电解质的物理化学性质.ppt

铝电解质物理化学性质 朱伶俐 2012.3.29 习 题 粗铜含杂质(Zn、Fe、Ni、Ag、Au等) Zn Fe Ni CuAg Au Zn-2e- → Zn2+ Fe –2e- → Fe2+ Ni-2e- → Ni2+ Cu-2e- → Cu2+ 阳极： 阴极: Cu2+ + 2e- → Cu 重点 1、电流效率 2、电解过程中的副反应 3、初晶温度 4、密度 5、粘度 6、导电度 7、表面性质 8、挥发性 铝电解的电流效率 法拉第定律：通电于电解质溶液，在电极上发生化学反应的物质的量与通入的电量成正比。 n = Q/（ZF） n：析出金属的物质的量 Q：通过的电量 Z：电子反应式中电子计量系数 F：法拉第常数（96484.6 C·mol-1 ） 铝的化学当量（K）：电解质通过1安培·时电量时，理论上应该析出铝的质量。单位是克/安培·时 K=M *3600/ (ZF) = 0.3356 电流效率 = 按法拉第定律计算所需理论电量/实际所消耗电量*100% =电极上产物的实际产量/按法拉第定律计算应获得的产物质量*100% 铝的理论产量：m=K · I · T m：理论产铝量 K：铝电化学当量 铝电解电极主反应 铝电解过程中的副反应 阴极 （1）铝在电解液中的溶解反应与损失 a：溶解在冰晶石中的铝，生成低价铝离子和双原子的钠离子。 2Al + Al3+ = 3Al+ Al + 6Na+ = Al3+ + 3Na2+ b:在碱性电解质中，铝与氟化钠发生置换反应 Al + 3NaF = AlF3 + 3Na c:铝以电化学反应形式直接溶解进入电解质熔体中 Al（液）-e = Al+ （3）碳化铝的生成 （2）金属钠的析出 a：钠离子与铝离子在阴极上一起放电，析出钠。 Na+ + e = Na b：在碱性溶液中，铝与含钠化合物发生置换反应。 铝在高温下与碳发生反应生成碳化铝。 4Al + 3C = Al4C3 电解质分子比增大； 氧化铝浓度减少； 阴极电流密度提高 （2）铝的二次反应 阳极 （1）阳极效应 阳极效应：阳极与电解质周围出现许多细小的弧光闪烁，电解质停止沸腾，以小滴状向上飞溅。槽电压升高到数十伏，阳极气体中氟离子含量大大提高，并有CF4和C2F6逸出。 a：溶解于电解质中的铝被带到阳极区间，被CO2氧化。 2Al（溶解）+ 3CO2 = Al2O3 + CO b:电解质表面的碳渣将CO2还原 C + CO2 = CO 铝电解质的组成 溶剂(85%) 冰晶石（Na3AlF6)或（3NaF ·AlF3) 溶质 氧化铝（Al2O3) 摩尔比等于3的冰晶石形成的电解质为中性电解质；摩尔比大于3的冰晶石形成的电解质为碱性电解质； 摩尔比小于3的冰晶石形成的电解质为酸性电解质； 初晶温度 初晶温度：液体开始形成固体晶体的温度。 晶体的熔点：固体晶体开始熔化的温度称为该晶体的熔点。 初晶温度 = 晶体的熔点 注：数值上相等，物理意义不同。 电解温度 = 初晶温度+（5-15℃） 影响初晶温度的因素 （1）电解质分子比（2.0-3.0） 电解质的摩尔比（分子比）降低，其初晶温度也随之降低。 分子比在1.2-3.0之间是适合工业生产的，1.5-2.0之间，电解质分子比的微小变化就会使初晶温度产生很大的变化； 分子比在2.0-3.0之间，电解质分子比的变化对初晶温度影响较小。 （2）氧化铝的含量 NaAlF6-Al2O3二元体系 在一定范围内，电解质的初晶温度随着氧化铝含量的增加而降低。 （1）降低设备变形，延长设备使用寿命，改善工人劳动环境。 （2）减少电解质的挥发 （3）提高电流效率。 研究初晶温度的意义 密度 密度是指单位体积的某物质的质量，其单位为g/cm3 电解质的密度：增加电解质与铝液的密度差，有利于是两种液体良好分离。 减少电解质密度的方法： （1）升高温度 （2）在一定范围内增加氧化铝的含量。 （3）向电解质中添加添加剂。比如AlF3 铝液 电解质 温度 铝 Na3AlF6 Na3AlF6+5%Al203 20℃ 2.7 2.9 2.95 950℃ 2.302 2.142 2.102 铝和电解质的密度 粘度 粘度是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内摩擦力。阻力越大粘度越大。单位为Pa·S。 粘度过大 （1）阳极气体不易排出，炭渣分离不清，增加电解质的的电阻率。 （2）电解质不能很好循环，造成成分和温度不均，造成阳极部位温度过高。 （3）电解质内部阻力大，降低电解质的电导率，影响电解质中铝颗粒的沉降速度，增加铝的损失。 粘度过小