1. Nguyên liệu
Trong khơng khí khơ, nhơm khơng nguyên chất sẽ bị ăn mịn hĩa học. Bởi vì lớp bảo vệ Al2O3 khơng thể tạo thành ở những nơi mà trên bề mặt của nhơm cĩ tạp chất. Trong khơng khí ẩm hoặc trong dung dịch chất điện phân, nhơm lẫn các kim loại khác (dù là 1 lượng rất nhỏ) cũng bị ăn mịn điện hĩa nhanh. Các tạp chất thường là kim loại hoặc phi kim đứng sau nhơm trong dãy điện hĩa. Chúng cùng với nhơm tạo ra những cặp pin, mà nhơm là cực âm. Kết quả là nhơm bị ăn mịn. Vì vậy việc chọn nguyên liệu và làm sạch nguyên liệu sản xuất nhơm là việc làm rất phức tạp và cần thiết.
132
Nguyên liệu để sản xuất nhơm là quặng boxit Al2O3. nH2O. Boxit thường lẫn tạp chất là Fe2O3 và SiO2. Người ta làm sạch nguyên liệu theo trình tự sau:
Quặng boxit sau khi nghiền nhỏ được nấu trong dung dịch xút đặc (nhiệt độ 180oC). Loại bỏ tạp chất khơng tan là sắt oxit, được dung dịch hỗn hợp 2 muối là natri aluminat và natri silicat:
Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Xử lí dung dịch thu được bằng khí CO2 ta được chất khơng tan là Al(OH)3:
Sau đĩ lọc, rửa và nung kết tủa Al(OH)3 ở nhiệt độ cao (trên 900oC) ta được Al2O3 khan, nguyên chât1 dùng để sản xuất nhơm.
2. Sản xuất nhơm
a) Nguyên tắc: Khử ion Al3+ trong hợp chất thành nhơm tự do: Al3+ + 3e = Al
b) Phương pháp
Sự khử ion Al3+ trong Al2O3 là rất khĩ khăn, khơng thể dùng những chất khử thơng thường như C, CO, H2…
Ghi chú: Năm 1827, lần đầu tiên trên thế giới người ta điều chế được nhơm bằng cách dùng kim loại K để khử Al3+ trong muối AlCl3 khan, nĩng chảy : AlCl3 + 3K = 3KCl + Al
Do vậy, trong 1 thời gian dài của thế kỉ 19 người ta đã coi nhơm là kim loại quý hiếm. Napơlêon III trong bữa tiệc cung đình, lần đầu tiên cho ra mắt các quan khách bộ đồ ăn bằng nhơm.
133
Cuối thế kỉ 19 (vào năm 1888) người ta mới tìm ra phương pháp sản xuất nhơm bằng cách điện phân Al2O3 nĩng chảy. Phương pháp này vẫn tồn tại đến nay
- Chuẩn bị chất điện li nĩng chảy
Để giảm nhiệt độ nĩng chảy của Al2O3 (2050oC), người ta hịa tan Al2O3 trong criolit nĩng chảy, được hỗn hợp chất lỏng ở 900oC. Việc làm này, 1 mặt tiết kiệm được năng lượng, lại tạo được chất lỏng cĩ tính dẫn điện tốt hơn Al2O3 nĩng chảy. Mặt khác hỗn hợp chất điện li này cĩ tỉ khối nhỏ hơn nhơm, nổi lên trên và ngăn cản Al nĩng chảy khơng bị oxi hĩa trong khơng khí.
- Quá trình điện phân :cực âm (catơt) của thùng điện phân là tấm than chì nguyên chất, được bố trí ở đáy thùng.
Cực dương (anơt) là những khối lớn than chì, cĩ thể chuyển động theo phương thẳng đứng. (hình 26)
Dịng điện 1 chiều dùng để điện phân cĩ cường độ rất cao (từ 50 000 đến 100 000A) và điện thế thấp (khoảng 5V). Nhiệt toả ra do hiệu ứng Jun đủ để duy trì nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nĩng chảy của chât1 điện li.
134
Các phản ứng oxi hĩa - khử xảy ra ở các điện cực rất phức tạp, nhưng cĩ thể nĩi 1 cách đơn giản là:
Ở cực âm xảy ra sự khử ion Al3+ thành Al: Al3+ + 3e = Al
Ta thu được nhơm nĩng chảy ở phần đáy thùng điện phân. Sau 1 thời gian nhất định, dùng ống siphon hút nhơm ra ngồi.
Ở cực dương xảy sự oxi hĩa O2- thành khí oxi: 2O2- - 4e = O2
Khí oxi ở nhiệt độ cao đã đốt cháy cực dương là cacbon, sinh ra hỗn hợp khí CO và CO2. Do vậy trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần dần cực dương
Ghi chú:
- Nhơm điều chế bằng phương pháp điện phân cĩ độ nguyên chất từ 99,4 đến 99,7%.
- Để cĩ được 1 tấn nhơm sản phẩm, phải tiêu hao 2 tấn Al2O3; 0,5 tấn than chì ở cực dương và 20000 kWh.
BÀI TẬP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Hãy kể tên 1 số hợp chất của nhơm trong tự nhiên. Hợp chất nào cĩ thể dùng để sản xuất nhơm? Vì sao?
2. Tại sao phải làm sạch quặng boxit trước khi sản xuất nhơm? Trình bày các bước làm sạch nguyên liệu, kèm theo các phương trình phản ứng
3. Trình bày nguyên tắc sản xuất nhơm và các quá trình xảy ra ở các điện cực. Dựa vào những quá trình này, hãy dẫn ra phương trình điện phân Al2O3 nĩng chảy
4. Sản xuất nhơm bằng phương pháp điện phân Al2O3 nĩng chảy. Hãy cho biết lượng Al2O3 và C (cực dương) cần dùng để cĩ thể sản xuất
được 0,54 tấn nhơm. Cho rằng tồn lượng oxi sinh ra đã đốt cháy cực dương thành khí CO2
135
CHƯƠNG IX - SẮT
BÀI 1: VỊ TRÍ - CẤU TẠO - TÍNH CHẤT CỦA SẮT