شارح الدرس: استخلاص الألومنيوم الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

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.

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.

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، . وتُعرَف عملية تنقية الألومينا من البوكسيت باسم عملية باير، وهي تفاعل بين أكسيد الألومنيوم وهيدروكسيد الصوديوم.

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.

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

تُذاب الألومينا، التي نتذكَّر أنها الاسم الشائع الذي يُطلَق على أكسيد الألومنيوم، في الكريوليت المنصهر عند درجة حرارة 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:

علينا جمع هاتين المعادلتين النصفيتين لنحصل على المعادلة الكلية للخلية الإلكتروليتية. وعلينا أيضًا موازنة عدد الإلكترونات الموجودة في طرفَي المعادلة:

وهذا يُعطينا معادلة إجمالية للتفاعل يمكن كتابتها كالآتي:

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: وبناءً على ذلك، تتآكل المصاعد المصنوعة من الكربون ويلزم استبدالها كل شهر.

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.