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1、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，此外还有明矶石等，世界铝土矿总储量 320亿吨以上，我国、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
2、中生产氧化铝，实质上是将矿石中的Al O与SiO、FeO、TiO等杂质232232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1 1。原子序数13密度（g/cm3）2.699（固）、2.3（液）原子价+ 3溶点（C）659沸点（C）2467熔化盐（J/ g）386.6导热系数(J/cm SC)2.08 (固，20C)、2.18 (固，200C)导电系数(IO-4Q-1 cm-i)3637 (20C)电化学当量(g/A h)0.3356(A h/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
3、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
4、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。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
5、出来却是不到二百 年前的事。1825年丹麦的厄尔施泰（HC Oersted）在实验室中用钾汞齐 还原无水氯化铝（AlCl ），在世界上第一次得到铝。1845年法国人戴维尔3（HS Deville）用钠还原NaClAlCl混合盐也得到金属铝，并在法国进3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一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
6、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，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
7、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+Al3 + = 3Al +Al+6Na +=Al3+3Na +2b. 在碱性电解质中，铝与氟化钠发生置换反应。Al + 3NaF=AlF +3Na +32c. 铝以电化学反应形式直接溶解进入电解质熔体中。Al（液）一e=Al + 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+e = Na在碱性电解质中，溶解
8、的铝也可能发生下列反应而置换出钠。Al+6NaF=NaAlF+3Na36析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极碳素衬吸收，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（AlC ）的生成：4 3在高温条件下，铝可与碳发生反应生成碳化铝4Al+3C=Al C4 31.3.2阳极过程1.3.2. 1阳极主反应302-（络合的）+ 1.5C-6e=1.5 C021.3.2.2阳极副反应A、C0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
9、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02-离子放电，连续析出C0和C0气体。由于阳极表面总是新鲜的，电解2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COF或CF。因此，改变了阳极气体成分的同时，也改变了阳极的24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
10、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AL O含量降低，使阳极临界电流密度下降，电解质23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
11、。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，组成的冰晶石一氧化 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。冰晶石一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
12、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1020C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
13、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：Q-icm-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2.132.22Q-1 cm-1围，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，也称摩擦力，单位为 PaS（帕秒）。熔体质点间相对运行的
14、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3X10-3PaS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，而且加快 氧化铝在电解质中的沉降速度，造成槽沉淀。1.6铝电解的基本流程教授方法：课堂讲授、讨论、提问课外作业：1-1、什么是铝，它有哪些主要性质和用途？1-3铝电解的基本过程是怎样的？阴极和阳极上发生怎么样的反应？1-6什么是电解质的酸碱度，它有哪些表示方法？1-9铝电解的基本流程怎样？本章小结：本章主要介绍了铝的电解质性质，分析了铝电解的两极反应和两极副反应，详细介绍了电解质的性质和电解的基本流程。教后反馈：
