فرایند هال و استخراج آلومینیوم

چکیده:

یکی از ارزشمندترین و پرکاربردترین فلزها آلومینیوم است. برای تهیه آلومینیوم در صنعت از سلول الکترولیتی ویژه ای طی فرایندی به نام فرایند هال استفاده می شود. در این مطلب به توضیح چگونگی استخراج آلومینیوم و مراحل فرایند هال می پردازیم.

شرح درس:

آلومینیوم فراوان ترین فلز و سومین عنصر فراوان در پوسته ی زمین است که در طبیعت به صورت آزاد وجود ندارد. برای تهیه  فلز آلومینیوم باید از فرایند برقکافت استفاده کنیم. اما آلومینیوم را نمی توان از برقکافت محلول آبی نمک های آن به دست آورد زیرا مولکول های آب نسبت به یون های AL³⁺  اکسنده ی قوی تری هستند و در رقابت کاتدی برنده می شوند. در صنعت، آلومینیوم را از سنگ معدن آلومینیوم داری به نام بوکسیت (آلومینای ناخالص) (AL₂O₃) به دست می آورند. ناخالصی های بوکسیت را به طور عمده، Fe₂O₃ و SiO₂ تشکیل می دهند.

از آنجا که نقطه ی ذوب آلومینای خالص بسیار بالا و در حدود 2045°c  است، تأمین این دما و برقکافت آن به حالت مذاب از نظر اقتصادی به صرفه نیست.

نخستین بار شیمی دان جوانی به نام مارتین هال دریافت که ماده ای به نام کریولیت(Na₃ALF₆) با نقطه ی ذوب نسبتا پایین (در حدود 960°c می تواند در حالت مذاب آلومینای خالص (AL₂O₃) را در خود حل کند. او موفق شد از برقکافت محلول مذاب یاد شده، با هزینه ای نسبتا کم، فلز آلومینیوم را -که به علت کمیاب بودن از طلا و نقره، گران تر بود- به دست بیاورد.

توجه: آلومینیوم نخستین بار از کاهش ALCL₃ به وسیله ی سدیم در قرن 19 به دست آمد.

مراحل فرایند هال:

بعد از استخراج سنگ معدن بوکسیت آن را به کمک سود سوزآور (NaOH) خالص سازی می کنند. Fe₂O₃ و SiO₂ که ناخالصی های بوکسیت هستند، در NaOH حل می شوند. سپس در سلول ویژه ای آلومینای خالص را در کریولیت مذاب حل کرده و در دمای 960°c به حالت مذاب در می آورند.

در دستگاه تهیه آلومینیوم، جنس دیواره و کف دستگاه از جنس گرافیت بوده و از آنجا که به قطب منفی باتری وصل است کاتد می باشد. هم چنین تیغه های گرافیتی در بالای دستگاه نقش آند را داشته و به قطب مثبت باتری متصل اند.

نیم واکنش کاتدی در کاتد به صورت زیر است:

فلز آلومینیوم که به حالت مذاب به دست می آید از طریق لوله ی تعبیه شده در قسمت پایینی دستگاه خارج می شود.

نیم واکنش آندی به این صورت است:

گاز اکسیژن تولید شده با گرافیت مربوط به آند واکنش داده و تبدیل به گاز CO₂ می شود.

نهایتاً واکنش کلی مربوط به فرایند هال به این ترتیب خواهد بود:

توجه: فرایند هال به علت مصرف مقدار زیادی انرژی الکتریکی هزینه ی بالایی را در بر دارد، لذا با بازیافت فلز آلومینیوم ضمن افزایش طول عمر یکی از مهم ترین منابع تجدیدناپذیر، برخی هزینه های تولید این فلز را کاهش داد. برای نمونه، تولید قوطی های آلومینیومی از قوطی های کهنه فقط به 7 درصد از انرژی لازم برای تهیه همان قوطی از فرایند هال نیاز دارد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم : مهسا شاه حسینی