关于电解法冶炼铝的问题讨论

◇ 北京 王笃年（特级教师）

问题1电解法冶炼铝时为什么要加冰晶石作为“助熔剂”?冰晶石是如何“助熔”氧化铝的?

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（Na3Al F6）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，可以连续使用．

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＋、Al F3－6．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Na Cl晶体的作用情况一样（H2O溶解Na Cl并使之电离），在Na＋、Al F3－6的作用下，Al2O3电离为Al3＋和 O2－．

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”．你去工厂实际考查就会知道，在电解槽的熔融体里Al2O3只占10%左右，大量的是冰晶石，还有很多其他辅助成分（如Li F、Na F、Mg F2、Ca F2、Al F3等）．

问题2到底能不能用电解Al Cl3的方法制备铝?可以电解氧化铝，工业上为什么不直接电解Mg O?

Mg和Al同为活泼金属，工业制取Mg采用电解熔融无水Mg Cl2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Al Cl3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“Al Cl3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．但真如此吗?

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Al Cl3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”Al Cl3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Al Cl3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Na Cl-Al Cl3熔体、Li Cl-Al Cl3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，也许与其他因素有关．例如，Al Cl3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Mg O的方法制镁，那是因为Mg Cl2本身就是典型的离子化合物，且熔点（715℃）远低于 Mg O（2800℃），工艺上更容易实现，生产成本低．在制取Mg Cl2不是很难（成本不高）的情况下，当然选择电解无水Mg Cl2了．

问题3电解铝时为什么要使用会损耗的碳电极?

电解铝使用会损耗的碳电极，可谓无奈之举．理论上可以使用惰性材料，可是我们知道，该过程是在1000℃高温下的电解槽里发生的阳极电解反应，如果使用金属材料，它首先得具有高于1000℃的熔点，然后在该温度下还得是惰性的，不易被氧化．这样的材料即使存在，也会非常昂贵，不易找到．

相比而言，碳电极使用的是碳化的石油焦，经济实惠．因为石油焦本身就是传统石油炼制的副产品，价格低廉．

当然，我们也不排除有朝一日找到（或合成出）相对便宜实用的惰性阳极材料，以替代碳电极的可能性．

问题4使用碳电极电解铝，阳极产生的气体会是O2吗?

采用碳电极电解液态Al2O3的情况下，断然不可能得到O2．试想，在1000℃高温下，即使产生O2，也会立即与电极发生反应，生成CO2或CO．

中学教科书里写的电极方程式只是一个示意性的式子，可认为它没有写出后续的作用过程．事实上，阳极气体主要由CO2、CO构成．正是由于不断发生这两个反应，才导致碳电极不断损耗，所以需要定期更换．当然，实际电解槽阳极产生的气体成分远不止CO2、CO这么简单，还会有 HF、CF4、F3C—CF3（全氟乙烷）等含氟污染性气体，以及被气流带出的矿物气溶胶颗粒等．

问题5铝电解槽内如何使温度保持那么高?

虽然铝电解槽内需要保持很高的温度，但电解槽一经启动，则不再需要额外的加热设施．因为我们知道电流通过电解质时，由于电解质具有电阻，本身就可以发热．

初次启动电解槽时，需要一定的外来热源．如，可以引入一定量液态的铝液；或者利用外部热源加热碳电极到一定温度等．

我们知道，电解质都有较大的电阻，电流通过电解质时必然放出热量．工业生产中，为保证单位时间内铝的产出量，通常采取高电流密度的方法电解，因此，电解槽内因通过电流放出的热量足以维持其温度．