M O+ 2HX X 2+ H2O,
H 3BO 3+ 3C3O → B(OC3) 3+ 32O (trimety borat)
4.4.3. Điều chế nhôm
4.4.3.1. Phương pháp khử muối nhôm
Cuối thế kỷ XIX, Al được sản xuất với quy mô công nghiệp. Người ta điều chế Al bằng cách dùng kim loại kiềm khử muối AlCl3 khan hoặc muối NaAlCl4 (natri tetracloroaluminat) ở trạng thái nóng chảy:
3Na + AlCl3 → Al + 3NaCl 3Na + NaAlCl4 → Al + 4NaCl
Do vậy, giá thành của Al cao đến mức Al chỉ được dùng làm đồ trang sức.
4.4.3.2. Phương pháp điện phân
Những năm 80 của thế kỷ XIX, Al mới được sản xuất bằng phương pháp điện phân hỗn hợp nóng chảy của Al2O3 và Na3[AlF6], từ đó Al được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Nguyên liệu để sản xuất nhôm là quặng boxit (Al2O3.xH2O) và criolit còn nhiều tạp chất như Fe2O3, SiO2, CaO nên cần phải tinh chế nguyên liệu ban đầu, bằng cách đun quặng nghiền nhỏ với dung dịch NaOH 40% ở 1500C dưới áp suất 5-6atm, nhôm oxit sẽ tan trong dung dịch kiềm.
Al2O3.xH2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + (x+1)H2O hoặc Al2O3 + 2OH- + 3H2O → 2[Al(OH)4]-
Fe2O3 không phản ứng, SiO2 kết tủa dưới dạng phức natri nhôm silicat. Lọc lấy dung dịch và pha loãng bằng nước, Al(OH)3 sẽ tách ra, sau đó nung kết tủa ở 1200-14000C trong lò quay sẽ được Al2O3 tinh khiết
[Al(OH)4]- Al(OH)3 + OH - Al(OH)3 t0
Al2O3 + H2O
Do Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (20720C) nên chất điện phân là hỗn hợp Al2O3 (10%) và criolit (90%) để hạ nhiệt độ nóng chảy còn khoảng 9500
C.
Do criolit thiên nhiên khá hiếm nên nó được tổng hợp bằng cách hoà tan Al(OH)3 và Na2CO3 trong dung dịch HF:
Quá trình điện phân được thực hiện ở 9500C, điện áp khoảng 5V, cường độ dòng điện khoảng 140000A. Thiết bị điện phân là một thùng vỏ sắt bên trong lót gạch chịu nóng, trên lớp này có bọc một lớp than dùng làm cực âm, cực dương là những thỏi than cắm vào thùng điện phân. Bề mặt chất lỏng trong lò được phủ một lớp rắn chất điện li để cho khối nóng chảy khỏi bị nguội.
Cơ chế của quá trình điện phân Al2O3 trong Na3[AlF6] chưa xác định rõ ràng, chỉ được giải thích rằng criolit là hỗn hợp AlF3 và 3NaF, khi điện phân chỉ NaF bị điện phân cho Na và F2. Na khử AlF3 tạo NaF và Al, còn F2 đẩy oxi trong Al2O3 tạo thành AlF3. Nhờ vậy mà nồng độ criolit trong thùng điện phân hầu như không đổi. Thu được Al ở cực âm, tập trung ở đáy thùng ở dạng lỏng. Khí O2 bay lên ở cực dương, tác dụng với than ở cực đó tạo khí CO, CO2 làm cho cực bị ăn mòn, vì vậy trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần cực dương xuống.
Quá trình điện phân được tiến hành liên tục, cứ sau 4 giờ cho thêm Al2O3 và một ít criolit bù cho lượng bị hao, sau vài ngày tháo Al lỏng ra ở cửa dưới của thùng.
Hình 4.5: Sơ đồ thiết bị điện phân điều chế nhôm
Al thu được có độ tinh khiết khoảng 99,4 - 99,8%.