關于電解法冶煉鋁的問題討論

◇ 北京 王篤年（特級教師）

問題1電解法冶煉鋁時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?

氧化鋁的熔點太高（2050℃），工業生產中較難獲得并保持這么高的溫度．幸而科學家通過不懈探究發現了冰晶石（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－，從而實現電解法制鋁．而且在電解高溫下，冰晶石本身化學性質穩定，可以連續使用．

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，這些快速運動的、帶有電荷的離子，對Al2O3晶體的作用情況吧!就像極性H2O分子對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，其實助熔的原理是“熔化了的液態冰晶石溶解（熔解）了氧化鋁并使之發生了電離”．

需要提醒大家的是，千萬不要妄想“助熔劑嘛，只用很少一點點就夠了”．你去工廠實際考查就會知道，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，工業上為什么不直接電解Mg O?

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

關于為什么一般不用電解熔點低的Al Cl3的方法制Al（中學教科書里沒有介紹），目前有多種解釋，比較普遍的說法是“Al Cl3屬于共價化合物，熔化狀態下不電離、不導電”，這個說法似乎很合理，容易被接受．但真如此嗎?

承接上一問題中關于冰晶石“助熔”氧化鋁的解釋，我們不妨設想，雖然Al Cl3本身是共價化合物，其自身熔化時難以電離，但如果找到一種熔點較低且可以“熔解”Al Cl3并使其電離的離子化合物，讓它們形成共熔體，不就可以實現Al Cl3的熔融電解了嗎?

事實上的確存在這種可能性，很多文獻報道了Na Cl-Al Cl3熔體、Li Cl-Al Cl3熔體等的電解，它們都可以實現在較低溫度下電解獲得鋁．

至于為什么尚未大規模采用以上電解法進行實際生產，也許與其他因素有關．例如，Al Cl3本身的制造工藝、生產成本，人們對傳統工藝的路徑依賴（思維惰性）等．

至于為什么不用電解Mg O的方法制鎂，那是因為Mg Cl2本身就是典型的離子化合物，且熔點（715℃）遠低于 Mg O（2800℃），工藝上更容易實現，生產成本低．在制取Mg Cl2不是很難（成本不高）的情況下，當然選擇電解無水Mg Cl2了．

問題3電解鋁時為什么要使用會損耗的碳電極?

電解鋁使用會損耗的碳電極，可謂無奈之舉．理論上可以使用惰性材料，可是我們知道，該過程是在1000℃高溫下的電解槽里發生的陽極電解反應，如果使用金屬材料，它首先得具有高于1000℃的熔點，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，經濟實惠．因為石油焦本身就是傳統石油煉制的副產品，價格低廉．

當然，我們也不排除有朝一日找到（或合成出）相對便宜實用的惰性陽極材料，以替代碳電極的可能性．

問題4使用碳電極電解鋁，陽極產生的氣體會是O2嗎?

采用碳電極電解液態Al2O3的情況下，斷然不可能得到O2．試想，在1000℃高溫下，即使產生O2，也會立即與電極發生反應，生成CO2或CO．

中學教科書里寫的電極方程式只是一個示意性的式子，可認為它沒有寫出后續的作用過程．事實上，陽極氣體主要由CO2、CO構成．正是由于不斷發生這兩個反應，才導致碳電極不斷損耗，所以需要定期更換．當然，實際電解槽陽極產生的氣體成分遠不止CO2、CO這么簡單，還會有 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．

問題5鋁電解槽內如何使溫度保持那么高?

雖然鋁電解槽內需要保持很高的溫度，但電解槽一經啟動，則不再需要額外的加熱設施．因為我們知道電流通過電解質時，由于電解質具有電阻，本身就可以發熱．

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

我們知道，電解質都有較大的電阻，電流通過電解質時必然放出熱量．工業生產中，為保證單位時間內鋁的產出量，通常采取高電流密度的方法電解，因此，電解槽內因通過電流放出的熱量足以維持其溫度．