Номер 4, страница 84 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Проверьте свои знания. Параграф 15. Электролиз расплавов и растворов. Практическое применение электролиза. Глава II. Химические реакции - номер 4, страница 84.

Условие.

4. Почему самый распространённый металл в земной коре — алюминий — был получен сравнительно поздно? Почему первоначально аллюминий стоил дорого? Как удалось удешевить его производство?

Решение.

Решение 2.

Почему самый распространённый металл в земной коре — алюминий — был получен сравнительно поздно?

Алюминий, несмотря на свою распространённость (около 8% массы земной коры), был получен в чистом виде лишь в 1825 году. Причина этого заключается в его высокой химической активности. В природе алюминий не встречается в самородном виде, а входит в состав очень прочных химических соединений, таких как оксиды (например, в бокситах $Al_2O_3 \cdot nH_2O$) и алюмосиликаты (глины, полевые шпаты).

Связь алюминия с кислородом в его оксиде ($Al_2O_3$) чрезвычайно прочна. Традиционные металлургические методы, такие как восстановление углём (коксом), которые успешно применялись с древности для получения железа, меди и других металлов, для алюминия неэффективны. Это связано с тем, что алюминий является более активным металлом, чем углерод, и углерод не может вытеснить его из оксида при температурах, достижимых в обычных печах. Для выделения чистого алюминия потребовалось открытие и развитие электрохимии, в частности, электролиза, который позволяет разорвать эти прочные химические связи с помощью электрического тока.

Ответ: Алюминий был получен поздно из-за его высокой химической активности и нахождения в природе в составе очень прочных соединений, из которых его невозможно было выделить древними методами металлургии (например, восстановлением углём). Для его получения потребовались более сложные электрохимические методы, разработанные только в XIX веке.

Почему первоначально алюминий стоил дорого?

Первые способы получения алюминия были лабораторными, очень сложными и дорогостоящими. Метод, разработанный датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (1825 г.) и усовершенствованный немецким химиком Фридрихом Вёлером (1827 г.), заключался в восстановлении безводного хлорида алюминия ($AlCl_3$) металлическим калием:

$2AlCl_3 + 6K \rightarrow 2Al + 6KCl$

В середине XIX века калий сам по себе был очень дорогим металлом, так как его получали электролизом расплава гидроксида калия, что было новой и энергозатратной технологией. Кроме того, сам процесс получения алюминия был многостадийным, опасным и позволял получать лишь небольшие количества металла в виде порошка. Из-за этого в 1850-х годах алюминий стоил дороже золота и платины, считался "серебром из глины" и использовался для изготовления ювелирных изделий и предметов роскоши.

Ответ: Первоначально алюминий стоил очень дорого из-за сложности и высокой стоимости химического метода его получения, который требовал использования редкого и дорогого реагента — металлического калия.

Как удалось удешевить его производство?

Резкое удешевление производства алюминия стало возможным благодаря разработке промышленного электролитического метода. В 1886 году практически одновременно и независимо друг от друга американец Чарльз Холл и француз Поль Эру изобрели процесс, известный сегодня как процесс Холла-Эру.

Суть этого метода заключается в электролизе оксида алюминия (глинозёма, $Al_2O_3$), растворённого в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$). Криолит выступает в роли флюса (растворителя), который значительно снижает температуру плавления системы: чистый глинозём плавится при температуре выше 2000°C, в то время как его раствор в криолите плавится при температуре около 950-1000°C. При пропускании постоянного электрического тока через этот расплав на катоде выделяется жидкий алюминий, а на угольном аноде — кислород, который тут же реагирует с углеродом анода, образуя углекислый газ:

$2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$

Этот процесс требует огромного количества электроэнергии, но к концу XIX века, с развитием электротехники и появлением мощных генераторов (динамо-машин), электричество стало более доступным. В сочетании с процессом Байера (1887 г.) для эффективного получения чистого глинозёма из бокситовой руды, процесс Холла-Эру позволил наладить массовое и относительно дешёвое производство алюминия, превратив его из драгоценного металла в один из важнейших конструкционных материалов.

Ответ: Удешевить производство алюминия удалось благодаря изобретению в 1886 году процесса Холла-Эру — электролиза оксида алюминия ($Al_2O_3$), растворённого в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$). Этот метод, ставший возможным благодаря развитию электроэнергетики, позволил наладить массовое и гораздо более дешёвое производство.