Đất hiếm (Rare Earth Elements – REE) được xem là “vàng của thế kỷ XXI” nhờ vai trò đặc biệt quan trọng trong công nghệ cao, sản xuất xe điện, tua-bin gió và công nghiệp quốc phòng. Nam châm neodymium (nam châm đất hiếm) là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay, được chế tạo từ hợp kim X chứa nguyên tố đất hiếm neodymium (Nd) chiếm 26,39%; boron (B) chiếm 1,02%; phần còn lại là nguyên tố R (R là kim loại có trong một loại quặng dưới dạng oxide có công thức R2On).
Để xác định kim loại R, người ta hòa tan hoàn toàn 3,20 gam oxide trên bằng một lượng vừa đủ dung dịch sulfuric acid 10%. Sau khi phản ứng kết thúc, thu được dung dịch muối có nồng độ 12,9%. Sau đó cô đặc dung dịch muối rồi làm lạnh, thu được 7,868 gam tinh thể muối với hiệu suất kết tinh đạt 70%.
a) Hãy xác định kim loại R, công thức của oxide và tinh thể muối thu được sau quá trình kết tinh.
b) Xác định công thức hóa học của X, biết rằng phân tử khối của X bằng 1083 amu.
c) Một cặp nam châm neodymium trong ổ cứng 3.5 inch chứa 14,0 gam kim loại R. Để sản xuất được 100000 nam châm neodymium thì cần bao nhiêu tấn quặng trên? Biết rằng R2On chiếm 85% khối lượng của quặng, hiệu suất của quá trình chuyển hoá R2On thành R là 80%.
(a)
R2On + nH2SO4 —> R2(SO4)n + nH2O
x…………….nx………………x
mdd muối = mR2On + mddH2SO4 = x(2R + 16n) + 98nx/10% = x(2R + 996n)
C%R2(SO4)n = x(2R + 96n)/[x(2R + 996n)] = 12,9%
—> 2R + 96n = 0,129(2R + 996n) —> R = 18,65n
Chọn n = 3, R = 56: R là Fe, oxide là Fe2O3
nFe2(SO4)3 trong dung dịch = x = 3,2/160 = 0,02 mol
nFe2(SO4)3.kH2O = 0,02.70% = 0,014 mol
—> M hydrate = 18k + 400 = 7,868/0,014 —> k = 9
Tinh thể là Fe2(SO4)3.9H2O
(b)
Số Nd = 1083.26,39%/144 = 2
Số B = 1083.1,02%/11 = 1
Số Fe = 1083.72,59%/56 = 14
—> CTPT của X là Nd2BFe14
(c) Mỗi cặp nam châm chứa 14 gam Fe —> Mỗi nam châm chứa 7 gam Fe
Để có 100000 nam châm cần 700000 gam (0,7 tấn) Fe
Chuyển hóa: Fe2O3 —> 2Fe
—> m quặng = 0,7.160/(2.56.85%.80%) = 1,471 tấn