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【种花家务·化学】3-4-03铝在自然界里的存在，铝的冶炼法——『数理化自学丛书66版』

2023-02-20 20:54:05 哔哩哔哩

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

(资料图片)

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第四章铝

§4-3铝在自然界里的存在，铝的冶炼法

【01】在本章一开始时就已讲过，铝是自然界里含量最多、分布也最广的一种金属元素。在地壳中，铝主要存在于铝硅酸盐中，例如高岭土Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O、长石K₂O·Al₂O₃·6SiO₂、云母K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂2H₂O等。最重要的铝矿物是铝土矿（Al₂O₃·xH₂O，其中x=1或3）、冰晶石3NaF·AlF₃、明矾石KAl(SO₄)₂·12H₂O和霞石Na₂O·K₂O·Al₂O₃·2SiO₂等，它们都是炼铝的重要原料。

【02】铝在自然界的存在量虽然十分丰富，但金属铝的冶炼历史却很短，最初是在1827年用金属钾还原熔融的无水氯化铝而制得。由于钾的价格很高，因此当时铝比黄金还要昂贵。直到19世纪末发明了电解法制铝，以及用氧化铝-冰晶石为原料以后，铝的产量迅速增高，铝的价格也大幅度的下降，成为一种普遍应用的金属材料。

【03】现在工业上炼铝主要分成两个阶段，即(1)以铝土矿制取纯净的氧化铝和(2)电解熔融的氧化铝。现分述如下：

1、从铝土矿提取纯净的氧化铝

【04】冶炼铝所用的铝土必须十分纯净。但天然的铝土矿里常混有铁和硅的氧化物，电解时，铁和硅都会被还原出来而混在铝里面，影响铝的质量。因此在用铝土矿炼铝之前，必须先进行提纯。

【05】从铝土矿提取纯氧化铝的方法，首先是将磨碎的天然铝土矿和氢氧化钠溶液一起共热，矿石里的氧化铝被氢氧化钠溶解，变为可溶性的偏铝酸钠：

【06】或

【07】然后滤去不溶性的残渣（硅、铁、钛等杂质），并在滤液里通入二氧化碳气体，即有氢氧化铝的沉淀析出：

【08】或

【09】最后，把所得的氢氧化铝在高温(1200℃)下煅烧，使它分解，即得干的、纯净的氧化铝：

2、电解氧化铝

【10】纯净氧化铝的熔点高达2050℃，要使它熔化，然后进行电解是很困难的。现在工业上都用冰晶石（Na₃AlF₆，是氟化钠和氟化铝组成的复盐）做熔剂。在电解时，先把冰晶石熔化（冰晶石的熔点约为1000℃），再把纯净的氧化铝溶解在里面。把熔融的冰晶石和氧化铝的混和物作为电解质，这种混和物的熔点比纯的冰晶石或氧化铝都要低，电解时只要维持940~960℃的温度就能正常进行生产。

【11】电解熔融冰晶石-氧化铝的过程很复杂，冰晶石虽然参加反应，但反应前后仍保持不变。现在对这一反应的过程还没有一致的说法，我们这里只能简单说明电解过程总的化学方程式以及两极上的生成物：

【12】液态铝在阴极析出，氧气从阳极放出。如果阳极用石墨等碳素材料制成，在电解时的温度下，碳跟生成的氧气就发生反应，生成一氧化碳或二氧化碳气体。一氧化碳又会燃烧生成二氧化碳。

【13】工业上冶炼铝，就根据上述反应的原理和条件，设计成一个专门电解氧化铝的电解槽（图4·3）。

【14】电解槽的构造主要分成两个部分：

【15】(1)电解槽的下部是一个长方形的平底槽，用来盛熔融电解质和制得的金属。槽身用钢板制成，内衬耐火砖。由于耐火砖的原料是二氧化硅或氧化镁（硅砖或镁砖），在高温时它们都能跟氧化铝起反应，所以又把碳块和碳板砌在槽底和槽侧。

【16】在槽底碳块之间插有钢棒，钢棒的一端伸出槽外，与直流电源的负极相连接，因此整个碳衬和钢棒组成电解槽的阴极。电解时生成的液态铝沉积在槽底碳块上。

【17】(2)电解槽的上部是阳极装置。阳极外壳用铝制成，也呈长方形，上下无底，悬挂在支架上。阳极铝壳里注入碳糊。碳糊是用石油焦、沥青焦（这是石油和煤焦油干馏后得到的干渣）等跟粘结剂（沥青）混和而制成。从铝壳侧面插入几排钢棒，钢棒的一端在碳糊里，另一端留在铝壳外，与电源的正极相连接。由于阳极下部接触的溶融电解质的温度很高，所以碳糊就发生烧结，变成坚硬的一整块。阳极中部的碳糊受热以后，也变得稠厚起来。

【18】在电解时阳极生成的氧气，不断跟碳素发生反应，把阳极下部碳素逐渐烧去，同时铝壳逐渐熔化，因此阳极要定时下降，以保证阳极跟熔融电解质接触。阳极上部铝壳可以接长，碳糊可以添加，把阳极下部钢棒拔出插入上部碳糊里。这样就构成一个连续自动焙烧阳极装置。

【19】电解氧化铝时，阳极生成氧气，阴极生成液态铝。为什么在电解槽里不设置隔膜，以防止两极生成物相遇而化合呢？这是因为生成的液态铝的比重较熔融的电解质大，它们沉积在槽底，上面有溶融的电解质把液态铝跟氧气隔开，所以氧化铝电解槽内不需要设置隔膜。

【20】治炼铝需要消耗大量的电，制取一吨铝大约要一万七千到二万度电。因此，努力设法减低电能的消耗，对降低铝的成本有着重大意义。