Номер 3, страница 141 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

3. Нарисуйте схему электролизной ванны для получения алюминия.

3.

Решение

Промышленное получение алюминия осуществляется электролизом раствора оксида алюминия (глинозема $Al_2O_3$) в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$) при температуре около 950 °C. Этот процесс называется процессом Холла-Эру. Электролизная ванна (электролизер) для этого процесса имеет следующее устройство.

Схема и устройство электролизной ванны:

Поскольку нарисовать схему в текстовом формате невозможно, приведем ее подробное словесное описание, которое соответствует стандартной схеме.

Электролизер представляет собой большую стальную ванну прямоугольной формы. Основные элементы:

1. Катод: Внутренняя поверхность стальной ванны выложена (футерована) угольными (графитовыми) блоками. Эта угольная футеровка служит катодом (отрицательным электродом). К стальному корпусу, соединенному с футеровкой, подключается отрицательный полюс источника постоянного тока. На дне ванны скапливается слой расплавленного жидкого алюминия, который также является частью катода и обеспечивает хороший электрический контакт.

2. Анод: Сверху в ванну на специальных держателях погружены массивные угольные блоки (предварительно обожженные или самообжигающиеся). Эти блоки являются анодом (положительным электродом). К ним подводится положительный полюс источника тока. В ходе электролиза аноды окисляются и постепенно расходуются («сгорают»), поэтому их необходимо периодически заменять или наращивать.

3. Электролит: Пространство между анодами и катодом заполнено расплавом. Электролит состоит из криолита ($Na_3AlF_6$) с растворенным в нем глиноземом ($Al_2O_3$). Чистый глинозем имеет очень высокую температуру плавления (более 2000 °C), а криолит выступает в роли растворителя, снижая рабочую температуру процесса до ~950 °C. Это делает процесс значительно более энергоэффективным. Поверхность расплава покрыта коркой из застывшего глинозема, которая уменьшает теплопотери.

4. Продукты реакции: В результате электролиза на дне ванны под слоем электролита собирается жидкий алюминий. Его плотность (~2,3 г/см³) выше плотности электролита (~2,1 г/см³), что позволяет ему оседать на дне. Периодически алюминий откачивают из ванны с помощью вакуумного ковша. Газообразные продукты (в основном $CO_2$) отводятся из-под анодов системой газоотвода.

Химические процессы в электролизере:

При пропускании постоянного электрического тока через расплав происходят следующие реакции:

1. Диссоциация оксида алюминия в расплаве на ионы: $Al_2O_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3O^{2-}$

2. На катоде (угольная футеровка и слой жидкого Al) происходит восстановление ионов алюминия:
$Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al^0(l)$

3. На аноде (угольные блоки) происходит окисление ионов кислорода:
$2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2(g)$

Выделившийся на раскаленном угольном аноде кислород немедленно реагирует с углеродом анода:
$C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$

4. Суммарное уравнение всего процесса, учитывающее расход анода:
$2Al_2O_3(раствор) + 3C(s) \rightarrow 4Al(l) + 3CO_2(g)$

Ответ: Схема электролизной ванны для получения алюминия включает стальной кожух, внутренняя поверхность которого покрыта угольными блоками, служащими катодом. Сверху в ванну погружены угольные аноды. Пространство между электродами заполнено расплавом оксида алюминия ($Al_2O_3$) в криолите ($Na_3AlF_6$). При электролизе на катоде (дне ванны) образуется и скапливается жидкий алюминий, а на угольных анодах выделяется кислород, который реагирует с углеродом анодов, образуя углекислый газ ($CO_2$), что приводит к постепенному расходу анодов.