, HNO₃ loãng, H₂SO₄ đặc: Zn khử được N⁺⁵ và S⁺⁶ xuống những mức oxi hoá thấp hơn. 

      Zn  +  4HNO₃ đ  →  Zn(NO₃)₂  + 2NO₂ + 2H₂O

c. Tác dụng với H₂O

  - Do E^o_Zn²⁺/Zn    < E^o _H2O/H2     (Zn khử được nước).

  - Phản ứng này hầu như không xảy ra vì trên bề mặt của kẽm có màng oxit bảo vệ.

 d. Tác dụng với bazơ

 - Kẽm tác dụng với dung dịch bazơ mạnh: NaOH, KOH, Ca(OH)₂....

Ví dụ: Cho Zn vào dung dịch NaOH

   Zn + 2NaOH + 2H₂O  →     Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

4. Trạng thái tự nhiên

 -  Nguyên tố này thường tồn tại ở dạng hợp chất đi cùng với các nguyên tố kim loại thông thường khác như đồng và chì trong quặng. Sphalerit là một dạng kẽm sulfua, và là loại quặng chứa nhiều kẽm nhất với hàm lượng kẽm lên đến 60–62%.

 - Các loại khác khác có thể thu hồi được kẽm như smithsonit (kẽm cacbonat), hemimorphit (kẽm silicat), wurtzit (loại kẽm sulfua khác), và đôi khi là hydrozincit (kẽm cacbonat).

5. Điều chế

 - Kẽm kim loại được sản xuất bằng luyện kim khai khoáng. Sau khi nghiền quặng, phương pháp tuyển nổi bọt được sử dụng để tách các khoáng dựa vào tính dính ướt khác nhau của chúng. Ở bước cuối cùng này thì kẽm chiếm 50%, phần còn lại là lưu huỳnh (32%), sắt (13%), và SiO₂ (5%).

 -  Công đoạn thiêu kết sẽ chuyển kẽm sulfua thành kẽm ôxít

2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂

 -  Sau đó, người ta có thể dùng 2 phương pháp cơ bản trong luyện kim là nhiệt luyện (pyrometallurgy) hoặc điện phân (electrowinning). Quá trình nhiệt luyện khử kẽm ôxít với cacbon hoặc cacbon mônôxít ở 950 °C (1.740 °F) thành kim loại kẽm ở dạng hơi. Hơi kẽm được thu hồi trong bình ngưng. Quá trình được biểu diễn theo các phương trình dưới đây:

2 ZnO + C → 2 Zn + CO₂

2 ZnO + 2 CO → 2 Zn + 2 CO₂

 -  Quá trình điện phân, tách kẽm từ quặng tinh bằng axít sulfuric.

ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

Sau đó, người ta dùng phương pháp điện phân để sản xuất kẽm kim loại

2 ZnSO₄ + 2 H₂O → 2 Zn + 2 H₂SO₄ + O₂

6. Ứng dụng

Kẽm là kim loại được sử dụng phổ biến hàng thứ tư sau sắt, nhôm, đồng tính theo lượng sản xuất hàng năm:

 - Kẽm được sử dụng để mạ kim loại, chẳng hạn như thép để chống ăn rỉ.

 - Kẽm được sử dụng trong các hợp kim như đồng thau, niken trắng, các loại que hàn, bạc Đức v.v. Đồng thau có ứng dụng rộng rãi nhờ độ cứng và sức kháng rỉ cao.

 - Kẽm được sử dụng trong đúc khuôn, đặc biệt là trong công nghiệp ô tô.

 - Kẽm dạng cuộn được sử dụng để làm vỏ pin.

Trung tâm luyện thi, gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng