铝电解的基础知识.doc

章节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，此外还有明矾石等，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Al2O3与SiO2、Fe2O3、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/cm3,是一种轻有色金属，它的主要特性如表11。 原子序数13密度（g/cm3）2.699(固)、2.3(液)原子价3溶点（）659沸点（）2467熔化盐（J/ g）386.6导热系数（J/cmS）2.08（固，20）、2.18（固，200）导电系数（10-4-1cm-1）3637（20）电化学当量（g/Ah）0.3356（Ah/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一。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（HCOersted）在实验室中用钾汞齐还原无水氯化铝（AlCl3）,在世界上第一次得到铝。1845年法国人戴维尔（HSDeville）用钠还原NaClAlCl3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CO2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 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。 2Al+Al33Al Al+6NaAl3+3Na2b. 在碱性电解质中，铝与氟化钠发生置换反应。 Al3NaFAlF33Na2c. 铝以电化学反应形式直接溶解进入电解质熔体中。 Al(液)eAl 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+eNa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。 Al+6NaFNa3AlF6+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。 碳化铝（Al4C3）的生成:在高温条件下，铝可与碳发生反应生成碳化铝 4Al+3CAl4C3 1.3.2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高，此时在阳极上总是含O2-离子放电，连续析出CO2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COF2或CF4。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AL2O3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1020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：-1cm-1。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2.132.22-1cm-1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PaS(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310-3PaS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