1. Crom (Cr)
1.1 Tính chất vật lý
- Nguyên tố: Cr
- Số nguyên tử: 24
- Khối lượng nguyên tử: 51,996 u
- Màu sắc & trạng thái: Rắn, ánh kim trắng bạc hơi xanh
- Độ cứng: Rất cứng (theo thang Mohs ~8,5)
- Điểm nóng chảy: 1 907 °C
- Điểm sôi: 2 671 °C
- Khối lượng riêng: ≈ 7,15 g/cm³
1.2 Tính chất hóa học
- Các hóa trị thông dụng: +2, +3, +6 (trong hợp chất phổ biến nhất là Cr₂O₃ và CrO₃)
- Tính oxi hóa—khử:
- Cr kim loại dễ bị thụ động hóa bởi lớp Cr₂O₃ bảo vệ, chống ăn mòn.
- Hòa tan trong acid oxi hóa mạnh (HNO₃, H₂SO₄ đặc), không tan (hoặc chậm tan) trong acid khử như HCl, H₂SO₄ loãng.
- Các phản ứng điển hình:
- Với oxy (ở nhiệt độ cao) tạo Cr₂O₃:
4Cr+3O2→2Cr2O34 Cr + 3 O₂ → 2 Cr₂O₃4Cr+3O2→2Cr2O3 - Với bazơ nóng chảy tạo cromat hoặc dicromat:
2Cr+4NaOH+3O2→2Na2CrO4+2H2O2 Cr + 4 NaOH + 3 O₂ → 2 Na₂CrO₄ + 2 H₂O2Cr+4NaOH+3O2→2Na2CrO4+2H2O
- Với oxy (ở nhiệt độ cao) tạo Cr₂O₃:
1.3 Ứng dụng chính
- Thép không gỉ (Stainless steel): thêm 10–30% Cr giúp tăng khả năng chống ăn mòn, độ bền.
- Mạ crom (chrome plating): chống rỉ, tăng thẩm mỹ bề mặt.
- Các hợp chất màu sắc: cromat (CrO₄²⁻) cho sắc vàng – pigment “chrome yellow”; dicromat (Cr₂O₇²⁻) sắc đỏ.
- Hóa chất công nghiệp: chất oxi hóa (CrO₃), muối Cr³⁺ dùng trong nhuộm, thuộc da.
- Chất xúc tác: phản ứng tổng hợp hữu cơ, cracking dầu mỏ.
1.4 Điều chế
- Quặng chính: Spínel cromit – FeCr₂O₄.
- Quy trình tổng quát:
- Nung quặng với Na₂CO₃ và O₂ tạo Na₂CrO₄ (chromat natri):
4FeCr2O4+8Na2CO3+7O2→8Na2CrO4+2Fe2O3+8CO24 FeCr₂O₄ + 8 Na₂CO₃ + 7 O₂ → 8 Na₂CrO₄ + 2 Fe₂O₃ + 8 CO₂4FeCr2O4+8Na2CO3+7O2→8Na2CrO4+2Fe2O3+8CO2 - Axit hóa Na₂CrO₄ thu CrO₃ hoặc Cr₂O₃.
- Khử aluminothermic: dùng bột Al khử Cr₂O₃ ở ~1 300 °C:
Cr2O3+2Al→2Cr+Al2O3Cr₂O₃ + 2 Al → 2 Cr + Al₂O₃Cr2O3+2Al→2Cr+Al2O3 - Điện phân nóng chảy: Cr₂O₃ hòa tan trong fluorit nóng chảy, điện phân thu Cr.
- Nung quặng với Na₂CO₃ và O₂ tạo Na₂CrO₄ (chromat natri):
2. Sắt (Fe)
2.1 Tính chất vật lý
- Nguyên tố: Fe
- Số nguyên tử: 26
- Khối lượng nguyên tử: 55,845 u
- Màu sắc & trạng thái: Rắn, ánh kim trắng xám
- Từ tính: Ferromagnetic (dưới 768 °C)
- Điểm nóng chảy: 1 538 °C
- Điểm sôi: 2 862 °C
- Khối lượng riêng: ≈ 7,87 g/cm³
2.2 Tính chất hóa học
- Hóa trị: +2 (FeO), +3 (Fe₂O₃) là phổ biến.
- Tác dụng với không khí ẩm: bị ăn mòn (rỉ sét) thành hỗn hợp FeO·Fe₂O₃·nH₂O.
- Phản ứng với acid loãng:
Fe+2HCl→FeCl2+H2↑Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂↑Fe+2HCl→FeCl2+H2↑ - Phản ứng với acid oxi hóa mạnh (HNO₃ đặc, H₂SO₄ đặc nóng): tạo muối Fe³⁺ và các khí NO₂, SO₂.
2.3 Ứng dụng chính
- Thép và gang: vật liệu xây dựng, khung nhà, cầu đường, kết cấu công nghiệp.
- Chi tiết máy, phụ tùng ô tô: do tính cơ lý tốt, dễ tiện gọt, hàn.
- Tàu thuỷ, container: độ bền cao, chịu va đập.
- Hóa chất: FeCl₃, FeSO₄ dùng xử lý nước, thuộc da.
2.4 Điều chế
- Quặng chính: Hematit (Fe₂O₃), magnetit (Fe₃O₄).
- Lò cao (Blast furnace):
- Nung quặng với than cốc (C) và đá vôi (CaCO₃) ở ~1 600 °C.
- C + O₂ → CO₂; CO₂ + C → 2 CO; CO khử Fe₂O₃ → Fe lỏng.
- CaCO₃ → CaO + CO₂; CaO kết tủa SiO₂ thành xỉ (CaSiO₃).
- Phương pháp gián tiếp: direct reduction (D.R.I.) dùng khí H₂/CO ở 800–1 000 °C.
3. Đồng (Cu)
3.1 Tính chất vật lý
- Nguyên tố: Cu
- Số nguyên tử: 29
- Khối lượng nguyên tử: 63,546 u
- Màu sắc & trạng thái: Rắn, ánh kim đỏ đặc trưng
- Dẫn điện & dẫn nhiệt: rất tốt (chỉ sau Ag)
- Điểm nóng chảy: 1 084,6 °C
- Điểm sôi: 2 562 °C
- Khối lượng riêng: ≈ 8,96 g/cm³
3.2 Tính chất hóa học
- Hóa trị: +1 (Cu₂O), +2 (CuO, CuSO₄).
- Tác dụng với không khí: bền ở nhiệt độ phòng, trên bề mặt tạo lớp patina (CuCO₃·Cu(OH)₂).
- Tác dụng với acid:
- Không tan trong acid loãng không oxi hóa.
- Tan trong HNO₃ loãng/đặc, H₂SO₄ nóng tạo muối Cu²⁺ và khí NO, NO₂, SO₂.
3.3 Ứng dụng chính
- Dây dẫn điện: cáp, mạch in, cuộn dây điện.
- Ống dẫn nước, lò sưởi: khả năng kháng ăn mòn trong nước.
- Hợp kim:
- Brass (đồng thau – Cu + Zn): phụ kiện, trang trí.
- Bronze (đồng thiếc – Cu + Sn): tượng, bi lăn.
- Chất xúc tác, thuốc trừ nấm: CuO, CuCl₂.
- Kháng khuẩn: bề mặt y tế, nắm tay cửa.
3.4 Điều chế
- Quặng chính: chalcopyrite (CuFeS₂), bornite, covelline…
- Quy trình sulfide:
- Nghiền, tuyển nổi (flotation) tách quặng đồng.
- Nung (roasting) chuyển sulfide → oxide + SO₂.
- Đúc lỏng (smelting) tạo matte (Cu₂S + FeS).
- Chuyển hóa (converting) loại FeS, tách S → matte thành blister copper (~98–99 % Cu).
- Luyện tinh điện phân: cực dương làm bằng đồng thô, dung dịch CuSO₄ + H₂SO₄, điện phân thu đồng tinh khiết >99,99 %.
- Quy trình oxide/hydrometallurgy:
- Ngâm lixivi (acid sulfuric) hòa tan Cu²⁺.
- Chiết dung môi (SX) tách Cu²⁺.
- Điện phân (EW) tạo đồng điện phân.
Tóm lại, ba kim loại Cr, Fe và Cu đều đóng vai trò then chốt trong công nghiệp hiện đại: từ kết cấu thép bền chắc, dây dẫn điện hiệu suất cao, đến bề mặt mạ chống ăn mòn và các hợp chất ứng dụng rộng rãi. Các quy trình điều chế, dù đã được tối ưu hóa hàng trăm năm, vẫn ngày càng được tinh chỉnh để nâng cao hiệu suất, giảm phát thải và tiết kiệm năng lượng.
