شارح الدرس: استخلاص الألومنيوم | نجوى شارح الدرس: استخلاص الألومنيوم | نجوى

شارح الدرس: استخلاص الألومنيوم الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

انضم إلى نجوى كلاسيز

شارك في حصص الكيمياء المباشرة على نجوى كلاسيز وتعلم المزيد حول هذا الدرس من معلم خبير!

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف استخلاص الألومنيوم من خاماته باستخدام التحليل الكهربي.

يُعَد الألومنيوم أحد أهم المواد في العالم؛ فهو فلز قوي ومرن وخفيف، ولسبائكه استخدامات كثيرة جدًّا. تَجري عملية إنتاج الألومنيوم في مواقع في جميع أنحاء العالم من خلال مصانع صهر الألومنيوم باستخدام التحليل الكهربي بطريقة تُعرَف باسم عملية هال-هيرولت لإنتاج نحو 200‎ ‎000 طن من الألومنيوم كل سنة.

تعريف: التحليل الكهربي

التحليل الكهربي هو عملية كيميائية يتم فيها إمرار تيار كهربي خلال إلكتروليت، ما يتسبَّب في تفكُّكه إلى العناصر المكوِّنة له.

توضِّح الصورة الآتية منجمًا مكشوفًا في كازاخستان؛ حيث يُستخرَج البوكسيت، وهو أكثر خامات الألومنيوم وفرةً. يمكن التعامل مع البوكسيت باعتباره أكسيد ألومنيوم غير نقي، يكتسب لونه البني المحمر، كما نرى بوضوح في الصورة، من الشوائب المتمثِّلة في أكسيد الحديد الثلاثي.

منجم مفتوح للبوكسيت في كازاخستان

مصانع صهر الألومنيوم مصانع ضخمة، وتُقام على مساحة كبيرة جدًّا. (توضِّح الصورة الآتية أحد هذه المصانع في روسيا.) وتتكوَّن هذه المصانع من صفوف متعدِّدة من خلايا الصهر ومرافق الصب، فضلًا عن مناطق إنتاج المصعد. ولكن قبل أن تبدأ عملية الاستخراج، يجب أولًا تنقية خام البوكسيت وتحويله إلى الألومينا النقية، AlO23. وتُعرَف عملية تنقية الألومينا من البوكسيت باسم عملية باير، وهي تفاعل بين أكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد الصوديوم.

مصنع كبير لصهر الألومنيوم في روسيا

تعريف: المصعد

المصعد هو القطب الموجب في الخلية الإلكتروليتية.

تتفكَّك الألومينا باستخدام التحليل الكهربي، وهي عملية صناعية مكلِّفة تستهلك فيها المصانع كميات كبيرة من الطاقة الكهربية. تستخدم مصانع صهر الألومنيوم نحو 200 MW من الطاقة كل سنة؛ لذا، دعونا نذكِّر أنفسنا بأهمية استخدام التحليل الكهربي لاستخلاص الألومنيوم.

الألومنيوم فلز نشط جدًّا؛ فهو أكثر تفاعلية من العوامل المختزلة؛ مثل الكربون والهيدروجين. على سبيل المثال، لا يمكن اختزال مادة الألومينا باستخدام الكربون كما نفعل مع خامات الفلزات الأخرى مثل الهيماتيت. والهيماتيت هو خام من خامات الحديد يحتوي على أكسيد الحديد الثلاثي، الذي يمكن اختزاله باستخدام الكربون في الفرن العالي للحصول على فلز الحديد. لذا، بالنسبة إلى الألومنيوم وغيره من الفلزات النشطة؛ مثل الصوديوم، يجب علينا استخدام عملية التحليل الكهربي.

ولكي تَجري عملية التحليل الكهربي على نطاق صناعي واسع، يلزم وجود العديد من الخلايا الإلكتروليتية. فيلزم وجود أكثر من 300 خلية منفردة متصلة بعضها ببعض طرفًا لطرف، وتحتاج إلى تيارات كهربية شدتها تزيد على 150‎ ‎000 A، والجهد الكهربي لكل خلية يساوي 4 V تقريبًا. كل خلية تحتوي على غلاف من الصلب محاط بقوالب طوب مقاوم للحرارة، ومتبوع بطبقة من الكربون تعمل كأنها المهبط السالب في عملية التحليل الكهربي.

تعريف: المهبط

المهبط هو القطب السالب في الخلية الإلكتروليتية.

يملأ الكريوليت المنصهر، NaAlF36، الخلية ويلبِّي عدة أغراض؛ مثل مساعدة الألومينا في توصيل التيار الكهربي وخفض درجة انصهار الألومينا بفاعلية. درجة انصهار الألومينا هي 2072C، لكن عند خلطها مع الكريوليت، ينصهر الخليط عند درجة حرارة أقل بالقرب من 900C. وبذوبان الألومينا في الكريوليت يصبح لدينا خليط إلكتروليتي لهذا التفاعل.

تعريف: الإلكتروليت

الإلكتروليت هو مادة تحتوي على أيونات حرة الحركة يمكنها توصيل التيار الكهربي.

مثال ١: سبب استخدام مادة الكريوليت في استخلاص الألومنيوم

أيٌّ من الآتي ليس سببًا لاعتبار الكريوليت جزءًا من الإلكتروليت المُنصهِر في عملية استخلاص الألومنيوم؟

  1. يُقلِّل الكريوليت درجة انصهار الألومينا.
  2. يزيد الكريوليت توصيلية الإلكتروليت.
  3. يُقلِّل الكريوليت درجة الحرارة المُستخدَمة للخلية الإلكتروليتية.
  4. يزيد الكريوليت كمية الكهرباء المُستخدَمة.
  5. يوفِّر الكريوليت أيونات الصوديوم التي تساعد على توصيل التيار الكهربي.

الحل

يطلب منا السؤال تحديد العبارة التي ليست سببًا لإضافة مادة الكريوليت إلى كل خلية خلال عملية التحليل الكهربي.

يشير الخيار (أ) إلى أن مادة الكريوليت تقلِّل من درجة الحرارة التي ينصهر عندها الألومينا. لكن درجة الحرارة داخل الخلية الإلكتروليتية 1000C تقريبًا؛ إذن نعلم من ذلك أن الكريوليت يقلِّل بالفعل من درجة الحرارة التي ينصهر عندها الألومينا. وهذا الانخفاض ستكون له آثار مترتبة على التكلفة؛ حيث يُستخدَم قدرٌ أقل من الطاقة؛ وهذا على الأرجح يكون سببًا وجيهًا لوجود مادة الكريوليت جزءًا من الخليط الإلكتروليتي، وهو ما يعني أن الخيار (أ) ليس الإجابة الصحيحة. نحن نعلم أن الكريوليت يزيد من توصيلية الإلكتروليت، كما هو موضَّح في الخيار (ب)؛ ومن ثَمَّ، الخيار (ب) ليس هو الإجابة الصحيحة أيضًا. والأسباب وراء ذلك معقَّدة إلى حدٍّ كبير، ولكن بشكل رئيسي يزيد الكريوليت من حركة الأيونات في الإلكتروليت. يُشير الخيار (ج) إلى أن الكريوليت يقلِّل من درجة الحرارة اللازمة لعمل الخلية الإلكتروليتية، وهذا يحدث بالفعل، فبدون وجود الكريوليت يجب تسخين الخلية إلى 2000C تقريبًا لصهر الألومينا؛ ولهذا فإن الخيار (ج) ليس صحيحًا أيضًا. يُشير الخيار (د) إلى أن الكريوليت يزيد من كمية الطاقة الكهربية المستخدَمة، ولكن كمية التيار الكهربي لن تتأثَّر بمادة لا تشارك في أيٍّ من التفاعلات في كلا القطبين الكهربيين؛ ومن ثَمَّ، يكون هذا الخيار هو الإجابة الصحيحة، لكننا سنتحقَّق أيضًا من الخيار (هـ). ينص الخيار (هـ) على أن مادة الكريوليت توفِّر أيونات الصوديوم، وتساعد على توصيل التيار الكهربي. يحتوي الكريوليت على عنصر الصوديوم، ونحن نعلم أن الكريوليت يحسِّن التوصيلية الكهربية. إذن الخيار (هـ) ليس الإجابة الصحيحة؛ ما يعني أن الخيار السابق (د) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

تُذاب الألومينا، التي نتذكَّر أنها الاسم الشائع الذي يُطلَق على أكسيد الألومنيوم، في الكريوليت المنصهر عند درجة حرارة 900C تقريبًا. وبعد ذلك يتم إنزال مصاعد من الكربون في الخليط الإلكتروليتي، وبذلك تكتمل الدائرة الكهربية. صُمِّمت الخلية الإلكتروليتية المستخدَمة في استخلاص الألومنيوم (الموضَّحة في الشكل الآتي) في عام 1886 من قِبل الكيميائي الأمريكي تشارلز مارتن هال والكيميائي الفرنسي بول هيرولت معًا.

يمكننا وصف التفاعلات التي تحدث أثناء التحليل الكهربي بدلالة الأكسدة والاختزال وحركة الإلكترونات. تُعَد الأكسدة فقدًا للإلكترونات، في حين يتضمَّن الاختزال اكتسابًا للإلكترونات. إذا واجهتك مشكلة في تذكُّر تعريف عمليتَي الأكسدة والاختزال، يمكنك ربطهما بكلمتَي خسارة وفوز؛ فحرف السين مشترك في كلمتَي أكسدة وخسارة، والأكسدة هي عملية تُفقد فيها الإلكترونات، وحرف الزاي مشترك في كلمتَي اختزال وفوز، والاختزال هو عملية تُكتسب فيها الإلكترونات.

أثناء التحليل الكهربي، تنجذب أيونات الألومنيوم إلى المهبط حيث تُختزَل، ويَكتسب كلٌّ منها ثلاثة إلكترونات، وتُحوَّل إلى ذرات فلز الألومنيوم ثم تغوص إلى قاع الخلية. وتتحرَّك أيونات الأكسيد، ذات الشحنة السالبة، إلى المصعد حيث تتأكسد، ويفقد كلٌّ منها إلكترونين، ثم تتحد معًا مكوِّنة جزيئات الأكسجين. المعادلتان النصفيتان والمعادلة الكلية للتحليل الكهربي للألومينا هما: Al()+3eAl()3+ll2O()O()+4e22lg

علينا جمع هاتين المعادلتين النصفيتين لنحصل على المعادلة الكلية للخلية الإلكتروليتية. وعلينا أيضًا موازنة عدد الإلكترونات الموجودة في طرفَي المعادلة: 4Al()+12e4Al()3+ll6O()3O()+12e22lg

وهذا يُعطينا معادلة إجمالية للتفاعل يمكن كتابتها كالآتي: 2AlO()4Al()+3O()232llg

مثال ٢: حركة الإلكترونات في اختزال أيونات الألومنيوم

املأ الفراغ: أثناء استخلاص الألومنيوم، الألومنيوم ؛ لأنها إلكترونات.

  1. أيونات، تُختزَل، تفقد
  2. ذرات، تتأكسد، تفقد
  3. ذرات، تُختزَل، تفقد
  4. أيونات، تتأكسد، تكتسب
  5. أيونات، تُختزَل، تكتسب

الحل

يطلب منا هذا السؤال ملء الفراغ في جملة عن الألومنيوم والإلكترونات. بالنظر إلى خيارات الإجابة، يمكننا ملاحظة أن لدينا اختيارين للفراغ الأول، أيونات أو ذرات. نحن نعلم أننا نحاول تكوين ذرات ألومنيوم خلال هذه العملية، ونبدأ بالمادة الخام الأيونية الألومينا؛ ومن ثم، فإن الفراغ الأول سيكون أيونات، وبهذا نستبعد الخيارين (ب) و(ج)، لكن دعونا نستمر ونتحقَّق من بقية الجملة. ولكي تصبح أيونات الفلز ذرات، لا بد لها من اكتساب إلكترونات، كما عرفنا سابقًا. واكتساب الإلكترونات يعني الاختزال، وهو ما يجعلنا نتوصَّل إلى العبارة الصحيحة؛ وهي: «أثناء استخلاص الألومنيوم، أيونات الألومنيوم تُختزَل؛ لأنها تكتسب إلكترونات». إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ).

تحدث عملية التحليل الكهربي على مدار 365 يومًا في السنة، وعلى مدار 24 ساعة في اليوم؛ حيث يتفكَّك أكسيد الألومنيوم إلى فلز الألومنيوم وغاز الأكسجين. تتكوَّن قشرة بشكل مستمر عند قمة الخلية، ويلزم كسرها كل 3 إلى 4 دقائق لكي تتم إعادة ملء الخلية بالمزيد من الألومينا. يتسبَّب ارتفاع درجة الحرارة في حدوث تفاعل بين المصعد الكربوني والأكسجين الناتج خلال التحلُّل الكهربي، مكوِّنًا بذلك ثاني أكسيد الكربون: C()+O()CO()sgg22 وبناءً على ذلك، تتآكل المصاعد المصنوعة من الكربون ويلزم استبدالها كل شهر.

مثال ٣: التعرُّف على الغازات المتبقية من خلية هال-هيرولت

بمعلومية محتويات الخلية الإلكتروليتية المستخدَمة في استخلاص الألومنيوم، أيٌّ ممَّا يلي من غير المحتمل أن يكون غازًا متبقيًا؟

  1. O2
  2. H2
  3. CO
  4. CO2

الحل

المطلوب منا في هذا السؤال هو معرفة أيُّ الغازات الأربعة المختلفة السابقة غير محتمل أن نجده ناتجًا من خلية التحليل الكهربي أثناء استخلاص الألومنيوم.

الخيار الأول لدينا هو الأكسجين ورمزه O2؛ ونحن نعلم أن الألومينا في الواقع هي أكسيد الألومنيوم، وأن أيونات الأكسيد هذه تشكِّل جزيئات أكسجين عند المصعد، ولهذا فمن المحتمل جدًّا أن ينتج غاز الأكسجين، إذن الخيار (أ) غير صحيح.

الخيار (ب) هو غاز الهيدروجين ورمزه H2. لا توجد مركبات تحتوي على الهيدروجين في الإلكتروليت أو في الخلية الإلكتروليتية نفسها؛ لذا، يصعب تخمين مصدر غاز الهيدروجين. ولذا، فإن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة على الأرجح، لكننا سنتحقَّق من الخيارين الأخيرين. الخياران (ج) و(د) كلاهما أكاسيد كربون، ونعلم أن المصاعد الموضوعة في الجزء العلوي للخلية مصنوعة من الكربون، وأن الأكسجين ينتج عند المصعد؛ لذا، من المحتمل جدًّا أن نحصل على ثاني أكسيد الكربون أو أول أكسيد الكربون من عملية أكسدة غير تامة في صورة غازات متبقية.

بعد استبعاد (أ) و(ج) و(د)، يبدو أن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة.

تُنتِج كل خلية نحو 50 kg من الألومنيوم في الساعة، ثم تُمتص هذه الكمية خارج الخلية وتؤخذ لصب سبائك من الألومنيوم النقي، أو يخلط الألومنيوم مع فلزات أخرى؛ مثل الحديد والسليكون والمنجنيز والمغنيسيوم، في إنتاج السبائك. بعد صب الألومنيوم في الشكل المرجو وبالكميات المطلوبة، يُشحَن الألومنيوم وسبائكه إلى جميع أنحاء العالم لاستغلاله في استخدامات كثيرة جدًّا. تتضمَّن بعض الاستخدامات الشائعة لهذا الفلز الاستثنائي نوافذ الألومنيوم وإطارات الأبواب والرقائق التي نستخدمها يوميًّا في المطبخ، والكابلات الكهربية العالية، مع وجود سبائك أخرى لها أهمية كبيرة في صناعة الطائرات.

النقاط الرئيسية

  • يجب أن يُستخلَص الألومنيوم من خاماته باستخدام التحليل الكهربي؛ لأنه فلز نشط للغاية، وأكثر تفاعلًا من الهيدروجين والكربون.
  • يحدث التحليل الكهربي في خلية إلكتروليتية تحتوي على إلكتروليت مكوَّن من الألومينا والكريوليت.
  • يساعد الكريوليت في خفض درجة الحرارة اللازمة للخلية، وخفض التكلفة بالتبعية.
  • يُنتَج الألومنيوم المنصهر من خلال عملية اختزال تتم في الخلية إلى جانب انبعاث غازات أكسجين متبقية تتفاعل مع المصعد المصنوع من الكربون.
  • يُعَد الألومنيوم فلزًّا مهمًّا للغاية في المجتمع، وله العديد من الاستخدامات المختلفة.

انضم إلى نجوى كلاسيز

شارك في الحصص المباشرة على نجوى كلاسيز وحقق التميز الدراسي بإرشاد وتوجيه من معلم خبير!

  • حصص تفاعلية
  • دردشة ورسائل
  • أسئلة امتحانات واقعية

تستخدم «نجوى» ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. اعرف المزيد عن سياسة الخصوصية