Најважније из лекције
1. Добијање глинице из боксита: Руда боксит (\(\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}\)) се третира концентрованим \(\text{NaOH}\), чиме се алуминијум преводи у растворни натријум-тетрахидроксоалуминат(III), а нерастворни оксиди примеса одвајају као талог. Хидролизом раствора добија се \(\text{Al}(\text{OH})_3\), чијим се жарењем производи чиста глиница (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)).
2. Електролитичко добијање алуминијума: Глиница се раствара у растопљеном криолиту (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)) ради снижавања тачке топљења.
3. Електроде и реакције:
2. Електролитичко добијање алуминијума: Глиница се раствара у растопљеном криолиту (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)) ради снижавања тачке топљења.
3. Електроде и реакције:
- Катода (\(-\)): угљенично дно пећи на коме се редукује и издваја течни \(\text{Al}\) (\(99,5–99,9\ \%\)).
- Анода (\(+\)): угљенични блокови који постепено сагоревају под дејством издвојеног кисеоника градећи \(\text{CO}\), због чега се морају мењати (дисконтинуалан процес).
Боксит (\(\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}\)): Основна руда алуминијума. Најчешће је црвене боје због примеса оксида гвожђа, а садржи и оксиде силицијума, титана и друге примесе.
Глиница (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)): Чист, безводни алуминијум-оксид који се издваја из боксита као бели прах и служи као полазна сировина за електролизу.
Уситњавање и растварање: Боксит се ситни (меље), а затим загрева са концентрованим раствором натријум-хидроксида (\(\text{NaOH}\)) на повишеној температури и притиску током 6 до 8 сати. Алуминијум прелази у раствор у облику натријум-тетрахидроксоалумината(III):
\[ \text{Al}_2\text{O}_3(\text{с примесама}) + 2\text{NaOH}(\text{aq}) + 3\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \longrightarrow 2\text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4](\text{aq}) \]
Одвајање примеса: Нерастворне примесе (оксиди гвожђа, силицијума, титана) заостају као талог (тзв. црвени муљ) и уклањају се декантовањем и цеђењем (филтрацијом).
Хидролиза и таложење: Бистри декантовани раствор алумината се хлади. Током приближно пет дана со хидролизује и таложи се чист алуминијум-хидроксид:
\[ \text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4](\text{aq}) \longrightarrow \text{Al}(\text{OH})_3(\text{s}) + \text{NaOH}(\text{aq}) \]
Жарење (калцинација): Издвојени талог \(\text{Al}(\text{OH})_3\) се филтрира, суши и жари на високој температури, чиме настаје чиста глиница:
\[ 2\text{Al}(\text{OH})_3(\text{s}) \xrightarrow{t^\circ} \text{Al}_2\text{O}_3(\text{s}) + 3\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
Чиста глиница има изузетно високу температуру топљења (\(2\ 045\ ^\circ\text{C}\)), што представља велику енергетску препреку. Због тога се глиница раствара у истопљеном криолиту (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)), чиме се радна температура знатно снижава (на око \(950–1000\ ^\circ\text{C}\)).
Катода (\(-\)): Дно пећи обложено чистим угљеником (графитом). На катоди се врши редукција јона алуминијума:
\[ \text{Al}^{3+} + 3\text{e}^- \longrightarrow \text{Al}(\text{l}) \]
Течни алуминијум је гушћи од растопа електролита, скупља се на дну пећи и повремено испумпава помоћу вакуум-лонаца (чистоћа \(99,5–99,9\ \%\)).
Анода (\(+\)): Угљенични блокови уроњени у растоп. На аноди се оксидују јони кисеоника. На високој радној температури издвојени кисеоник реагује са угљеником из аноде, трошећи је и градећи токсични \(\text{CO}\):
\[ 2\text{O}^{2-} \longrightarrow \text{O}_2(\text{g}) + 4\text{e}^- \]
\[ 2\text{C}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow 2\text{CO}(\text{g}) \]
Збирна реакција електролизе:
\[ 2\text{Al}_2\text{O}_3(\text{l}) + 3\text{C}(\text{s}) \xrightarrow{\text{електролиза}} 4\text{Al}(\text{l}) + 3\text{CO}_2(\text{g}) \quad (\text{односно } 2\text{C} + \text{O}_2 \longrightarrow 2\text{CO}) \]
Производња алуминијума је дисконтинуалан процес – захтева периодични прекид рада ради замене потрошених угљеничних анода и додавања нових количина сировина. Дисконтинуални процеси су због тога скупљи од континуалних. Поред примарног добијања из руде, око \(2/3\) укупног алуминијума данас се обезбеђује рециклажом.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Зашто се електролиза глинице не врши директним топљењем чистог \(\text{Al}_2\text{O}_3\), већ се користи додатак криолита (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\))?
Чиста глиница има веома високу температуру топљења (\(2\ 045\ ^\circ\text{C}\)), што захтева огромну количину енергије и скупе материјале за израду пећи. Растварањем глинице у истопљеном криолиту ствара се смеша која се топи на знатно нижој температури (око \(950–1000\ ^\circ\text{C}\)), чиме процес постаје енергетски и економски изводљив.
Задатак 2 (средњи): Због чега се угљеничне аноде троше током процеса електролизе и зашто то чини процес дисконтинуалним? Напиши хемијску једначину те реакције.
На позитивној електроди (аноди) електролизом се издваја гасовити кисеоник (\(\text{O}_2\)). На високој радној температури у пећи, ослобођени кисеоник хемијски реагује са угљеником од кога су направљене аноде и сагорева га:
\[ 2\text{C}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow 2\text{CO}(\text{g}) \]
Због постепеног трошења (сагоревања) анода, електролиза се мора периодично прекидати како би се истрошене угљене електроде замениле новим, што процес чини дисконтинуалним.
Задатак 3 (тежак): Колико се тона алуминијума може теоријски и стварно добити из \(2\text{ t}\) боксита у којем је масени удео глинице (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) \(42,3\ \%\), ако је укупан принос примењеног индустријског процеса \(87,2\ \%\)?
(Моларне масе: \(M(\text{Al}) = 27\text{ g/mol}\), \(M(\text{Al}_2\text{O}_3) = 102\text{ g/mol}\))
(Моларне масе: \(M(\text{Al}) = 27\text{ g/mol}\), \(M(\text{Al}_2\text{O}_3) = 102\text{ g/mol}\))
1. Израчунавање масе чисте глинице у бокситу:
\[ m(\text{Al}_2\text{O}_3) = m(\text{боксита}) \cdot w(\text{Al}_2\text{O}_3) = 2\text{ t} \cdot 0,423 = 0,846\text{ t} = 846\text{ kg} \] 2. Израчунавање теоријске масе алуминијума:
Из реакције добијања алуминијума из глинице (\(\text{Al}_2\text{O}_3 \longrightarrow 2\text{Al}\)): \[ M(\text{Al}_2\text{O}_3) = 102\text{ g/mol} \implies 2 \cdot M(\text{Al}) = 54\text{ g/mol} \] \[ \frac{m_{\text{теор}}(\text{Al})}{m(\text{Al}_2\text{O}_3)} = \frac{2 \cdot M(\text{Al})}{M(\text{Al}_2\text{O}_3)} = \frac{54}{102} \] \[ m_{\text{теор}}(\text{Al}) = 0,846\text{ t} \cdot \frac{54}{102} \approx 0,4479\text{ t} \ (447,9\text{ kg}) \] 3. Израчунавање стварне масе са приносом од \(87,2\ \%\):
\[ m_{\text{стварно}}(\text{Al}) = m_{\text{теор}}(\text{Al}) \cdot \eta = 0,4479\text{ t} \cdot 0,872 \approx 0,3906\text{ t} \approx 390,6\text{ kg} \] Одговор: Теоријски се може добити \(0,448\text{ t}\) (\(447,9\text{ kg}\)), а узимајући у обзир принос добија се око \(0,391\text{ t}\) (\(390,6\text{ kg}\)) алуминијума.
\[ m(\text{Al}_2\text{O}_3) = m(\text{боксита}) \cdot w(\text{Al}_2\text{O}_3) = 2\text{ t} \cdot 0,423 = 0,846\text{ t} = 846\text{ kg} \] 2. Израчунавање теоријске масе алуминијума:
Из реакције добијања алуминијума из глинице (\(\text{Al}_2\text{O}_3 \longrightarrow 2\text{Al}\)): \[ M(\text{Al}_2\text{O}_3) = 102\text{ g/mol} \implies 2 \cdot M(\text{Al}) = 54\text{ g/mol} \] \[ \frac{m_{\text{теор}}(\text{Al})}{m(\text{Al}_2\text{O}_3)} = \frac{2 \cdot M(\text{Al})}{M(\text{Al}_2\text{O}_3)} = \frac{54}{102} \] \[ m_{\text{теор}}(\text{Al}) = 0,846\text{ t} \cdot \frac{54}{102} \approx 0,4479\text{ t} \ (447,9\text{ kg}) \] 3. Израчунавање стварне масе са приносом од \(87,2\ \%\):
\[ m_{\text{стварно}}(\text{Al}) = m_{\text{теор}}(\text{Al}) \cdot \eta = 0,4479\text{ t} \cdot 0,872 \approx 0,3906\text{ t} \approx 390,6\text{ kg} \] Одговор: Теоријски се може добити \(0,448\text{ t}\) (\(447,9\text{ kg}\)), а узимајући у обзир принос добија се око \(0,391\text{ t}\) (\(390,6\text{ kg}\)) алуминијума.
