【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第四章鋁

§4-3鋁在自然界里的存在，鋁的冶煉法

【01】在本章一開始時就已講過，鋁是自然界里含量最多、分布也最廣的一種金屬元素。在地殼中，鋁主要存在于鋁硅酸鹽中，例如高嶺土Al?O?·2SiO?·2H?O、長石K?O·Al?O?·6SiO?、云母K?O·3Al?O?·6SiO?2H?O等。最重要的鋁礦物是鋁土礦（Al?O?·xH?O，其中x=1或3）、冰晶石3NaF·AlF?、明礬石KAl(SO?)?·12H?O和霞石Na?O·K?O·Al?O?·2SiO?等，它們都是煉鋁的重要原料。

【02】鋁在自然界的存在量雖然十分豐富，但金屬鋁的冶煉歷史卻很短，最初是在1827年用金屬鉀還原熔融的無水氯化鋁而制得。由于鉀的價格很高，因此當時鋁比黃金還要昂貴。直到19世紀末發(fā)明了電解法制鋁，以及用氧化鋁-冰晶石為原料以后，鋁的產(chǎn)量迅速增高，鋁的價格也大幅度的下降，成為一種普遍應(yīng)用的金屬材料。

【03】現(xiàn)在工業(yè)上煉鋁主要分成兩個階段，即(1)以鋁土礦制取純凈的氧化鋁和(2)電解熔融的氧化鋁?，F(xiàn)分述如下：

1、從鋁土礦提取純凈的氧化鋁

【04】冶煉鋁所用的鋁土必須十分純凈。但天然的鋁土礦里常混有鐵和硅的氧化物，電解時，鐵和硅都會被還原出來而混在鋁里面，影響鋁的質(zhì)量。因此在用鋁土礦煉鋁之前，必須先進行提純。

【05】從鋁土礦提取純氧化鋁的方法，首先是將磨碎的天然鋁土礦和氫氧化鈉溶液一起共熱，礦石里的氧化鋁被氫氧化鈉溶解，變?yōu)榭扇苄缘钠X酸鈉：

【06】或

【07】然后濾去不溶性的殘渣（硅、鐵、鈦等雜質(zhì)），并在濾液里通入二氧化碳氣體，即有氫氧化鋁的沉淀析出：

【08】或

【09】最后，把所得的氫氧化鋁在高溫(1200℃)下煅燒，使它分解，即得干的、純凈的氧化鋁：

2、電解氧化鋁

【10】純凈氧化鋁的熔點高達2050℃，要使它熔化，然后進行電解是很困難的?，F(xiàn)在工業(yè)上都用冰晶石（Na?AlF?，是氟化鈉和氟化鋁組成的復(fù)鹽）做熔劑。在電解時，先把冰晶石熔化（冰晶石的熔點約為1000℃），再把純凈的氧化鋁溶解在里面。把熔融的冰晶石和氧化鋁的混和物作為電解質(zhì)，這種混和物的熔點比純的冰晶石或氧化鋁都要低，電解時只要維持940~960℃的溫度就能正常進行生產(chǎn)。

【11】電解熔融冰晶石-氧化鋁的過程很復(fù)雜，冰晶石雖然參加反應(yīng)，但反應(yīng)前后仍保持不變。現(xiàn)在對這一反應(yīng)的過程還沒有一致的說法，我們這里只能簡單說明電解過程總的化學(xué)方程式以及兩極上的生成物：

【12】液態(tài)鋁在陰極析出，氧氣從陽極放出。如果陽極用石墨等碳素材料制成，在電解時的溫度下，碳跟生成的氧氣就發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化碳或二氧化碳氣體。一氧化碳又會燃燒生成二氧化碳。

【13】工業(yè)上冶煉鋁，就根據(jù)上述反應(yīng)的原理和條件，設(shè)計成一個專門電解氧化鋁的電解槽（圖4·3）。

【14】電解槽的構(gòu)造主要分成兩個部分：

【15】(1)電解槽的下部是一個長方形的平底槽，用來盛熔融電解質(zhì)和制得的金屬。槽身用鋼板制成，內(nèi)襯耐火磚。由于耐火磚的原料是二氧化硅或氧化鎂（硅磚或鎂磚），在高溫時它們都能跟氧化鋁起反應(yīng)，所以又把碳塊和碳板砌在槽底和槽側(cè)。

【16】在槽底碳塊之間插有鋼棒，鋼棒的一端伸出槽外，與直流電源的負極相連接，因此整個碳襯和鋼棒組成電解槽的陰極。電解時生成的液態(tài)鋁沉積在槽底碳塊上。

【17】(2)電解槽的上部是陽極裝置。陽極外殼用鋁制成，也呈長方形，上下無底，懸掛在支架上。陽極鋁殼里注入碳糊。碳糊是用石油焦、瀝青焦（這是石油和煤焦油干餾后得到的干渣）等跟粘結(jié)劑（瀝青）混和而制成。從鋁殼側(cè)面插入幾排鋼棒，鋼棒的一端在碳糊里，另一端留在鋁殼外，與電源的正極相連接。由于陽極下部接觸的溶融電解質(zhì)的溫度很高，所以碳糊就發(fā)生燒結(jié)，變成堅硬的一整塊。陽極中部的碳糊受熱以后，也變得稠厚起來。

【18】在電解時陽極生成的氧氣，不斷跟碳素發(fā)生反應(yīng)，把陽極下部碳素逐漸燒去，同時鋁殼逐漸熔化，因此陽極要定時下降，以保證陽極跟熔融電解質(zhì)接觸。陽極上部鋁殼可以接長，碳糊可以添加，把陽極下部鋼棒拔出插入上部碳糊里。這樣就構(gòu)成一個連續(xù)自動焙燒陽極裝置。

【19】電解氧化鋁時，陽極生成氧氣，陰極生成液態(tài)鋁。為什么在電解槽里不設(shè)置隔膜，以防止兩極生成物相遇而化合呢？這是因為生成的液態(tài)鋁的比重較熔融的電解質(zhì)大，它們沉積在槽底，上面有溶融的電解質(zhì)把液態(tài)鋁跟氧氣隔開，所以氧化鋁電解槽內(nèi)不需要設(shè)置隔膜。

【20】治煉鋁需要消耗大量的電，制取一噸鋁大約要一萬七千到二萬度電。因此，努力設(shè)法減低電能的消耗，對降低鋁的成本有著重大意義。

習題4-3

1、用化學(xué)方程式表示從鋁土礦提取純凈氧化鋁的反應(yīng)。

2、根據(jù)下表比較煉鋁工業(yè)和制燒堿工業(yè)：

3、為什么氧化鋁電解槽不設(shè)置隔膜，而食鹽溶液電解槽要設(shè)置隔膜？