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有关铝的冶炼问题集

1.冰晶石是如何“助熔”氧化铝的?

氧化铝的熔点太高(2050℃),工业生产中较难获得并保持这么高的温度。

幸而科学家通过不懈探究发现了冰晶石(Na3AlF6)的“神奇作用”——它可以使Al2O3在1000℃左右“熔化”并电离为Al3+O2-,从而实现电解法制铝。

而且在电解高温下,冰晶石本身化学性质稳定,可连续使用。

那么,冰晶石的“助熔”原理究竟是怎样的呢?可以这样理解,冰晶石是离子化合物,它本身的熔点较低(1000℃左右),熔化后电离为Na、AlF63-

试想1000℃高温下,这些快速运动的、带有电荷的离子,对Al2O3晶体的作用情况吧!

就像极性H2O分子对NaCl晶体的作用情况相似(H2O溶解NaCl并使之电离),在Na、AlF63-离子的作用下,Al2O3电离为Al3+和O2-

Al2O3==2Al3++ 3O2-

虽然表面上看是一种“助熔”作用,其实助熔的原理是“熔化了的液态冰晶石溶解(熔解)了氧化铝并使之发生了电离”。

需要提醒大家的是,千万不要妄想“助熔剂嘛,只用很少一点点就够了”。你去工厂实际考察就会知道,那电解槽的熔融体里Al2O3只占10%左右,大量的是冰晶石,还有很多其它辅助成分(如LiF、NaF、MgF2、CaF2、AlF3等)。




2.到底能不能用电解AlCl3的方法制备铝?可以电解氧化铝,工业上为什么不直接电解MgO?

Mg和Al同为活泼金属,工业制取Mg采用电解熔融无水MgCl2的方法,而制取Al则采用电解极其难熔的Al2O3的工艺。

关于为什么一般不用电解熔点低的AlCl3的方法制Al(中学教科书里没有介绍),目前有多种解释,比较普遍的说法是“AlCl3属于共价化合物,熔化状态下不电离、不导电”,这个说法似乎很合理,容易被接受。

果然如此吗?

承接上一问题中关于冰晶石“助熔”氧化铝的解释,我们不妨设想,虽然AlCl3本身是共价化合物,其自身熔化时难以电离,但如果找到一种熔点较低且可以“熔解”AlCl3并使其电离的离子化合物,让它们形成共熔体,不就可以实现AlCl3的熔融电解了吗?

事实上的确存在这种可能性,很多文献报道了NaCl-AlCl3熔体、LiCl-AlCl3熔体等的电解,它们都可以实现在较低温度下电解获得铝。

至于为什么尚未大规模采用以上电解法进行实际生产,也许与其它因素有关。例如AlCl3本身的制造工艺、生产成本,人们对传统工艺的路径依赖(思维惰性)等。

至于为什么不用电解MgO的办法制镁,那是因为MgCl2本身就是典型的离子化合物,且熔点(715℃)远低于MgO(2800℃),工艺上更容易实现,生产成本低。

在制取MgCl2不是很难(成本不高)的情况下,当然选择电解无水MgCl2了。

3.电解铝时为什么要使用会损耗的碳电极?

电解铝使用会损耗的碳电极,可谓无奈之举。理论上可以使用惰性材料,可是我们要知道,那是在1000℃高温下的电解槽里发生的阳极电解反应,如果使用金属材料,它首先得具有高于1000℃的熔点,然后还得在该温度下是惰性的,不易被氧化。

这样的材料即使存在,也会非常昂贵,不易找到。

相比而言,碳电极使用的是碳化的石油焦,经济实惠。因为石油焦本身就是传统石油炼制的副产品,价格低廉。

当然,我们也不排除有朝一日找到(或合成出)相对便宜实用的惰性阳极材料,以替代碳电极的可能性。

4.使用碳电极电解铝,阳极产生的气体会是O2吗?

采用碳电极电解液态Al2O3的情况下,断然不可能得到O2。试想,在1000℃高温下,即使产生O2,也会立即跟电极发生反应,生成CO2或CO。

C + O2CO2

2C + O22CO

中学教科书里写的那电极方程式只是一个示意性的式子而已,可认为它没有写出后续的作用过程。

事实上,阳极气体主要由CO2、CO构成。正是由于不断发生此二反应,导致碳电极不断损耗,需要定期更换。

当然,实际电解槽阳极产生的气体成分远不止CO2、CO这么简单,还会有HF、CF4、F3C-CF3(全氟乙烷)等含氟污染性气体,以及被气流带出的矿物气溶胶颗粒等。

5.电解铝槽内如何使温度保持那么高?

虽然铝电解槽内需要保持很高的温度,但电解槽一经启动,则不再需要额外的加热设施。因为我们知道电流通过电解质时,由于电解质具有电阻,本身就可以发热。

初次启动电解槽时,需要一定的外来热源。如,可以引入一定量液态的铝液;或者利用外部热源加热碳电极到一定温度等。

我们知道,电解质都有较大的电阻,电流通过电解质时必然放出热量。

工业生产中,为保证单位时间内铝的产出量,通常采取高电流密度的方法电解,这样一来,电解槽内因通过电流放出的热量足以维持其温度。

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