При повышении температуры электропроводность электролита возрастает

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ФАРАДЕЯ

В 1832 году Фарадей установил, что масса M вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду Q, прошедшему через электролит:

  I  - сила тока, проходящего через границу раздела

  t  - продолжительность прохождения тока (электролиза)

κ – коэффициент пропорциональности, называемый электрохимическим эквивалентом и показывающий, какое количество вещества претерпело превращение при прохождении через границу единицы количества электричества

На основании многочисленных опытов Фарадей пришёл к выводу, что электрохимический эквивалент является величиной, характерной для каждого вещества. Так, например, при электролизе раствора азотнокислого серебра AgNO₃, 1 кулон (1Кл=1/3600А·час) выделяет 1,1180 мг серебра. Точно такое же количество серебра выделяется при электролизе зарядом 1 Кл любой другой серебряной соли. При электролизе соли другого металла 1Кл выделяет другое количество данного металла. Таким образом, электрохимическим эквивалентом какого-либо вещества называется масса этого вещества, выделяемая при электролизе 1 кулоном протекшего через электролит электричества.

Электрохимический эквивалент алюминия равен мг/Кл (0,336)

Для измерения количеств веществ, участвующих в химических реакциях, выбрана особая единица – моль. Чтобы отмерить один моль вещества, нужно взять столько граммов его, какова его относительная молекулярная масса. Например, 1 моль воды (Н₂О) равен 18 граммам (1+1+16=18), моль кислорода О₂ – 32 грамма (16+16=32), моль железа Fe – 56 граммов, алюминия Al – 27 граммов.

Один моль NaF = 23+17 = 40г. Один моль AlF₃ = 27 + 17 +17 +17 = 78 г.

Особенно важно, что 1 моль любого вещества всегда содержит одинаковое число молекул.

АЛЮМИНИЙ

Алюминий является постоянной составной частью клеток и тканей организма. В среднем его содержание в теле человека составляет 70 - 190 мг, в цельной крови - 0,5 - 0,7 мг/л, в плазме - 85,24 моль/л.
Монокристаллы окиси алюминия с небольшими добавками красящих окислов – это и ярко- красный рубин и сияющий синий сапфир – драгоценные камни первого – высшего порядка. Цвет им придают: сапфиру – ионы железа и титана, рубину – хрома.

 

Природный алюминий состоит только из одного «сорта» атомов – изотопа с массовым числом 27

 

8,80% массы земной коры составлены алюминием

 

При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета «Сатурн» сжигает за время полета 36 т алюминиевого порошка.

· Атомный вес Al = 27

· III группа в таблице Менделеева, порядковый № 13

· Валентность Al = 3

· Химический эквивалент Al = 9(Химический эквивалент = Ат вес/валент =27/3= 9);

· 1 грамм-эквивалент Al = 9гр Al

ПЛОТНОСТЬ АЛЮМИНИЯ = при 20⁰С = 2,7 г/см³;   при 960⁰С = 2,3 г/см³

          ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ = 660⁰С

          ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ АЛЮМИНИЯ = 2500⁰С

 

 

Содержание примесей в алюминии-сырце

Марка	Содержание примесей не более (ppm) (1 ppm=0.0001%)
	Si	Fe	Cu	Mg	Ti	Cr	Mn	Zn	V
4N6	10.0	10.0	12.0	5.0	0.30	0.30	0.30	3.0	0.30
3N8	50.0	50.0	50.0	10.0	5.0	3.0	3.0	5.0	3.0

 

Марка металла	Содержание примесей не более %
	Fe	Si	Cu	Прочие примеси (каждой в отдельности)	Алюминий не менее %
А 995	0,0015	0,0015	0,001	0,001	99,995 99,99 99,98 99,97 99,95	АВЧ
А99	0,003	0,003	0,0020	0,001
А98	0,006	0,006	0,0020	0,001
А97	0,015	0,015	0,005	0,002
А95	0,025	0,020	0,010	0,005
А 85	0,08	0,06	0,01	0,02	99,85
А8	0,12	0,10	0,01	0,02	99,80
А7	0,15	0,15	0,01	0,02	99,70
А7Э	0,20	0,10	0,01	0,03	99,70
А 6	0,25	0,20	0,01	0,03	99,60
А5	0,30	0,25	0,02	0,03	99,50
А35	0,65 (Si+Fe)		0,05	0.03	99,35
А0	0,95 (Si+Fe)		0,05	0,03	99,00
АВ97	2,5	1,0	0,1	0,1	97,00
АВ91	5,0	3,0	3,0	0,3	91,00
АВ87	7,5	5,0	3,3	0,3	87,00

 

ЭЛЕКТРОЛИЗ

ЭЛЕКТРОЛИЗ – это разложение вещества под действием тока

ЭЛЕКТРОЛИЗ – это процессы, идущие на электродах под действием постоянного тока

 

Основы электролиза криолитоглинозёмных расплавов

В основе электролитического производства алюминия лежит электролиз криолито-глинозёмных расплавов, основными компонентами которых являются: криолит (Na₃AlF₆), фтористый алюминий (AlF₃) и глинозём (Al₂O₃).

Основой электролита служит криолит(Na₃AlF₆), который является наилучшим растворителем глинозёма. Различные добавки к электролиту изменяют его физико-химические свойства и влияют на технологические параметры работы электролизёра.

 

 

Необходимыми добавками, используемыми в промышленности, являются фтористый алюминий AlF₃ (от 2 до 10% масс) и фтористый кальций CaF₂ (до 7% масс). Обе эти добавки снижают точку плавления электролита.

Расплавленный криолит (Na₃AlF₆), являющийся хорошим растворителем глинозёма – главный компонент электролиза. Для улучшения свойств электролита и снижения температуры его кристаллизации, а, следовательно, снижения температуры процесса и затрат электроэнергии, в расплав вводятся различные добавки. Естественно в состав электролита входит и глинозём (от 1 до 10% по массе). Для характеристики состава электролита используется понятие «криолитовое отношение» (КО). Это число молей фтористого натрия (NaF), приходящихся на один моль фтористого алюминия (AlF₃). Химическую формулу криолита Na₃AlF₆ можно написать в другом виде:

Na₃AlF₆=3NaF/AlF₃

Тогда легко определить КО криолита:

3NaF∕AlF₃=3 

Электролит с КО=3 называют нейтральным. Если электролит содержит избыток AlF₃, то КО меньше трёх – такой электролит называют кислым. Если же КО больше 3, то есть содержится избыток NaF, то электролит щелочной. В последнее время пользуются электролитом, который содержит в своём составе порядка 15% избытка AlF₃, что соответствует КО 2,3-2,5.

При снижении КО электропроводность электролита снижается.

 

Температура электролита при нормальном технологическом режиме электролиза от 950˚С до 965˚С.

На практике, в среднем по всем законам, для получения 1 тонны алюминия необходимо:

· • глинозёма _______________________1925-1930 кг

· • углерода анода ___________________500-600 кг

· • фтористых солей __________________50-70 кг

· • электроэнергии (в переменном токе) __14500 – 17500 кВт ч.

· Теоретический расход глинозёма – 1889 кг/т Al

В электролите можно растворить не более 8 – 10% глинозёма.

СУЩНОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

· заключается в том, что глинозем Al²O³, растворяясь в электролите, распадается (диссоциирует) на ионы алюминия (Al³⁺) и кислорода (О^2-).

· ионы алюминия восстанавливаются на катоде с образованием трехвалентного алюминия

· ионы кислорода окисляются на аноде с образованием анодных газов СО и СО₂.

ПРОЦЕССЫ НА ЭЛЕКТРОДАХ:

КАТОД:

ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС: восстановление ионов алюминия Al³⁺ + 3e^- = Al.

ПОБОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ:   восстановление ионовметаллов, более электроположительных, чем Al: Fe, Si, Cu, Zn и др.;растворение Al в электролите (Al+CO₂=Al₂O₃+СО);восстановление ионов Na; карбидообразование (4 Al+3C=Al₄C₃)

АНОД:

ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС: разряд ионов кислорода и окисление углерода анода с образованием СО и СО₂

ПОБОЧНЫЙ ПРОЦЕСС: разряд ионов фтора с образованием СF₄ и С₂F₆ при анодном эффекте.

Глинозём (Al₂O₃), при растворении в криолите, диссоциирует на катионы Al³⁺ и анионы O^2-.

На границе раздела алюминий-электролит протекает реакция восстановления ионов трёхвалентного алюминия.

          Al³⁺ + 3е → Al   

На угольном аноде происходит разряд кислородсодержащих ионов с образованием окислов CO и СО

2O^2-– 4e + C → CO₂ ↑

 

 

или         CO₂+ C → 2CO ↑

 

Если суммировать катодные и анодные реакции, протекающие при разложении глинозёма, то процесс электролиза можно записать в таком виде:

           Al₂O₃ + 2C → 2Al + CO₂ ↑ + CO ↑

 

Процесс электролиза непрерывный: в электролит загружают глинозем в анод анодную массу (или меняют блоки ОА); в электролит загружают криолит, фторсоли.

На катоде накапливается Al, который ежесуточно выливают из ванны, на аноде образуются газы: CO, CO₂, СF₄ и С₂F₆ , которые подлежат очистке в газоочистных установках (ГОУ)