铝电解的基础知识.docx

1、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

2、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 2.7 g/cm 3,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 SC)2.08 (固，20C)、2.18 (固，200C)导电系数(10-4 Q -1 cm1)3637 (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

3、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

4、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01.2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

5、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（HC- 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

6、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。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

7、， 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 +3Nab.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，

8、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 = Al 4C31.3.2 阳极过程1.3.2.1阳极主反应3O2-（络合的）+ 1.5C-6e = 1.5 C021.3.2.2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

9、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02-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

10、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

11、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

12、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 1020C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，

13、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2.132.22 Q 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

14、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 3x103PaS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铝电解的基础知识课时12课时教 学 方 法