Номер 4, страница 117, часть 1 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Каким способом получают алюминий?

Решение

Промышленное получение алюминия — это сложный и энергоёмкий двухстадийный процесс. В качестве основного сырья используются бокситы — горная порода, состоящая преимущественно из гидроксидов алюминия.

Стадия 1: Получение чистого оксида алюминия (глинозёма) по способу Байера

Цель этой стадии — очистить бокситовую руду от примесей (главным образом, соединений железа, кремния и титана) и получить чистый оксид алюминия $Al_2O_3$, называемый глинозёмом.

1. Измельчённую бокситовую руду обрабатывают горячим раствором щёлочи (гидроксида натрия $NaOH$) под давлением. При этом оксид и гидроксид алюминия растворяются, образуя растворимый тетрагидроксоалюминат натрия:

   $Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2o \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$

   Примеси, в основном оксиды железа, не растворяются и образуют так называемый "красный шлам", который отфильтровывают.

2. Полученный раствор алюмината натрия охлаждают и разбавляют. Затем в него вводят "затравку" — мелкие кристаллы гидроксида алюминия $Al(OH)_3$ из предыдущего цикла, что вызывает выпадение в осадок чистого гидроксида алюминия:

   $Na[Al(OH)_4] \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + NaOH$

   Раствор гидроксида натрия после отделения осадка снова используют в начале процесса.

3. Осадок гидроксида алюминия промывают и прокаливают (нагревают до температуры 1150–1250 o C) в больших вращающихся печах. При этом он разлагается с образованием чистого оксида алюминия (глинозёма):

   $2Al(OH)_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 3H_2O$

Стадия 2: Электролиз глинозёма в расплаве криолита (процесс Холла-Эру)

На этой стадии из глинозёма получают металлический алюминий. Так как температура плавления глинозёма очень высока (около 2050 o C), его прямой электролиз экономически невыгоден. Поэтому используют следующий метод:

1. Глинозём ($Al_2O_3$) растворяют в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$) с некоторыми добавками. Криолит выступает в роли растворителя и позволяет снизить рабочую температуру электролиза до 950–970 o C.

2. Электролиз проводят в специальных аппаратах — электролизерах. Корпус электролизера, выполненный из стали и футерованный угольными блоками, служит катодом (отрицательным электродом). Сверху в расплав погружаются угольные аноды (положительные электроды).

3. При пропускании постоянного электрического тока через расплав на электродах происходят следующие реакции:

   • На катоде (минус): ионы алюминия восстанавливаются до жидкого металлического алюминия, который, будучи тяжелее расплава, скапливается на дне ванны.

     Катод: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$

   • На аноде (плюс): ионы кислорода окисляются, образуя кислород. Этот кислород немедленно вступает в реакцию с раскалённым углеродом анода, образуя углекислый газ.

     Анод: $2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$

     $C + O_2 \rightarrow CO_2$

   Из-за реакции с кислородом угольные аноды постепенно "сгорают", и их необходимо периодически заменять. Суммарное уравнение процесса электролиза:

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

4. Жидкий алюминий периодически извлекают (отсифонивают) из электролизера для дальнейшей очистки и разливки.

Этот процесс требует огромного количества электроэнергии, поэтому алюминиевые заводы обычно строят вблизи крупных электростанций.

Ответ:

Алюминий получают электролизом оксида алюминия (глинозёма), растворённого в расплаве криолита. Этот метод называется процессом Холла-Эру. Сам глинозём предварительно получают из бокситовых руд по способу Байера.