關(guān)于電解法冶煉鋁的問(wèn)題討論

◇ 北京 王篤年（特級(jí)教師）

問(wèn)題1電解法冶煉鋁時(shí)為什么要加冰晶石作為“助熔劑”?冰晶石是如何“助熔”氧化鋁的?

氧化鋁的熔點(diǎn)太高（2050℃），工業(yè)生產(chǎn)中較難獲得并保持這么高的溫度．幸而科學(xué)家通過(guò)不懈探究發(fā)現(xiàn)了冰晶石（Na3Al F6）的“神奇作用”——它可以使Al2O3在1000℃左右“熔化”并電離為Al3＋和O2－，從而實(shí)現(xiàn)電解法制鋁．而且在電解高溫下，冰晶石本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以連續(xù)使用．

那么，冰晶石的“助熔”原理究竟是怎樣的呢?可以這樣理解，冰晶石是離子化合物，它本身的熔點(diǎn)較低（1000℃左右），熔化后電離為Na＋、Al F3－6．試想1000℃高溫下，這些快速運(yùn)動(dòng)的、帶有電荷的離子，對(duì)Al2O3晶體的作用情況吧!就像極性H2O分子對(duì)Na Cl晶體的作用情況一樣（H2O溶解Na Cl并使之電離），在Na＋、Al F3－6的作用下，Al2O3電離為Al3＋和 O2－．

雖然表面上看是一種“助熔”作用，其實(shí)助熔的原理是“熔化了的液態(tài)冰晶石溶解（熔解）了氧化鋁并使之發(fā)生了電離”．

需要提醒大家的是，千萬(wàn)不要妄想“助熔劑嘛，只用很少一點(diǎn)點(diǎn)就夠了”．你去工廠(chǎng)實(shí)際考查就會(huì)知道，在電解槽的熔融體里Al2O3只占10%左右，大量的是冰晶石，還有很多其他輔助成分（如Li F、Na F、Mg F2、Ca F2、Al F3等）．

問(wèn)題2到底能不能用電解Al Cl3的方法制備鋁?可以電解氧化鋁，工業(yè)上為什么不直接電解Mg O?

Mg和Al同為活潑金屬，工業(yè)制取Mg采用電解熔融無(wú)水Mg Cl2的方法，而制取Al則采用電解極其難熔的Al2O3的工藝．

關(guān)于為什么一般不用電解熔點(diǎn)低的Al Cl3的方法制Al（中學(xué)教科書(shū)里沒(méi)有介紹），目前有多種解釋?zhuān)容^普遍的說(shuō)法是“Al Cl3屬于共價(jià)化合物，熔化狀態(tài)下不電離、不導(dǎo)電”，這個(gè)說(shuō)法似乎很合理，容易被接受．但真如此嗎?

承接上一問(wèn)題中關(guān)于冰晶石“助熔”氧化鋁的解釋?zhuān)覀儾环猎O(shè)想，雖然Al Cl3本身是共價(jià)化合物，其自身熔化時(shí)難以電離，但如果找到一種熔點(diǎn)較低且可以“熔解”Al Cl3并使其電離的離子化合物，讓它們形成共熔體，不就可以實(shí)現(xiàn)Al Cl3的熔融電解了嗎?

事實(shí)上的確存在這種可能性，很多文獻(xiàn)報(bào)道了Na Cl-Al Cl3熔體、Li Cl-Al Cl3熔體等的電解，它們都可以實(shí)現(xiàn)在較低溫度下電解獲得鋁．

至于為什么尚未大規(guī)模采用以上電解法進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，也許與其他因素有關(guān)．例如，Al Cl3本身的制造工藝、生產(chǎn)成本，人們對(duì)傳統(tǒng)工藝的路徑依賴(lài)（思維惰性）等．

至于為什么不用電解Mg O的方法制鎂，那是因?yàn)镸g Cl2本身就是典型的離子化合物，且熔點(diǎn)（715℃）遠(yuǎn)低于 Mg O（2800℃），工藝上更容易實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本低．在制取Mg Cl2不是很難（成本不高）的情況下，當(dāng)然選擇電解無(wú)水Mg Cl2了．

問(wèn)題3電解鋁時(shí)為什么要使用會(huì)損耗的碳電極?

電解鋁使用會(huì)損耗的碳電極，可謂無(wú)奈之舉．理論上可以使用惰性材料，可是我們知道，該過(guò)程是在1000℃高溫下的電解槽里發(fā)生的陽(yáng)極電解反應(yīng)，如果使用金屬材料，它首先得具有高于1000℃的熔點(diǎn)，然后在該溫度下還得是惰性的，不易被氧化．這樣的材料即使存在，也會(huì)非常昂貴，不易找到．

相比而言，碳電極使用的是碳化的石油焦，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠．因?yàn)槭徒贡旧砭褪莻鹘y(tǒng)石油煉制的副產(chǎn)品，價(jià)格低廉．

當(dāng)然，我們也不排除有朝一日找到（或合成出）相對(duì)便宜實(shí)用的惰性陽(yáng)極材料，以替代碳電極的可能性．

問(wèn)題4使用碳電極電解鋁，陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體會(huì)是O2嗎?

采用碳電極電解液態(tài)Al2O3的情況下，斷然不可能得到O2．試想，在1000℃高溫下，即使產(chǎn)生O2，也會(huì)立即與電極發(fā)生反應(yīng)，生成CO2或CO．

中學(xué)教科書(shū)里寫(xiě)的電極方程式只是一個(gè)示意性的式子，可認(rèn)為它沒(méi)有寫(xiě)出后續(xù)的作用過(guò)程．事實(shí)上，陽(yáng)極氣體主要由CO2、CO構(gòu)成．正是由于不斷發(fā)生這兩個(gè)反應(yīng)，才導(dǎo)致碳電極不斷損耗，所以需要定期更換．當(dāng)然，實(shí)際電解槽陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體成分遠(yuǎn)不止CO2、CO這么簡(jiǎn)單，還會(huì)有 HF、CF4、F3C—CF3（全氟乙烷）等含氟污染性氣體，以及被氣流帶出的礦物氣溶膠顆粒等．

問(wèn)題5鋁電解槽內(nèi)如何使溫度保持那么高?

雖然鋁電解槽內(nèi)需要保持很高的溫度，但電解槽一經(jīng)啟動(dòng)，則不再需要額外的加熱設(shè)施．因?yàn)槲覀冎离娏魍ㄟ^(guò)電解質(zhì)時(shí)，由于電解質(zhì)具有電阻，本身就可以發(fā)熱．

初次啟動(dòng)電解槽時(shí)，需要一定的外來(lái)熱源．如，可以引入一定量液態(tài)的鋁液；或者利用外部熱源加熱碳電極到一定溫度等．

我們知道，電解質(zhì)都有較大的電阻，電流通過(guò)電解質(zhì)時(shí)必然放出熱量．工業(yè)生產(chǎn)中，為保證單位時(shí)間內(nèi)鋁的產(chǎn)出量，通常采取高電流密度的方法電解，因此，電解槽內(nèi)因通過(guò)電流放出的熱量足以維持其溫度．