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通俗讲义:铝的冶炼

来源:未知作者:陈博殷 点击:所属专题: 铝的冶炼
一.烧烤没烤出铝来 我们注意到一个重要的史实:人类社会先有青铜时代,后有铁器时代。我国的青铜时代至少始于公元前1600年的商代,而铁器时代盛于公元前500多年的春秋时代。铝的大规模冶炼距今仅100多年。之前,铝制品还是王公贵族才能拥有的奢侈品,因为铝是用钠置换得

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一.烧烤没烤出铝来

我们注意到一个重要的史实:人类社会先有青铜时代,后有铁器时代。我国的青铜时代至少始于公元前1600年的商代,而铁器时代盛于公元前500多年的春秋时代。铝的大规模冶炼距今仅100多年。之前,铝制品还是王公贵族才能拥有的奢侈品,因为铝是用钠置换得到的。

这三种金属在地壳中的含量却是铝最高,约7.7%,铜最低,仅为0.01%。

至少有两方面的原因造就了这种历史局面。

一是物质的熔点。铜的熔点约1083℃,远低于铁(1535℃)。铝的熔点不高,约660℃,但炼铝的原料Al2O3(从铝土矿中提取)的熔点高达约2000℃。高温的获得在古代很困难,在今天也是需要大量消耗能量的。

二是金属的活动性。铜最容易被还原,铝的还原最难。如果说古人烧烤就能在无意间烤出金属单质来,那么三种金属中首先被获得的应该就是铜。

CuCO3·Cu(OH)2(孔雀石、碱式碳酸铜)通俗讲义:铝的冶炼CuO+CO2↑+H2O↑

C+2CuO通俗讲义:铝的冶炼2Cu+CO2

烧烤绝对烤不出单质铝来。

二.为什么不是电解AlCl3?

铁和钛算是中等活泼的金属元素,它们的单质可以被炭或更活泼的金属(如Mg)从化合物中置换出来。

炼铁在高温的高炉中进行,其基本化学原理可表示为:

Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

而镁、铝及比它们更活泼的金属单质就只能靠电解的办法得到了。为避免H和OH的干扰,对活泼金属化合物的电解不使用水溶液,改在高温熔化状态下进行。

MgCl2(熔融)通俗讲义:铝的冶炼Mg+Cl2

2NaCl(熔融)通俗讲义:铝的冶炼2Na+Cl2

在海水中加石灰乳,可过滤得到Mg(OH)2沉淀,再用盐酸溶解,浓缩得到MgCl2固体,最后电解熔融状态的MgCl2得到氯气和金属镁,这是工业上提取镁的主要方法之一。

那么为什么不通过电解熔融态AlCl3的办法获得金属铝?将矿物中的Al2O3溶于盐酸不就得到AlCl3了?

AlCl3的熔点确实很低,还不到200℃。但它却是共价化合物,融化后非但没有电离,还容易升华。它的水溶液能导电,它的熔融态却不能。

只能知难而进,直接电解Al2O3了。

三.相亲相溶

为适应化学处理的需要,许多矿物的有效成分都需要经过溶解。

溶解包括水溶、酸溶、碱溶等多种,其中酸溶最为常见。一些钠盐矿物或硝酸盐矿物就可用水来溶解。

一些矿物既难溶于水又难溶于酸,比如重晶石(BaSO4)。要从重晶石中获得钡,只能先通过氧化还原反应解决其难溶的问题。

BaSO4+4C→BaS+4CO↑

炼铝的原料主要是自然界的铝土矿,其有效成分是Al2O3。由于它的两性,对它进行酸溶或碱溶都是可以考虑的。

19世纪末期,美国青年霍尔和法国青年厄鲁尔找到了降低炼铝原料熔点的办法。他们在Al2O3中加入冰晶石(Na3AlF6),使混合物的熔点降到1000℃以下,电解铝的能耗大大降低。

其实Al2O3与Na3AlF6之间也是一种溶解关系,不过是在高温条件下的溶(熔)解。冰晶石本身的熔点在1000℃左右。

硫磺难溶于水,易溶于CS2;SO3可由浓硫酸吸收;苯酚溶于苯;I2微溶于水,易溶于KI溶液。这些事实都说明了本元素各种物质间的“亲和关系”。

四.从氧化铝到Al2O3

铝土矿中除Al2O3外还有Fe2O3、SiO2(脉石)等大量杂质。如果考虑先对其进行碱溶,则被溶解的首先是Al2O3

Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O

SiO2也可溶于强碱,但随后生成难溶性的铝硅酸盐。Fe2O3、铝硅酸盐被过滤除去后,溶液中的主要成分就是NAAlO2

在NaAlO2溶液中通过量CO2

NaAlO2+CO2+2H2O→Al(OH)3↓+NaHCO3

滤出Al(OH)3,干燥、灼烧,得纯Al2O3

2Al(OH)3通俗讲义:铝的冶炼Al2O3+3H2O

将Al2O3在高温条件下溶(熔)于冰晶石就可以在电解槽中进行电解了。

2Al2O3(熔融) 通俗讲义:铝的冶炼4Al+3O2

铝水从电解槽的阴极放出,氧气则是阳极产物。阳极材料是石墨,高温下被氧气氧化,所以铝电解槽中的阳极需要不断更换。

铝的用途是大家熟悉的。含镁的镁铝通俗讲义:铝的冶炼合金与含铜的硬铝的强度、通俗讲义:铝的冶炼硬度都比纯铝高,可用于飞机制造业。

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