Электролиз глиноземных расплавов

Алан-э-Дейл       25.07.2022 г.

Список литературы

  • Abildgaard (1799) Allgemeines Journal der Chemie, Berlin 1798-1803 (Scherer’s Journal): 2: 502 (as Chryolith, Thonerde mit Flussäure).
  • d’Andrada (1800) Allgemeines Journal der Chemie, Berlin 1798-1803 (Scherer’s Journal): 4: 37.
  • Karsten, D.L.G. (1800) Mineralogische Tabellen, Berlin. First edition (1800): 28: 73 (as Kryolith).
  • Klaproth (1800) Journal Phys.: 51: 473.
  • Haüy, R.J. (1801) Traité de minéralogie. First edition: in 4 volumes with atlas in fol.: 2: 157 (as alumine fluatée alkaline).
  • Vauqueline (1801) Annales de chimie, Paris: 37: 89.
  • Klaproth, M.H. (1802): Untersuchung des Kryoliths, Beiträge zur chemischen Kenntniss der Mineralkörper, Dritter Band, Rottmann Berlin, 207-214
  • Glocker, E.F. (1831) Handbuch der Mineralogie, Nürnberg: 958.
  • Hagemann (1866) American Journal of Science: 42: 268.
  • Brandl analysis in: Groth (1882) Zeitschrift für Kristallographie, Mineralogie und Petrographie, Leipzig: 7: 386.
  • Cross and Hillebrand (1883) American Journal of Science: 26: 283.
  • Krenner (1883) Mathematische und Naturwissenschaftliche Berichte aus Ungarn, Berlin, Budapest, Leipzig: 1: 151.
  • Baumhauer (1885) Zeitschrift für Kristallographie, Mineralogie und Petrographie, Leipzig: 11: 139.
  • Hillebrand (1885) USGS Bull. 20: 48.
  • Joly (1887) Proceedings of the Royal Society of london: 41: 250.
  • Mügge (1908) Centralblatt für Mineralogie, Geologie und бледноontologie, Stuttgart: 34.
  • Bøggild (1912) Zeitschrift für Kristallographie, Mineralogie und Petrographie, Leipzig: 50: 349.
  • Wallerant (1912) Bulletin de la Société française de Minéralogie: 35: 177.
  • Bernard (1916) Mineralogical Magazine: 14: 202.
  • Goldschmidt, V. (1918) Atlas der Krystallformen. 9 volumes, atlas, and text, vol. 5: 53.
  • Poduroff (1925) Mineralogicheskoe Obshchestvo, Leningrad, Zapiski: 54: 207.
  • Doelter, C. (1930) Handbuch der Mineral-chemie (in 4 volumes divided into parts): 4 : 303.
  • Doelter, C. (1931) Handbuch der Mineral-chemie (in 4 volumes divided into parts): 4 : 283, 289.
  • Cesàro and Mélon (1936) Bulletin Académie royale des sciences de Belgique, Brussels, Cl. Sc.: 362.
  • Menzer (1938) Naturwissenschaften: 26: 236.
  • Náray-Szabó and Sasvári (1938) Mat. Termés. Ért.: 57: 664.
  • Náray-Szabó and Sasvári (1938)Zeitschrift für Kristallographie, Mineralogie und Petrographie, Leipzig: 99: 27.
  • Zintl and Morawietz (1939) Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, Hamburg, Leipzig: 240: 145.
  • Birch, F. (1942)(editor) Handbook of Physical Constants, Chairman, J.F. Schairer, and H. Cecil Spicer. Geological Society of America, Special Paper 36, New York: 169, 231.
  • Tananaev and Lelchuk (1943) Comptes rendus de l’académie des sciences de l’U.R.S.S., n.s.: 41: 114.
  • Brosset (1946) Arkiv för Kemi, Mineralogi och Geologi, Stockholm: 21A, no. 9.
  • Palache, C., Berman, H., & Frondel, C. (1951), The System of Mineralogy of James Dwight Dana and Edward Salisbury Dana, Yale University 1837-1892, Volume II: Halides, Nitrates, Borates, Carbonates, Sulfates, Phosphates, Arsenates, Tungstates, Molybdates, Etc. John Wiley and Sons, Inc., New York, 7th edition, revised and enlarged: 110-113.
  • Canadian Mineralogist (1975): 13: 377-382.
  • Anthony, J.W., Bideaux, R.A., Bladh, K.W., and Nichols, M.C. (1997) Handbook of Mineralogy, Volume III. Halides, Hydroxides, Oxides. Mineral Data Publishing, Tucson, AZ, 628pp.: 145.

Электролиз Холла – Эру.

Заключительная стадия производства алюминия включает его электролитическое восстановление из чистой окиси алюминия, полученной в процессе Байера. Этот способ извлечения алюминия основывается на том (открытом Холлом и Эру) факте, что когда глинозем растворяется в расплавленном криолите, при электролизе раствора выделяется алюминий. Типичный электролизер Холла – Эру представляет собой ванну с расплавленным криолитом 3NaF Ч AlF3 (Na3AlF6) – двойным фторидом натрия и алюминия, в котором растворено 3–5% глинозема, – плавающим на подушке из расплавленного алюминия. Стальные шины, проходящие через подину из углеродистых плит, используются для подачи напряжения на катод, а подвешенные угольные бруски, погруженные в расплавленный криолит, служат анодами. Рабочая температура процесса близка к 950° С, что значительно выше температуры плавления алюминия. Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий. Для поддержания оптимальной температуры и концентрации глинозема в современных электролизерах применяются сложные системы управления. На производство алюминия расходуется очень много электроэнергии, поэтому энергетический КПД процесса – главная проблема в алюминиевой промышленности. Электродные реакции представляют собой восстановление алюминия из его окиси и окисление углерода до его окиси и двуокиси на анодах. Одна печь дает до 2,2 т алюминия в сутки. Металл сливается раз в сутки (или реже), потом флюсуется и дегазируется в отражательной копильной печи и разливается по формам.

Общие способы получения металлов.

Природные соединения металлов:

хлориды

сильвинит КСl ∙ NaCl, каменная соль NaCl;

сульфиды

серный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

карбонаты

мел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3,

доломит CaCO3 ∙ MgCO3;

сульфаты

глауберова соль Na2SO4 ∙ 10 H2O, гипс CaSO4 ∙ 2Н2О;

оксиды

магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3 ∙ Н2О.

нитраты

чилийская селитра NaNO3;

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией.

Способы получения металлов из руд.

При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

NaCl (расплав) Na+ + Cl-

катод Na+ + e à Na0 ¦ 2

 2Cl — — 2e à Cl20 ¦ 1

суммарное уравнение: 2NaCl (распл.) – (э. ток)à 2Na + Cl2

Современный способ получения алюминия был изобретен в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар.

Al2O3 (расплав) Al3+ + AlO33–

катод Al3+ +3e à Al 0 ¦ 4

анод 4AlO33– –12 e à 2Al2O3 +3O2 ¦ 1

суммарное уравнение: 2Al2O3(распл.) – (э. ток)à 4Al + 3O2 .

Алюмотермия

Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3

Получают железо, хром.

Восстановление оксидов металлов водородом (водородотермия):

Cu +2O + H2 (t)à Cu0 + H2O

Получают малоактивные металлы – медь, вольфрам.

Получение чугуна:

В вертикальной печи кокс окисляется до СО, затем происходит постепенное восстановление железа из руды:

3Fe2O3 + CO (t)à 2Fe3O4 + CO2 ,

Fe3O4 + 4CO (t)à 3FeО + 4CO2

FeO + CO (t)à Fe+ CO2

Восстановление углём (коксом):

ZnO + C (t)à Zn + CO

Получают цинк, никель.

3. Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O, затем проводят реакцию замещения:

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.

Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:

а) из сульфида – обжигом в кислороде: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

б) из карбоната – разложением: СаСО3 (t)à СаО + СО2

Чугун и сталь.

Производство железа основано на карботермическом восстановлении оксидных металлсодержащих руд.

1) Сульфидные и другие руды вначале подвергают окислительному обжигу: 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.

2)Восстановление оксидных руд осуществляется в доменных печах, при этом протекают следующие реакции:

3Fe2O3 + CO (t)àCO2 + 2Fe3O4, Fe3O4 + CO(t)àCO2 + 3FeO, FeO + CO(t)àCO2 + Feили FeO + C (t)àCO + Fe.

Полученное железо насыщено углеродом. 3)Затем происходит «выжигание» углерода в сталеплавильных или конверторных печах с образованием стали.

Изменения

Из-за значительной растворимости в воде выходы криолита напоминают обнажения каменной соли. Длительное воздействие растворов приводит к замещению криолита геарксутитом, которое происходит также и в отвалах, содержащих обломки криолита. Известно замещение криолита гипергенными минералами кремнезема. Продуктом гидротермального изменения криолита являются пахнолит и томсенолит; процесс начинается по трещинам отдельности и приводит к образованию агрегатов с кубическими ячейками или сплошных тонкозернистых агрегатов этих же минералов и других алюмофторидов Na, К, Mg, Ca. Обнаружены полые псевдоморфозы пахнолита и томсенолита по кристаллам криолита.

Возобновляемые электроды Содерберга.

В электролизере Холла – Эру угольные аноды расходуются со скоростью 2,5 см/сут, так что часто требуется установка новых анодов. Чтобы исключить частое вмешательство человека в производство, был разработан процесс с использованием возобновляемого электрода Содерберга. Анод Содерберга непрерывно образуется и спекается в восстановительной камере из пасты – смеси 70% молотого кокса и 30% смоляной связки. Эта смесь набивается в прямоугольную оболочку из листовой стали, открытую с обоих концов и расположенную вертикально над ванной с расплавом внутри печи. По мере расходования анода в верхнее отверстие оболочки добавляется паста. Когда коксосмоляная смесь опускается вниз и нагревается, она спекается в твердый углеродистый брусок прежде, чем достигает рабочей зоны.

Потребление алюминия.

Около 28% производимого алюминия идет на изготовление банок для напитков, пищевой тары и всевозможных упаковок. Еще 17% используется в транспортных средствах, включая самолеты, военную технику, железнодорожные пассажирские вагоны и автомобили. Около 16% применяется в конструкциях зданий. Примерно 8% используется в высоковольтных линиях электропередачи и других электрических устройствах, 7% – в таких потребительских товарах, как холодильники, кондиционеры воздуха, стиральные машины и мебель. На нужды машиностроения и промышленное оборудование расходуется 6%. Остающаяся часть потребляемого алюминия используется в производстве телевизионных антенн, пигментов и красок, космических кораблей и судов. См. также ХОЛЛ, ЧАРЛЗ МАРТИН.

Форма нахождения в природе

Облик кристаллов. Кристаллы псевдотетрагонального и псевдокубического облика, резко преобладают кристаллы, образованные m(110) и с(001) (слагают псевдокубы), реже развиты грани r(110), v(101) и k(101) , которые иногда достигают значительного развития с образованием псевдокубооктаэдров. Редко наблюдаемые кристаллы второй генерации более богаты формами и иногда образуют кристаллы необычного габитуса, уплощенные по (001). На гранях m(110) часто имеется штриховка, параллельная ребрам.
Встречаются параллельные ступенчатые сростки кристаллов.

Двойники минерала. Очень распространены двойники; зернистый криолит всегда полисинтетически сдвойникован. Насчитывается не менее 14 законов двойникования, значительная часть которых устанавливается только в зернистом криолите и объясняется, по мнению большинства авторов, воздействием механических напряжении, возникших при охлаждении высокотемпературного кубического β-криолита и при его превращении в моноклинную α-модификацию. Такие двойники воспроизводились экспериментально. В каждом зерне обычно сразу возникают двойники по нескольким законам. Общие геометрические закономерности этого явления рассмотрены многими авторами. Различные двойниковые законы, проявляясь совместно, повышают общую симметрию сростка до ромбической, тетрагональной или кубической. Диагностика различных типов двойников представляет большие методические трудности; указанные различными исследователями законы не всеми приняты.
Наблюдались следующие виды двойников (по Дана, 1951):

  1. двойниковая ось , вращение на 90°. Двойники срастания и прорастания обычны, иногда четверники. Двойникование по этому закону очень характерно для крупнозернистого минерала (так называемый «закон Баумхауэра»);
  2. двойниковая ось , вращение на 180°; повторные двойники наблюдаются в зернистом минерале, у отдельных кристаллов менее обычны. Искусственно получены при охлаждении нагретого камня;
  3. двойниковая ось , вращение на 120°; поверхность срастания неправильная. Искусственно получены при охлаждении нагретого минерала. В виде тонких пластинок обычны в зернистом криолите (так называемый «новый закон» Бёггильда);
  4. двойниковая ось , вращение на 180°; ромбическое сечение близко к (110). Двойники повторного типа. Редки, встречены только на кристаллах, в зернистом криолите неизвестны;
  5. двойниковая ось , вращение на 180°, плоскость срастания (001); встречены только в зернистом криолите, для которого обычны;
  6. по (100), поворот на 180° вокруг , плоскость срастания (100); встречены только в зернистом криолите; тонкие пластинки; обычны;
  7. двойниковая плоскость и плоскость срастания (112); встречены только в зернистом минерале; пластинки; обычны;
  8. двойниковая плоскость и плоскость срастания (112); встречены только в зернистом минерале; пластинки; обычны;
  9. двойниковая плоскость и плоскость срастания (110); пластинки; встречены только в крупнозернистом криолите с Урала;
  10. двойниковая ось , вращение на 180°; ромбическое сечение не является возможной гранью, но близко к (110); не были установлены Бёггильдом, но возможно, что это «закон d» Кроса и Хилебранда; встречаются только в зернистом криолите;
  11. но (211); один из новых законов Падурова; по-видимому, очень редки;
  12. двойниковая ось , вращение на 90°; очень близки к 9;
  13. двойниковая ось , вращение на 120°; очень близки к 8;
  14. двойниковая ось , вращение на 120°; очень близки к 7.

Для кристаллов-двойников наиболее обычен закон 1-й, менее 2-й и 4-й. Двойники по другим законам встречены только в зернистом камне.
По-видимому, существуют эпитаксические срастания между высокотемпературным кубическим p-криолитом и криолитионитом; ориентировка минералов в сростках не установлена. Искусственно получены эпитаксические срастания с тенардитом.

Агрегаты. Зернистые выделения, отдельные зерна, кристаллы, фарфоровидные выделения в смеси с опалом.

Растворимость — криолит

Зависимость коэффициента фильтрации от концентрации исходного раствора фторида алюминия. Температура реакционной среды в процессе осаждения.

Растворимость криолита в исследуемом интервале температур мала. Поэтому изменение размера частиц в соответствии с уравнением Гофера не должно изменить характеристики процесса фильтрации.

Растворимость криолита в воде при 25 равна 0 417 г, а при 16 — 0 35 г в 1000 г раствора.

Так как растворимость железного криолита мала, то ее определение требует применения достаточно чувствительного метода. Для этой цели был использован радиометрический метод.

Бесспорно, что старые данные о растворимости криолита требуют уточнения.

Введение в раствор хлорида натрия понижает растворимость криолита. Метод отличается высокой селективностью: присутствие м фганца, меди, кобальта, никеля, железа не мешает определению содержания алюминия. В случае осаждения из сернокислых растворов в присутствии комплексообразующих веществ допустимы ограниченные содержания титана, циркония, молибдена, ниобия, ванадия, вольфрама.

Тананаев и Талипов нашли, что растворимость криолита чрезвычайно резко снижается присутствием фтористого натрия: в 0 1 М NaF растворимость криолита.

Тананаев и Талипов нашли, что растворимость криолита чрезвычайно резко снижается присутствием фтористого натрия: в 0 1 М NaF растворимость криолита.

Название криолит ( в переводе с греческого означает ледяной камень) дано вследствие внешнего сходства со льдом природного минерала, применяемого в технике наряду с искусственным. Растворимость криолита в воде при 25 равна 0 417 г, а при 16 — 1) 35 г в 1000 г раствора.

По растворимости других ( кроме арсената свинца) ядовитых остатков имеются данные только для криолита, которые показывают, что ни слабая соляная кислота, ни силикат натрия не дают удовлетворительных результатов. Добавка хлористого натрия к соляной кислоте уменьшает растворимость криолита; соли борной кислоты, а также соли алюминия и железа увеличивают его растворимость.

Название криолит ( в переводе с греческого означает ледяной камень) дано вследствие внешнего сходства со льдом природного минерала, применяемого в технике наряду с искусственным. Криолит плавится при 1011 С. Растворимость криолита в воде при 25 С равна 0 417, а при 16 С — 0 35 г в 1000 г раствора.

Название криолит ( в переводе с греческого означает ледяной камень) дано вследствие внешнего сходства со льдом природного минерала, применяемого в технике наряду с искусственным. Криолит плавится при 1011 С. Растворимость криолита в воде при 25 С равна 0 417 г, а при 16 С — 0 35 г в 1000 г раствора.

Температуры кипения и.

Название криолит ( в переводе с греческого означает ледяной камень) дано вследствие внешнего сходства со льдом природного минерала, применяемого в технике наряду с искусственным. Криолит плавится при 1011 С. Растворимость криолита в воде при 25 равна 0 417 г, а при 16 — 0 35 г в 1000 г раствора.

В этом случае ни алюминий, ни фторид не вступают в электродную реакцию. После превращения всего алюминия в труднорастворимый криолитный комплекс фторид связывает ионы Ре3 в комплекс, и диффузионный ток Ре3 исчезает, что указывает на конец титрования. Для уменьшения растворимости криолита предлагается титровать в растворе, содержащем 50 % этанола. Этот метод использован для определения алюминия в высоколегированных сплавах , в медных сплавах , в хромитах , в глинах и шамотах с применением вращающегося платинового электрода.

Чистый криолит

Чистый криолит 3NaF A1F3, или Na3AlF6 представляет собой двойную фтористую соль натрия и алюминия. Криолит является необходимой составной частью шихты в производстве алюминия, так как в расплавленном состоянии он хорошо растворяет окись алюминия; при этом создаются благоприятные условия для получения алюминия электролизом при сравнительно невысоких температурах. В качестве добавки к криолиту при электролитическом получении алюминия применяется также фтористый алюминий А1Рз, служащий для поддержания определенного состава электролита. Криолит применяется также в стекольной промышленности для получения белых стекол, в производстве эмалей и в незначительных количествах в качестве инсектофунгисида.

Температура плавления чистого криолита равна 977 С, а окиси алюминия — 905 С.

Диаграмма системы.

С повышением температуры плотность криолито-глиноземного расплава, как и чистого криолита, понижается. Плотность алюминия с повышением температуры понижается медленнее, чем плотность криолито-глиноземных расплавов.

При электролизе криолито-глиноземных расплавов анодная плотность тока выше критической плотности тока для чистого криолита, поэтому наиболее характерно анодный эффект проявляется при электролизе криолито-глиноземных расплавов.

До конца 40 — х годов советские алюминиевые заводы работали с электролитами, которые по своему составу отвечали практически чистому криолиту с растворенным в нем глиноземом.

Потери алюминия в криолито-глиноземных расплавах, содержащих Сар2 и MgF2 ( на 100 г расплава.

За 1 час потерн алюминия в хлориде натрия составляли всего 0 062 г, в то же время в чистом криолите — около 1 г. Однако добавка в криолиту хлорида натрия, по-видимому, понижает межфазное натяжение расплава на границе с металлом. Поэтому при небольшой концентрации хлорида натрия вследствие снижения межфазного натяжения потери металла растут, и только при концентрации хлорида около 20 % потери заметно уменьшаются в результате снижения химической активности солевой фазы.

При повышении содержания NaF степень гидролиза расплава понижается. В чистом криолите константа равновесия реакции (4.36) при температуре электролиза равна 0 0114 и равновесные концентрации HF и Н2О составляют 10 2 и 89 8 % ( об.) соответственно. Таким образом, 1 кг Н2О реагирует с 0 17 кг A1F3 с образованием 0 12 кг HF. Если глинозем, поступающий в электролит, содержит 0 1 % ( мае.

Образующийся криолит выпадает в осадок. Для получения относительно чистого криолита, применяемого в алюминиевой промышленности ( содержащего не более 0 45 — 0 5 % SiO2 — f — Fe2O3), необходимо применять возможно более чистые плавиковую кислоту и гидрат окиси алюминия. Эти строгие требования объясняются тем, что незначительные примеси кремния и железа резко ухудшают физико-механические свойства металлического алюминия.

Электролиз тугоплавких оксидов часто проводят, растворяя их в более легкоплавких галогенидах. Для получения алюминия подвергают электролизу раствор оксида алюминия в расплавленном криолите NaaAlFe. Это делается для понижения-температуры расплава, подвергаемого электролизу: чистый оксид алюминия ( корунд) плавится при 2050 С, чистый криолит — при 1009 С, а смесь криолита с 10 5 % оксида алюминия — при 961 С. Анод изготовляется из угля, поэтому выделяющийся при электролизе кислород реагирует с материалом анода, образуя смесь СО и ССЬ. Катодом же служит собирающийся на дне электролизной ванны расплавленный алюминий.

ФизикаУчебник для 10-11 классов

§ 3.6. Техническое применение электролиза

Электролиз находит широкое применение в технике. Рассмотрим лишь некоторые примеры наиболее важных технических применений электролиза.

Гальваностегия — покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т. д.) с целью предохранения от окисления и придания изделию привлекательного внепгнего вида.

Предмет, подлежащий покрытию, тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают в качестве катода в электролитическую ванну, содержащую раствор соли того металла, которым должен быть покрыт данный предмет (рис. 3.8). Анодом служит пластинка из того же металла. Для более равномерного покрытия обычно применяют две пластинки в качестве анода, помещая предмет между ними (см. рис. 3.8).

Рис. 3.8

Гальванопластика — электролитическое изготовление копий с рельефных предметов (медалей, гравюр, барельефов и т. д.). С рельефного предмета делают восковый или иной слепок. Затем поверхность слепка покрывают тонким слоем графита, чтобы она стала проводящей. В таком виде слепок используется в качестве катода, который опускают в электролитическую ванну с раствором медного купороса. Анодом служит медная пластинка

Когда на слепке нарастет достаточно толстый слой меди, электролиз прекращают и воск осторожно удаляют. Остается точная медная копия оригинала

В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с оттиска набора на пластичном материале (матрица), осаждая на матрицах толстый слой железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.

Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати и с большим числом иллюстраций.

Осаждая металл на длинный цилиндр, получают трубы без шва.

Процесс получения отслаиваемых покрытий был разработан русским ученым Б. С. Якоби, который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора (в Санкт-Петербурге).

Рафинирование меди

В § 3.1 мы говорили о роли металлических проводников в современной электротехнике. Медь является лучшим материалом для изготовления проводников, но для этого она должна быть лишена каких бы то ни было примесей (см. § 2.4). Очищение меди от примесей называется рафинированием (очисткой) меди. Массивные куски (толстые листы) неочищенной меди, полученной при выплавке из руды, являются анодом, а тонкие пластинки из чистой меди — катодом. Процесс происходит в больших ваннах с водным раствором медного купороса. При электролизе медь анода растворяется; примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно в виде осадка (шлама), а на катоде оседает чистая медь. Таким же образом производят рафинирование некоторых других металлов.

Получение алюминия

При помощи электролиза получают алюминий. Для этого подвергают электролизу не растворы солей этого металла, а его расплавленные оксиды.

В угольные тигли (рис. 3.9) насыпают глинозем (оксид алюминия Al2O3), полученный путем переработки бокситов — руд, содержащих алюминий. Тигель служит катодом. Анодом являются угольные стержни, вставленные в тигель. Сначала угольные стержни опускают до соединения с тиглем и пропускают сильный ток. Глинозем при прохождении тока нагревается и расплавляется. После этого угли поднимают, ток проходит через жидкость и производит электролиз. Расплавленный алюминий, выделяющийся при электролизе, опускается на дно тигля (катод), откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

Рис. 3.9

Описанный способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту металлом.

Путем электролиза расплавленных солей в настоящее время получают также натрий, калий, магний, кальций и другие металлы.

Электролиз используется для гальваностегии, гальвано-пласт,ики, рафинирования меди, получения алюминия и др.

Процесс Байера.

Процесс получения чистой окиси алюминия включает нагревание боксита с едким натром, фильтрование, осаждение гидроокиси алюминия и ее прокаливание для выделения чистого глинозема. На практике руда смешивается с нужным количеством горячего едкого натра в автоклаве из низкоуглеродистой стали, и смесь прокачивается через ряд стальных сосудов с паровой рубашкой. В сосудах поддерживается давление пара 1,4–3,5 МПа в течение времени от 40 мин до нескольких часов, пока не завершится переход окиси алюминия из боксита в раствор алюмината натрия в перегретой жидкости. После охлаждения твердый осадок отделяется от жидкости. Жидкость фильтруется; в результате получается пересыщенный чистый раствор алюмината. Этот раствор метастабилен: алюминат-ион разлагается с образованием гидроокиси алюминия. Добавление в раствор кристаллической гидроокиси алюминия, остающейся от предыдущего цикла, ускоряет разложение. Сухие кристаллы гидроокиси алюминия затем прокаливаются для отделения воды. Получающийся безводный глинозем пригоден для использования в процессе Холла – Эру. По экономическим соображениям в промышленности эти процессы стремятся делать по возможности непрерывными.

Месторождения минерала

В природе существует не так много мест, богатых скоплениями криолита. В промышленных масштабах его добывают лишь в одной точке мира – шахтерское поселение Ивиттуут, расположенное в Западной части Гренландии. Массовыми залежами высококачественного криолита славятся земли Новой Зеландии. Единичные месторождения криолита располагаются в Германии, США. Канаде, Намибии, Нигерии и Украине.

В России, по сравнению с показателем потребности, объемы добываемого криолита предельно малы. Скопления минерала встречаются в Мурманской области, на Южном Урале в окрестностях Ильменских гор, а также в юго-западной области Приморского края.

Что такое криолит

Криолит – это камень чаще всего белого цвета, внешне похожий на кусок льда. Именно из-за своих внешних данных минерал и получил название криолит, что в переводе с греческого означает – «морозный камень».

Впервые камень был найден в Гренландии датским ученым П. Х. Абильдгором в середине XVIII века. Минерал образуется в интрузивных магматических горных породах, обогащенных фтором. В природе подобные горные породы встречаются редко, известно всего 4 основных месторождения камня:

  1. Новая Зеландия – самое крупное месторождение, в котором добывают 70 % камня.
  2. Гренландия – второе по величине месторождение, экземпляры добытые там отличается высоким качеством и степенью чистоты.
  3. США – самое молодое месторождение, открыто в конце XX века.
  4. Россия (Урал) – самое малочисленное месторождение.

Искусственный криолит выпускается трех марок:

  1. Марка КА (К1) – минимум примесей в составе, используется для производства алюминия.
  2. Марка КАэ – для производства электровакуумного стекла.
  3. Марка КП – для производства стекла, изготовления абразивов и для других целей.

Для получения искусственного криолита используются:

  • фторид кальция (плавиковый шпат);
  • угольная пена.

Уход за камнем

Криолит – это хрупкий минерал, не устойчивый к внешним воздействиям. Чтобы он сохранил свои эстетические и физические свойства, следует придерживаться основных правил ухода за ним:

  • ни в коем случае не хранить камень с другими минералами, для этого нужно использовать отдельную шкатулку с тканевой обивкой;
  • не оставлять криолит под прямыми солнечными лучами;
  • не допускать попадания на поверхность камня влаги, особенно капель росы и дождя;
  • снимать камень во время физических нагрузок;
  • для очистки использовать сухую фланелевую салфетку, не использовать средства, содержащие абразивы или кислотные составы.

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Точечная группа 2/m — Prismatic
Сингония Моноклинная
Параметры ячейки a = 7.7564(3) Å, b = 5.5959(2) Å, c = 5.4024(2) Å
β = 90.18°
Отношение a:b:c = 1.386 : 1 : 0.965
Число формульных единиц (Z) 2
Объем элементарной ячейки V 234.48 ų (рассчитано по параметрам элементарной ячейки)
Двойникование Very common. Often repeated or polysynthetic with simultaneous occurrence of several twin laws, and reflecting the pseudo-Кубическая symmetry of the cell cm.1. By a 90° or 270° rotation on , penetration, common.2. By a 180° rotation on , rhombic section (110), repeated, less common.3. By a 120° rotation on , composition surface irregular; common, especially in granular material, as fine lamellae and probably always secondary.4. By a 180° rotation on , rhombic section near (110), repeated; rare (not in granular material).5. On (001) or by a 180° rotation on , composition plane (001).6. On (100) or by a 180° rotation on , composition plane (100).7. On (112), composition plane (112).8. On (112), composition plane (112).9. On (110), composition plane (110).10. By a 180° rotation on , rhombic section near (110).11. On (211).(Palache et al (1951), Dana’s System of Mineralogy, 7th. ed., vol. 2: 111).

5.1. Производство алюминия

Получение
алюминия базируется на трех независимых,
но тесно связанных производствах:
непосредственно электролизном, подготовки
сырья и производстве анодов (или анодной
массы).

Алюминий
получают электролизом глинозема —
мелкодисперсного оксида алюминия Al2O3:

2

В
природе в чистом виде глинозем не
встречается, наиболее богатыми оксидом
алюминия рудами являются бокситы,
нефелины и каолин. Однако в состав этих
минералов входят также оксиды и гидроксиды
железа, кремния, кальция, титана и других
более электроположительных элементов,
способных восстанавливаться на катоде
параллельно алюминию и загрязнять его.
Поэтому, на первом этапе подготовки
сырья необходимо удаление этих примесей,
а на втором — сушка продукта, так как
примесь воды резко уменьшает выход по
току алюминия и нарушает технологический
процесс электролиза.

Анодный
материал, применяемый в производстве
алюминия, должен иметь высокую
электропроводность, стойкость к действию
глиноземно-криолитового расплава,
инертность по отношению к алюминию,
быть механически прочным, дешевым и
доступным. В качестве анодного материала
в настоящее время используется уголь,
отвечающий практически всем
выше
перечисленным требованиям, кроме одного.
Угольный анод интенсивно сгорает при
выделении на нем кислорода:

С
+ О2
= СО2

СО2
+ С = СО

Сгорание
анода при электролизе (на 2 см в сутки)
требует постоянной регулировки
межэлектродного расстояния и пополнения
массы анода. Все имеющиеся на сегодня
конструкции алюминиевых электролизеров
определяются именно этими требованиями.
Значительно упростить конструкцию и
ее обслуживание можно только при условии
создания принципиально нового анодного
материала. Наиболее перспективным
является металлокерамический электрод,
спеченный из тугоплавких оксидов
металлов, обладающих электронной
проводимостью при высоких температурах.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.