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铝电解槽里,冰晶石是如何“助熔”氧化铝的?

来源:未知作者:化学自习室 点击: 次 所属专题: 铝的冶炼

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铝比铁贵。并不是因为地壳中铝的含量少,铝占地壳总质量的8%,铁只占4%多一点。 铝比铁贵的主要原因是目前冶炼铝需耗电,能源消费成本太高。过不了几年,绿电发展起来,也许铝就便宜下来

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铝比铁贵。并不是因为地壳中铝的含量少,铝占地壳总质量的8%,铁只占4%多一点。

铝比铁贵的主要原因是目前冶炼铝需耗电,能源消费成本太高。过不了几年,绿电发展起来,也许铝就便宜下来了。

不是已经有使用绿电电解水产氢、用绿氢冶炼铁的技术了吗?相比而言,绿电直接炼铝比炼铁还少一个电解水的工艺步骤呢!

不管电来自何方,贵还是便宜,目前的工业炼铝,还是电解氧化铝为主。

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+和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+、[AlF6]3-。

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、HCl分子等的作用情况相似(H2O溶解NaCl并使之电离),在Na+、[AlF6]3-离子的作用下,Al2O3电离为Al3+和O2-。

Al2O3→Na3AlF6→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)。

讲到电解铝,这里要顺便谈谈到底能不能用电解AlCl3的方法制备铝?

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。

(责任编辑:化学自习室)
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