Для чего к сырью добавляют криолит обоснуйте ответ кратко

Обновлено: 06.07.2024

Самым первым получил металлический алюминий немецкий химик Ф. Велер в 1821 году, с помощью восстановления AlCl₃ металлическим калием. В 1854 году французский ученый Сент-Клер Девиль восстановил натрием двойной AlCl₃ с помощью электролиза.

Наиболее удобный и более распространенный метод получения алюминия предложил американец Ч. Холл, чей метод предлагал электролиз оксида алюминия в растворенном в расплавленном криолите Na₃AlF₆.

Сырьем служат: бокситы, нефелины, алуниты и т.д.

В промышленности алюминий получают электролизом раствора чистого оксида алюминия в расплавленном криолите с добавлением CaF₂ при температуре 950 °С. Криолит является растворителем, а добавка служит для поддержания оптимальной температуры плавления в ванне (около 1000°С). Электролиз водных растворы нецелесообразен, т.к. алюминий более активный элемент, чем водород. Поэтому на катоде будет выделяться водород, а не металл.

Этапы получения алюминия.

1.Очищение от примесей минеральной руды.

проводят в стальных ваннах с теплоизоляцией и внутренней футеровкой из огнеупорного кирпича (фторид кальция расплавляется).

Катод: графитовые блоки, которыми выложено дно ванны.

Анод: угольные стержни.

Схема установки для получения алюминия.

Сначала засыпают криолит и CaF₂, которые расплавляются от тепла от действия электрического тока. Затем добавляют оксид алюминия. Электрической энергии надо много, ток должен быть постоянным более 100 кА. Поэтому с экономической стороны должна быть дешевая гидростанция.

Алюминий получают электролизом глинозема (Al₂O₃) в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) с добавлением фтористых алюминия (AlF₃) и натрия (NaF). Алюминиевыми рудами при производстве алюминия являются бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде корунда (Al₂O₃), гидроокисей (Al(OH)₃, AlOOH), каолинита (Al₂O₃⋅2SiO₂⋅2H₂O).

Производство алюминия включает:

получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема);
получение криолита из плавикового шпата;
электролиз глинозема в расплавленном криолите;
рафинирование алюминия.

Получение глинозема

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью

Полученный алюминат натрия NaAlO2 подвергают гидролизу

В результате в осадок выпадают кристаллы гидрооксида алюминия Al(OH)₃, который отфильтровывают, промывают и прокаливают до получения чистого глинозема (Al₂O₃).

Получение криолита

Для получения криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al(OH)₃, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок по реакции

Осадок отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема

Электролиз проводят в электролизере, имеющим ванну из углеродистого материала (рисунок 45). Кожух ванны изготавливают из листового железа. Подину и стены ванны выкладывают из углеродистых блоков. В подину вмонтированы медные шины, соединенные с отрицательным полюсом источника тока. В ванне находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит, состоящего из криолита, глинозема, фтористых алюминия и натрия, добавляемых для понижения температуры плавления электролита.

Перед началом электролиза на подину ванны насыпают тонкий слой молотого кокса. Затем к нему подводят угольные электроды и пропускают ток. Когда угольная футеровка ванны нагреется до определенной температуры, в неё загружают криолит и расплавляют его. После получения в ванне достаточного слоя расплавленного криолита в неё загружают глинозем.

Под действием постоянного тока в расплавленном криолите происходит диссоциация криолита и глинозема

Образующиеся положительно заряженные ионы алюминия разряжаются на катоде в первую очередь, как имеющие более высокий потенциал выделения по сравнению с другими положительно заряженными ионами, и образуется алюминий

Из отрицательно заряженных ионов на аноде разряжаются в первую очередь ионы AlO₃3-, как более отрицательные ионы

Выделяющийся кислород взаимодействует с углеродом анода с образованием смеси газов CO и CO2, удаляющейся из ванны через вентиляционную систему.

Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на её дне оставляют немного алюминия.

Рафинирование алюминия

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержится металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием путем продувки расплава алюминия хлором. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла и их удаляют. Хлорирование алюминия способствует удалению газов, растворённых в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше при температуре 700 – 730 °С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота алюминия составляет 99,5 – 99,8%. Для большинства потребителей алюминия такой чистоты вполне пригоден. Однако, для отдельных отраслей современной техники нужен алюминий более высокой чистоты. Такой алюминий получают электролитическим рафинированием, при котором загрязненный алюминий служит анодом и подвергается растворению и осаждению на катоде, а чистый алюминий является катодом. При таком рафинировании получают алюминий чистотой 99,996%.

При необходимости получить алюминий более высокой чистоты применяют метод зонной плавки или дистилляции алюминия.

При зонной плавки из алюминия электролитического рафинирования отливают прутки и помещают в кварцевую трубку, в которой создают вакуум. Вокруг трубки располагают индуктор, соединенный с источником электрического тока высокой частоты (ТВЧ). Под индуктором пруток расплавляется и возникает зона жидкого алюминия, а остальная часть прутка остается твердой. Индуктор передвигается вдоль прутка с определенной скоростью и зона жидкого алюминия перемещается. При этом примеси концентрируются в расплаве и вместе с ним передвигаются к концу слитка. Затем слиток извлекают и конец отрезают. Оставшаяся часть состоит из алюминия высокой чистоты (99,9999%).

При применении способа дистилляции алюминия рафинирование его осуществляется через так называемые субсоединения путем пропускания парообразных хлористого и фтористого алюминия над расплавленным алюминием при температуре 1000 °С и выше.

Эти субсоединения при охлаждении разлагаются на алюминий и хлористый или фтористый алюминий. Примеси, содержащиеся в черновом алюминии, не перегоняются. Этим способом получают алюминий очень большой чистоты (99,99999%).

Последние два метода рафинирования дороги и малопроизводительны. Они используются для очистки лишь небольшого количества металла, необходимого для изготовления полупроводников и других ответственных изделий.

5 Смотреть ответы Добавь ответ +10 баллов

Ответы 5

Криолит – это популярный в наши дни в различных промышленных отраслях минерал из группы фторидов натурального или искусственного происхождения. Особенно активно задействуется в расплавленном состоянии. Так как в природе встречается не слишком часто, а его польза значительная, искусственная форма вырабатывается промышленностью в больших объемах.

Добыча и производство

Месторождений натурального криолита немного, ведь данный минерал в естественной среде можно встретить крайне редко. Одно из самых крупных и известных мест, где добыча все-таки происходит – Новая Зеландия. Здесь и залежи сравнительно большие, и качество камня очень высокое. Для местных жителей он – важный амулет с немалыми защитными свойствами, предотвращающий опасность, горе и т.д. Разработка данного месторождения длится с конца 90-х годов, что и обеспечило его чрезвычайно большие размеры на сегодняшний день, а следовательно и существенный доход в бюджет страны.

Что касается других мест, где происходит добыча криолита, то это Урал (Ильменские горы) и Северная Америка (штат Колорадо). Последнее из месторождений весьма перспективное, но его разработка совсем незначительная. Почему? Потому что добыча криолита – дело не из простых, в большинстве случаев проще произвести этот материал синтетическим путем.

Сложности получения и нехватка природного минерала объясняют, почему искусственное выращивание приобрело большую популярность. А возможно оно следующими способами:

- из флюоритового сырья;

Кстати, в природе данный минерал входит в состав пегматитов, появляясь из фторобогащенных остатков. Практически во всех случаях он скреплен с ниобитом, силезитом, кварцем, медным колчеданом, сидеритом, галенитом или серным колчеданом.

Свойства

В целом, криолит может иметь различный цветовой спектр: начиная от бесцветного, белого и сероватого с желтыми вкраплениями, заканчивая коричневато-красным и даже коричнево-черным (окрас зависит от наличия орган. примесей). Хотя цвет черты – белый. Этому продукту характерен стекловидный жирный отблеск. Структура может быть от прозрачной до просвечивающейся. Сингония кристаллизации – моноклинная, иногда – кубовидная, также редко, но встречаются пластины. Прочность – невысокая при достаточной плотности.

Твердость минерала – 2-3 по шкале Мооса, плотность – 2,95-3,01 г/см³. Формула: Na₃AlF₆.

Как видно из формулы, основные компоненты криолита – натрий, алюминий и фтор. А все потому, что минерал является глиноземным и часто в его состав входит примесь оксида алюминия (Al₂O₃).

Применение

Одно из самых важных направлений использования криолита – металлургическое, а именно производство алюминия. Алюминий из минерала получают электролитическим путем. Если не задействовать криолит (и в этом его основная ценность), получить таким способом алюминий практически невозможно. Данный метал в чистом виде не встречается, получение реально только из окиси, лучшее растворение которой характерно именно криолиту.

Еще один плюс – незначительный расход гексафтороалюмината натрия. Чтобы получить 1 т алюминия, достаточно взять 32 кг криолитовой крошки. Причем половина материала подлежит регенерации, то есть восстановлению, а соответственно и повторному применению.

Что касается эффективности электролиза, то она не зависит от того, какое сырье бралось для работы – природное или синтетическое. Только в случае применения искусственного криолита необходимо правильно подобрать марку. Для производства алюминия подходит криолит К-1 – продукт, содержащий минимальное количество примесей (чистота – 90 % и более).

Если говорить о марке К-2 (менее чистой разновидности материала), то она подходит для всех других направлений применения.

Это также изготовление стекол. В данной сфере он выполняет ту же роль, что и в предыдущей – забеляет. Иногда может быть единственно правильным вариантом, к примеру, при обработке абажуров люстр, а иногда допустима его замена фтористоводородной кислотой (при изготовлении светильников из белых, матовых стекол). Но не стоит забывать, что кислота куда опаснее и агрессивнее, нежели камень. А так как создание замутненного стекла предвидит введение материала в шихту – исходную совокупность компонентов, обработка внешняя к желаемым результатам не приводит.

Еще одно из направлений – образование кислот, в частности плавиковой.

Интересный факт. Ранее, до 1887 г., рассматриваемый минерал принимал участие в производстве соды. Сегодня все наоборот: чаще при изготовлении криолита применяют соду (очищают с ее помощью плавиковую кислоту, полученную из фторида кальция).

Читайте также: