铝是如何从铝土矿提炼成金属的？
铝是地壳中含量最丰富的金属元素，但因其化学性质活泼，在自然界中几乎不以纯金属形式存在，而是以化合物的形式存在于矿石中。现代铝的生产主要分为两个阶段：从铝土矿提取氧化铝（Al₂O₃）和电解氧化铝制取金属铝。以下是详细的提炼过程：
一、铝的来源：铝土矿
铝土矿的形成
铝土矿是铝的主要矿石，由含铝矿物（如水铝石、一水硬铝石等）经过长期风化作用形成。主要分布在热带和亚热带地区（如澳大利亚、中国、几内亚等）。
铝土矿的成分
主要成分是氧化铝（Al₂O₃），含量约40%~60%，其余为氧化铁、二氧化硅等杂质。
二、氧化铝的提取：拜耳法（Bayer Process）
步骤：
破碎与研磨
铝土矿经粉碎后与浓氢氧化钠（NaOH）混合，形成浆料。
高温高压浸出
浆料在高压釜中加热至240~300℃，铝土矿中的氧化铝与氢氧化钠反应，生成可溶的铝酸钠（NaAl(OH)₄），而杂质（如氧化铁、二氧化硅）形成固体残渣（赤泥）。
[
\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaAl(OH)}_4
]
沉淀与分离
溶液冷却后，加入氢氧化铝晶种，铝酸钠水解生成氢氧化铝（Al(OH)₃）沉淀，杂质通过过滤去除。
煅烧
氢氧化铝在1000~1200℃下煅烧，脱水生成氧化铝（Al₂O₃）。
[
2\text{Al(OH)}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}
]
三、金属铝的制取：霍尔-赫鲁特电解法（Hall-Héroult Process）
电解原料
- 氧化铝（Al₂O₃）
- 冰晶石（Na₃AlF₆，作为熔剂降低氧化铝熔点）
电解过程
- 电解槽内温度维持在950~980℃，冰晶石熔融后溶解氧化铝形成导电熔液。
- 通入直流电后，氧化铝在碳阳极和阴极间发生分解：
[
2\text{Al}_2\text{O}_3 \xrightarrow{\text{电解}} 4\text{Al} + 3\text{O}_2
]
- 阴极（槽底）：铝离子（Al³⁺）被还原为液态铝，沉积后定期抽取。
- 阳极（碳块）：氧离子（O²⁻）被氧化生成氧气，与碳反应生成二氧化碳（CO₂）。
产物处理
液态铝纯度约99%~99.8%，可进一步精炼或铸造为铝锭。
四、铝的历史与工业化
- 早期困境：19世纪前，铝因提炼困难而极其稀有，价格高于黄金。拿破仑三世曾用铝制餐具招待贵宾。
- 技术突破：1886年，美国霍尔和法国赫鲁特分别独立发明电解法，使铝的大规模生产成为可能。
- 现代应用：铝因轻质、耐腐蚀、导电性好，广泛用于航空、建筑、包装（如易拉罐）等领域。
五、环保与挑战
- 能耗高：电解过程需大量电力（生产1吨铝约消耗13,000~15,000度电）。
- 赤泥处理：拜耳法产生的赤泥含有强碱性物质，需妥善处置以防污染。
- 碳排放：电解过程依赖碳阳极，会释放CO₂，行业正探索惰性阳极技术以减少排放。
通过以上流程，铝从矿石最终变为广泛应用的金属材料，其生产技术的进步深刻影响了现代工业的发展。
