Химия

8 класс

А. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы. Подготовительный этап в производстве алюминия состоит в получении чистой окиси алюминия. Один из промышленных способов осуществления этой операции, предложенный Педерсеном, заключается в следующем: боксит, содержащий примерно 59 %

$Al_2O_3$ , 24 %

$Fe_2O_3$ , 7 % (

$SiO_2 + TiO_2$ ) и 10 %

$H_2O$ , мелко размалывают, смешивают с известняком и коксом и подвергают сплавлению (спеканию) в электропечи при температуре

$1500-1700^{\circ} C$ . Часть соединений, входящих в состав смеси, при этом восстанавливается, часть разлагается, кроме того, в процессе сплавления образуется метаалюминат кальция в форме шлака с мольным отношением

$Ca : Al = 1 : 2$ . Из плава метаалюминат кальция извлекают выщелачиванием с помощью горячего раствора соды. После отделения от нерастворимых примесей чистый раствор алюмината натрия насыщают газообразной двуокисью углерода, что приводу к выпадению осадка

$X$ , который дополнительно подвергают ряду операций. В результате получается чистая окись алюминия (с выходом 85 % по отношению к количеству

$Al_2O_3$ , содержавшемуся в руде). а. Приведите уравнения реакций, протекающих при спекании, и назовите вещества, которые образуются в качестве побочных продуктов процесса. б. Напишите уравнения реакций, происходящих в процессе выщелачивания шлаков, и укажите вещества, которые входят в состав осадка, отделяемого фильтрованием. в. Напишите уравнение реакции осаждения осадка

$X$ и объясните, на чем основывается процесс переработки

$X$ в

$Al_2O_3$ . г. Вычислите, из какого количества руды (т) получается 1 т чистой окиси

$Al_2O_3$ . Б. Смесь расплавов

$Al_2O_3$ и криолита

$Na_3AlF_6$ подвергают электролизу на угольных анодах. Процесс электролиза протекает без выделения кислорода, так как последний полностью вступает в соединение с элементами, входящими в состав анода, и образует двуокись углерода. На 1 т получаемого алюминия расходуется около 400 кг углерода, входящего в состав анодов, при этом в течение суток при токе 100 кА выделяется несколько меньше 700 кг алюминия. Кроме алюминия на катоде не образуется никаких других продуктов. Условия технологического процесса таковы, что не происходит ни восстановления окиси или двуокиси углерода до углерода, ни восстановления двуокиси углерода углеродом и криолит не вступает ни в какие химические реакции. Образующийся в ходе электролиза газ содержит двуокись и окись углерода. Механическими потерями материала анода можно пренебречь. а. Напишите уравнения реакции, при которой образуется окись углерода. б. Вычислите состав газа (в процентах по объему), если известно, что на производство 1 т алюминия расходуется 400 кг углерода. в. Вычислите точно массу алюминия, выделяемую в течение суток при токе 100 кА. г. На основании закона Фарадея выведите формулу общей зависимости

$W = f(z)$ выхода алюминия

$W$ от процентного содержания (по объему)

$CO_2$ в газах

$z$ . Проверьте применимость полученной вами формулы к условиям задачи. д. Вычислите эффективность (выход) процесса электролиза, если содержание

$CO_2$ в отходящих газах составляет 80 % по объему. Пользуясь данными, приведенными в первой части задачи (

$A$ ), вычислите, какое количество боксита необходимо для производства 1 т алюминия при данной эффективности процесса. е. Объясните роль криолита в проведении процессов электролиза.

А. При спекании происходит ряд химических реакций:

разложение известняка и образование окиси углерода

$CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$ ,

$CO_2 + C \rightarrow 2CO$ ,

восстановление окиси железа окисью углерода

$Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ ,

а также частичное восстановление

$SiO_2$ и

$TiO_2$ с образованием титана и кремния, которые растворяются в полученном сыром железе с образованием одного из побочных продуктов.

Помимо этого происходит взаимодействие окислов титана и кремния с образующейся негашеной известью

$CaO + SiO_2 = CaSiO_3$ ,

$CaO + TiO_2 = CaTiO_3$ .

Основной реакцией является образование метаалюмината кальция

$CaO + Al_2O_3 \rightarrow CaO \cdot Al_2O_3$ , или

$Ca(AlO_2)_2$ .

При выщелачивании шлака образуется] алюминат натрия

$Ca(AlO_2)_2 + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaAlO_2 + CaCO_3$ .

В шлаке содержится главным образом

$CaCO_3$ , а также

$SiO_2$ ,

$TiO_2$ ,

$CaSiO_3$ ,

$CaTiO_3$ .

При насыщении раствора двуокисью углерода образуется гидроокись алюминия

$2NaAlO_2 + CO_2 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 + Na_2CO_3$ .

Переработка соединения

$X$ (гидроокиси алюминия) осуществляется путем обжига

$2Al(OH)_3 \rightarrow Al_2O_3 + 3H_2O$ .

Для получения 1 т

$Al_2O_3$ требуется

$1 : (NULL,59 \cdot 0,85) = 1,99$ т боксита.

В. Окись углерода образуется в результате восстановления

$CO_2$ металлическим алюминием, содержащимся в электролите,

$3CO_2 + 2Al \rightarrow 3CO + Al_2O_3$ .

На катоде происходит восстановление алюминия

$Al^{3+} + 3e \rightarrow Al$ .

На аноде выделяется

$CO_2$ , что можно рассматривать как результат двухстадийного процесса: окисление оксид-ионов с образованием кислорода и одновременное окисление углерода анода

$2O^{2-} - 4e = O_2$ ,

$C + O_2 = CO_2$

или как результат непосредственного анодного окисления материала анода

$C + 2O^{2-} - 4e \rightarrow CO_2$ .

Согласно условию задачи, никаких других процессов на электродах не происходит, и суммарное уравнение электрохимического процесса может быть записано следующим образом:

$2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$ . (1)

Формально при диссоциации 1 моль

$Al_2O_3$ дает 2 моля ионов

$Al^{3+}$ и 3 моля ионов

$O^{2-}$ , поэтому для разрядки образующихся ионов требуется

$12F (12 \cdot 96500)$ Кл.

Криолит образует с окисью алюминия эвтектическую смесь, имеющую более низкую температуру плавления, чем исходные вещества, и кроме того, увеличивает электропроводность расплава.

(В действительности роль криолита не сводится к физическому процессу растворения высокоплавкой окиси алюминия или, как часто ошибочно утверждается, «к понижению температуры плавления

$Al_2O_3$ ». В расплаве образуются сложные анионы, содержащие одновременно кислород и фтор, например типа

$AlF_4O^{3-}$ , а не оксид-ионы. Из таких анионов кислород и переходит в состав образующейся при окислении углерода двуокиси углерода, освобождая координационно менее насыщенные анионы

$AlF_4^{-}$ , которые вновь превращаются в более богатые кислородом анионы

$AlOF_4^{3-}$ , осуществляющие перенос зарядов и кислорода.)

Как говорится в условии задачи,

$CO$ образуется в результате вторичного процесса. Если количество молей алюминия, которые участвуют во вторичной реакции

$3CO_2 + 2Al = 3CO + Al_2O_3$ , (2)

обозначить через

$x$ , то количество

$CO_2$ , образующегося из 3 молей углерода [по уравнению (1)], сократится в результате реакции (2) на

$x$ г-экв. При этом из 3 молей

$C$ получится

$(4-х)$ молей

$Al$ , а по условию задачи на производство 1 т алюминия расходуется 400 кг углерода. Отсюда

$\frac {3 \cdot 12}{(4 - x) \cdot 27} = \frac{400}{1000}$ ,

$x = 0,667 \: моля Al$ .

Согласно уравнению реакции, в газовой смеси на (

$3 - 1,5 x$ ) молей

$CO_2$ приходится 1,5

$x$ молей

$CO$ . Тогда процентное содержание

$CO_2$ по объему (мольные отношения для газов пропорциональны объемным) в образующихся газах

$z = \frac {(3 - 1,5 x) \cdot 100}{(3 - 1,5 x) + 1,5 x} = (1 - 0,5x) \cdot 100$ %

$CO_2$ , (3)

при

$x = 0,667$ равно

$(1 - 0,667 \cdot 0,5) 100 = 66,7$ %

$CO_2$ .

Вторичная реакция

$CO_2$ с алюминием снижает общий выход алюминия по току, вычисленный на основании закона Фарадея.

При затрате

$12 F$ Кл электричества при 100 %-выходе должно выделиться 12 г-экв, или 4 моля,

$Al$ . Реально получается

$(4-x)$ молей

$Al$ , следовательно, выход по току составляет

$W = \frac{4 - x}{4} 100 = 1 - 25x$ . (4)

Из выражений (3) и (4) получаем

$W = 50 + \frac{z}{2}$ ,

где

$z$ - процентное содержание

$CO_2$ в газовой смеси, равное 66,7 %. Следовательно,

$W = 50 + \frac{66,7}{2} = 83,3$ %.

Суточное производство алюминия вычисляем по закону фарадея, учитывая выход по току

$m_3 = \frac{27}{3 \cdot 96500} \cdot 3600 \cdot 24 \cdot 100 \cdot 10^3 \cdot 0,833 = 671 \cdot 10^3 \: г = 671 \: кг \: Al$ .

Правильность выведенной формулы

$W = 50 + z/2$ мы можем проверить следующим образом. Согласно закону Фарадея, должно быть получено 805,8 кг

$Al$ , тогда выход составляет

$(671 : 805,8) \cdot 100 = 83$ %, что хорошо согласуется с найденным выше значением 83,3%.

При содержании

$CO_2$ в отходящих газах, равном 80 %, выход по току

$W = 50 + 80 : 2 = 90$ %.

В первой части решения мы установили, что для получения 1 т

$Al_2O_3$ требуется 1,99 т боксита. Теперь найдем, какое количество

$Al_2O_3$ потребуется для получения 1 т

$Al$ ;