霍尔电解法制取铝的化学方程式

漫谈炼铝途径的曲折

从人们接触到含铝化合物，到工业上能够大规模生产铝，所经历的时间和路程，要比其他金属的都长而艰难。最早的手工制陶器，必然要用硅铝酸盐的黏土，明矾则是早就被用作药物的含铝硫酸盐，后又广泛在民间用作食物的发泡剂。在欧洲，化学形成科学的当初，就认识到氧化铝是一种特别稳定的物质，叫它矾土，误认为它是元素。氧化铝也是多种“宝石”中的主要成分，如玛瑙、刚玉、翡翠等，它们经磨琢成装饰品后，被陈列、佩带而当成珍品。当化学家们发现上述等物质中必有一种新的金属元素时，没有待它降生，就已起好了名字，叫做“铝”，这铝字是后来经中国人翻译时创造的，原文是媒染剂和矾的意思。19世纪初就有人想用电解的方法制金属铝，没有成功。其后的几十年中，有人试图用化学方法制铝，几经失败到了1854年，才有人制得了别针头那样小的几粒铝珠。这时有人在拿破仑第三政府的资助下，也只能少量生产价格比银子还贵的铝，供一些达官显贵们享用。1886年有两位年轻的大学生，在两个不同的国度里，不约而同的发明了一种电解质铝的方法，从此工业制铝投入了大量生产，使铝成了三大工业用金属的成员，和铜、铁一起走入了千家万户。

综上所述，不由地要问；人们为了要把铝从化合物中提取出来，开始就用了电解的方法为什么不成功？后来转用化学方法为什么反能制出铝？为什么要实现铝的工业生产，又要用电解的方法？为了回答这一串的问题，必须围绕着铝的化学性质来谈，铝是一种较活泼的金属，但化学活动性并不如钾、钙、钠、镁强。钾、钙、钠、镁先后在1807到1808年间，由电解的方法制了出来，而且主要是由英国化学家戴维一人完成的。当他把铝的化合物放到电解的装置中，本以为能够容易的得到金属铝，可结果却使他非常失望。

戴维得到的钾和钠，是从电解熔融的氢氧化钾或氢氧化钠中制出来的。在制钙和镁时，钙、镁的氢氧化物就不好用了。这是因为在加热时，钙、镁的氢氧化物会分解成水和氧化物，而且钙、镁氧化物的熔点特别高，戴维的加热措施是无能为力的。为了得到钙、镁，用钙、镁氧化物和氧化汞混和，加一些水湿润一下，并用水银做阴极来进行电解，结果得到钙或镁跟水银形成的合金，这种合金统称“汞齐”。汞就是俗称的水银，加热汞齐，汞气化蒸发，就会剩下汞齐中所含的另一种金属。戴维就是在这一情况下，得到了金属的钙和镁。

戴维用了同样的方法电解氧化铝（当时叫矾土），却没有能够得到铝汞齐，原因又在哪里呢？其一，由于氧化铝的特殊结构，非常稳定，我们可以从它能形成坚硬的宝石这一点上得到体会。其二，由正三价铝原子（Al　³＋）要得到三个电子才能变成零价的铝原子，这一过程发生在铝的氧化物中，必需要有很大的能量变化。没有高温或强大电流情况下，这一变化是不能完成的。戴维所用的是最原始的电池，他在不能高温加热，又不能提供强大电流的状况下，当然制不出金属的铝。若不改变原料的配方，这一电解的做法，根本就行不通。

电解质铝的路子一时受阻，人们又纷纷转回寻求化学反应来炼铝。为什么人们又会对此抱有希望呢？主要是因为有了强力的还原剂钾和钠。

钾和钠比木炭等有更强的还原能力，由电解的方法能够制出钾和钠，再用钾和钠去还原铝的化合物制铝，就明显是可行的又一条道路。有人用了大量的金属钾、钠跟氧化铝、氯化钠、木炭、氯气、氧化汞、水银等物质做了无数次的实验，最后以氯化铝、氯化钠的混合物跟金属钠反应，使得到的铝能够作为贵重的商品出售了。但是，这一制铝的做法，成本实在太高，没有推广的价值。

随着工业的逐渐发达，各种机械如蒸汽机发电机等的产生，人们能由强大动力得到强大的电力。电池作为电源，经过一再的改进，也能产生强大的电流。只要能够找到制铝原料的新配方，直接电解质铝的目的就能实现。

我们知道，电解质必须在溶液中或熔化的状态下才能被电解。制金属钾和钠时，用的是氢氧化钾和氢氧化钠，这是因为它们熔点较低，受热又不分解，这种条件有利于工业生产。后来也有用氯化钾或氯化钠来做原料的，但它们溶点太高，加了一些其他的盐，熔点能有所降低，生产成本也就较低了。

氢氧化铝受热易分解成水和氧化铝，氧化铝有很高的熔点，无法在大规模生产情况下将它熔化。氯化铝的熔点较低，但同时沸点也较低，加热时容易气化，不好控制。另外氯化铝有很强的吸水性，有了一点水，电解时就得不到金属铝。化学家们找来找去，结果还是以氧化铝为原料，把它放进熔化了的冰晶石中，形成一种混合的“熔体”，用强大的电流进行电解，这就是工业电解质铝的基本做法。

冰晶石的化学成分是AlNaF₄或写成AlF₃·NaF，在进行电解时，放入的氧化铝中的氧在阳极上变成氧气，氟的成分不发生变化。混合物中有钠和铝，电解时阴极上产生金属铝，钠的成分不发生变化。只要不时地向电解槽中添加纯净的氧化铝，就可连续生产金属铝了。

由上述情况可知，炼铝法的发明，经过了那样曲折的过程，是社会前进的一个反映。