铝电解的基础知识.docx

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铝电解的基础知识

早节

1铝电解的基础知识

课时

12课时

教学方法

教学目标：

1、要求学生掌握铝的性质和用途。

2、掌握电解铝的两极主反应和副反应。

3、掌握电解质的性质

4、掌握铝电解的工艺流程

重点：

铝电解的工艺流程

难点：

电解铝的两极主反应和副反应，化学反应和化学方程式的书写

教学内容：

1.1铝的性质与用途

铝是自然界中分布极广的元素之一，地壳中铝的含量为7.35%,仅次于

氧和硅而居第三位。

由于铝是化学性质极为活泼的元素，所以在自然界中未发现单质的金属铝，而是以铝的各种化合物存在。

铝土矿是现在的主要炼铝原料，此外还有明矶石等，世界铝土矿总储量

320亿吨以上，我国山西、河南、山东和广西等地蕴含着丰富的铝土矿。

从铝土矿或其他含铝原料中生产氧化铝，实质上是将矿石中的AI2Q与SiO2、

FeO、TiO2等杂质分离的过程。

铝是一种具有银白色光泽的金属，常温下其比重只有2.7g/cm3,是一种

轻有色金属，它的主要特性如表1—1。

原子序数

13

密度（g/cm3）

2.699（固）、2.3（液）

原子价

+3

溶点「C）

659

沸点「C）

2467

熔化盐（J/g）

386.6

导热系数（J/cm•S・°C）

2.08（固，20C）、2.18（固，200C）

导电系数（10-4Q-1•cm1）

36〜37（20C）

电化学当量

（g/A•h）

0.3356

（A•h/g）

2.980

铝可与许多金属形成合金，某些铝合金的机械强度很高，而且仍保持着质轻的优点，因此铝被广泛用于制造飞机的外壳、火车、汽车的车箱，以及快速转动的零部件等。

铝是一种优良的导电材料，仅次于金、银、铜、水银。

然而，与单位重量导电性而议，铝比其他任何金属的导电性都好。

按照传导等量电流计算，铝的导电截面是铜的1.6倍，而重量只有铜的一半。

因此铝广泛用于电气工业和无线电工业。

铝具有良好的导热性，反光性。

铝的导热性是不锈钢的10倍，它是制造活塞，热交换器，饭锅，电烫斗等传热设备的理想材料。

同时利用铝具有良好的反光和热的性能，制造反光镜，隔热板，又可用来制作保温材料。

铝极富延展性，很容易进行机械加工，轧制，切削，拉丝，压延，锻造等。

铝具有良好的防腐性能。

铝在空气中表面生成一层致密、光亮、坚硬、透明的氧化铝薄膜，起到天然保护层作用。

所以，铝是经久耐用的建筑材料，在建筑业和装饰业上获得广泛应用。

铝没有毒性，用它来包装食品及化学用品不会影响味道和质量，对人体不会带来危害。

铝不带磁性，也不会产生附加磁性，故广泛用来制造精密仪器。

总之，铝是当今电力、冶金、轻工、化工、航空航天、机械、建筑、食品等许多行业不可缺少的重要原材料，它和钢铁一样，已成为现代经济起飞的基础。

铝的优异性能和丰富藏量，将使铝工业成为最有前途的重要产业之

0

1.2炼铝方法的发展历程

炼铝的历史可分为两个阶段，分别为化学法炼铝阶段与电解法炼铝阶段。

尽管在自然界中含有极为丰富的铝，但铝第一次制取出来却是不到二百年前的事。

1825年丹麦的厄尔施泰（H・C-Oersted）在实验室中用钾汞齐还原无水氯化铝（AICI3）,在世界上第一次得到铝。

1845年法国人戴维尔

（H-S-Deville）用钠还原NaCI•AICI3混合盐也得到金属铝，并在法国进行小规模生产。

到1877年电解法投产以前，世界上仅用化学法生产金属铝，这一阶段，铝产量极低，使铝成为世界上极为昂贵的金属之一。

1886年，美

国的霍尔和法国的埃鲁特发明了冰晶石一氧化铝熔盐电解法炼铝，很快电解铝取代了化学法，而且产量迅速提高，成本迅速下降，到目前为止的百年间，铝工业发展成为仅次于钢铁工业的第二大金属冶炼工业。

1.3现代铝电解的基本原理

电解法炼铝就是冰晶石一氧化铝融盐电解法，它是以冰晶石作为溶剂，氧化铝为熔质，强大的直流电通入电解槽内，在阴极和阳极上起电化学反应。

电解产物，阴极上是铝液，阳极上是C02和CO气体（炭素作

阳极），这种方法就是电解法炼铝。

1.3.1阴极过程

A13+（络合的）+3e=Al（液）

1.3.1.2阴极副反应

在铝电解过程中，除前面讲的两极主反应外，同时在两极上还发生着一些复杂的副反应•这些副反应对生产有害无益，生产中应尽量加以遏制。

⑴阴极副反应

1铝在电解质中的溶解反应和损失：

在铝电解过程中，处于高温状态下的阴极铝液和电解质的接触面上，必

然有析出的铝溶解在电解质中，一般认为，阴极铝液在电解质里的溶解有以下几种情况：

a.溶解在熔融冰晶石中的铝，生成低价铝离子和双原子的钠离子。

3丰丰

2AI+AI=3AI

+3++

AI+6Na=Al+3Na

b.在碱性电解质中，铝与氟化钠发生置换反应。

Al+3NaF=AIF3+3N*

c.铝以电化学反应形式直接溶解进入电解质熔体中。

Al（液）—e=Al+

2金属钠的析出：

在阴极的主反应是析出铝而不是钠，因为钠的析出电位比铝低。

但随着温度升高，电解质分子比增大，氧化铝浓度减小，以及阴极电流密度提高，钠与铝的析出电位差越来越小，而有可能使钠离子与铝离子在阴极上一起放电，析出金属钠。

Na++e=Na

在碱性电解质中，溶解的铝也可能发生下列反应而置换出钠。

AI+6NaF=Nc3AIFe+3Na

析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极碳素内衬吸收，一部分以蒸汽状态挥发出来，在电解质表面被空气或阳极气体氧化，产生黄色火焰。

3碳化铝（AI4C3）的生成：

在高温条件下，铝可与碳发生反应生成碳化铝

4AI+3C=Al4C3

1.3.2阳极过程

1.3.2.1阳极主反应

3O2-（络合的）+1.5C-6e=1.5C02

1.3.2.2阳极副反应

A、CO的直接生产

B、电解质中的单质被阳极气体氧化

C、氟离子放电

1.4阳极效应：

阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的一种特殊现象。

a.阳极效应发生的机理：

阳极效应的发生，是阳极表面性质，电解质的性质和阳极气体性质改变的综合结果。

在正常电解时，电解质中的氧化铝含量较咼，此时在阳极上总是含0

2-离子放电，连续析出CO和CO气体。

由于阳极表面总是新鲜的,电解质有足够的湿润能力，于是析出的气体则以小的气泡逸出。

随着氧化铝含量的逐渐减少，F离子开始放电（与O2-离子一起放电），生成碳氟类络合物，而后分解生成COF或C氐因此，改变了阳极气体成分的同时，也改变了阳极的表面性质。

电解质对阳极的湿润变坏，由于气体薄膜的作用，和阳极表面性质改变而电阻增大，则电压升高，于是阳极效应发生。

1.4.1阳极效应的宏观表现：

当阳极效应时，在阳极与电解质接触的周边上，出现许多细小的弧光闪烁，电解质像小雨点似的沿阳极上溅，并可听到咝咝的响声。

槽电压骤升到数十伏，并联在电压表上的指示信号灯也亮了起来。

c.阳极效应产生原因：

主要原因是电解质中ALO含量降低，使阳极临界电流密度下降，电解质在阳极表面上的湿润性变坏。

临界电流密度是指在一定条件下，发生阳极效应时的阳极电流密度。

它随氧化铝浓度减少而减小，还与电解质温度、阳极材料、电解质成份等因素有关。

d.阳极效应的影响与危害性：

发生阳极效应时电压骤升，挥发剧烈，消费大量的电能和各种原材料，又影响铝水品位，增加劳动量，恶化环境等。

但偶尔发生阳极效应，可清理电解质中的碳渣，对冷槽可用阳极效应提供热能调整热平衡等。

1.5铝电解的电解质及其性质

在铝电解生产过程中，连接阳极和阴极之间的熔盐体叫电解质。

更确切地说，熔盐电解质是以冰晶石为熔剂，氧化铝为熔质，组成的冰晶石一氧化铝熔体为主，其它氟化盐为添加剂，这种熔融体叫电解质。

1.5.2电解质的酸碱度

电解质分子比等于3时，电解质呈中性。

若分子比大于3,电解质呈碱

性。

若分子比小于3,电解质呈酸性。

1.5.3电解质的初晶温度

初晶温度是指液体开始形成固态晶体的温度。

固态晶体开始熔化的温度称为该晶体的熔点。

初晶温度与熔点的物理意义不同，但在数值上相等。

冰晶石一氧化铝均匀熔体电解质其初晶温度随氧化铝含量增多而降低。

电解质的摩尔比（分子比）降低，其初晶温度也随之降低，但氧化铝的溶解量也会降低。

电解生产中需要电解质的初晶温度越低越好，这样可以降低工作温度（工作温度一般控制在初晶温度以上10〜20C范围）。

工作温度越低，减少设备变形，延长设备使用寿命，工人劳动环境改善，电解质挥发损失小。

而且，更重要一点，电解过程中电流效率随电解温度降低而提高，即可以降低电能消耗，又可以增加产量。

1.5.4.电解质的表面性质

1.5.5电解质的密度

密度是指单位体积的某物质的质量,其单位为g/cm3。

工业铝电解质溶体的密度随温度的升高，氧化铝含量增多而降低。

实际生产中需要电解密度较低为好，铝电解生产中，铝与电解质是两种相溶性很小的液体，铝水的密度比电解质大，故沉于电解槽底部，它们之间的分离靠两种溶体的密度差来实现。

因铝水的密度一定，只有减小电解质熔体的密度来增大其密度差来实现，从而使两种液体良好分离。

1.5.6电解质的电导率

电导率称为比电导或导电率，它是物体导电能力大小的标志，通常用比

电阻的倒数来表示。

单位为：

q-1•cm1。

在电解质熔体中，随着氧化铝浓度的增加，电解质的导电度减少。

工业电解质的导电度一般在2.13〜2.22Q"ym1范围内，生产中需要电解质具有大的导电度。

电解质导电性越好，其电压降就越小，越有利于降低生产能耗。

1.5.7电解质的黏度

黏度是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内摩擦力，单位为Pa-S（帕•秒）。

熔体内质点间相对运行的阻力越大，熔体的粘度越大。

工业铝电解质的粘度一般保持在3x103Pa・S左右，过大或过小，对生产不利。

电解质粘度过大，会降低氧化铝在其中的溶解速度，会阻碍电解质中碳渣分离和阳极气体的逸出，给生产带来危害。

但电解质粘度过小，会加快电解质的循环，加快铝在电解质中的溶解损失，降低电流效率，而且加快氧化铝在电解质中的沉降速度，造成槽沉淀。

1.6铝电解的基本流程

教授方法：

课堂讲授、讨论、提问

课外作业：

1-1、什么是铝，它有哪些主要性质和用途？

1-3铝电解的基本过程是怎样的？

阴极和阳极上发生怎么样的反应？

1-6什么是电解质的酸碱度，它有哪些表示方法？

1-9铝电解的基本流程怎样？

本章小结：

本章主要介绍了铝的电解质性质，分析了铝电解的两极反应和两

极副反应，详细介绍了电解质的性质和电解的基本流程。

教后反馈：

早节

1铝电解的基础知识

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