فيديو الدرس: استخلاص الألومنيوم الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف استخلاص الألومنيوم من خاماته باستخدام التحليل الكهربي.

١٥:٣٥

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف يستخلص الألومنيوم من خاماته من خلال عملية التحليل الكهربي. لماذا نستخلص الألومنيوم؟ لماذا هو مهم جدًّا؟ حسنًا، الألومنيوم الذي يكتب بالإنجليزية: ‪aluminum‬‏ و‪aluminium‬‏، له عديد من الاستخدامات المفيدة في الصناعة وفي الحياة اليومية. وعليه فهو فلز مهم من الناحية الاقتصادية. إنه خفيف الوزن وقوي ومرن. وعلى الرغم من تكون طبقة أكسيد على سطح الألومنيوم بعد تعرضه إلى الهواء لفترة من الوقت، فإن هذه الطبقة الواقية تحافظ على قوة الفلز وسلامته. وتمنع الفلز تحتها من التعرض إلى مزيد من التآكل.

حسنًا، من أين نحصل على الألومنيوم النقي؟ الألومنيوم هو الفلز الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، ويجب أن يستخلص من خام الألومنيوم. والخامات مواد صلبة مثل الصخور، توجد بشكل طبيعي، وتحتوي على فلزات أو معادن قيمة يمكن استخلاصها. وتنتج ملايين الأطنان من الألومنيوم كل عام في جميع أنحاء العالم من خاماته. خام الألومنيوم الأكثر شيوعًا هو البوكسيت. البوكسيت صخرة رسوبية ذات لون بني محمر تتكون في الأساس من أكسيد الألومنيوم، ‪Al2O3‬‏، المعروف باسم الألومينا، وكذلك ثاني أكسيد السليكون، ‪SiO2‬‏، أو السليكا، المكون الرئيسي للرمال، وبعض شوائب أكسيد الحديد، وأبرزها أكسيد الحديد الثلاثي، ‪Fe2O3‬‏، الذي يكسب هذا الخام لونه البني المحمر المميز، وكميات قليلة من ثاني أكسيد التيتانيوم الأبيض، ‪TiO2‬‏.

تحدث عملية استخلاص الألومنيوم وفصله عن المركبات الأخرى الموجودة في خاماته داخل مصانع صهر كبيرة. يتحول البوكسيت أولًا إلى ألومينا في عملية باير، ثم يتحول الألومينا إلى فلز الألومنيوم عن طريق عملية هال-هيرولت. في عملية باير، يسحق البوكسيت أولًا ويطحن ثم يخلط. وبعد ذلك، يضاف إلى محلول ساخن من هيدروكسيد الصوديوم. يتفاعل هيدروكسيد الصوديوم مع أكسيد الألومنيوم الموجود في الخام، وهو ما يؤدي إلى إذابة مركبات الألومنيوم. وبعد ذلك، تزال الشوائب غير القابلة للذوبان. ثم تبرد مركبات الألومنيوم المذابة وترسب، ثم تسخن من جديد لإنتاج الألومينا.

حسنًا، لقد ألقينا للتو نظرة سريعة على عملية باير. لكن هذا الفيديو يركز في المقام الأول على عملية هال-هيرولت. يحدث تحويل الألومينا إلى فلز الألومنيوم باستخدام التحليل الكهربي. والتحليل الكهربي عملية كيميائية تمرر فيها الكهرباء عبر إلكتروليت، وهو ما يسبب تفككه إلى العناصر المكونة له. وتتطلب عملية التحليل الكهربي قدرًا كبيرًا من الطاقة؛ ومن ثم فإن إنتاج الألومنيوم أمر مكلف. لماذا إذن نستخدم طريقة التحليل الكهربي في استخلاص الألومنيوم؟ للإجابة عن هذا السؤال، علينا معرفة أن طريقة استخلاص أي فلز تتحدد بناء على مدى تفاعلية هذا الفلز. توضح سلسلة النشاط الكيميائي هذه بعض الفلزات النشطة نسبيًّا وبعض الفلزات الأقل نشاطًا، مرتبة تنازليًّا حسب التفاعلية، نسبة إلى تفاعلية الكربون اللافلزي.

الفلزات النشطة، ومنها الألومنيوم، لها أكاسيد مستقرة للغاية. على سبيل المثال، لا يوجد الألومنيوم في صورة فلز نقي في القشرة الأرضية، وإنما في صورة مركبات من الألومنيوم. وأكسيد الألومنيوم أو الألومينا مركب مستقر للغاية. ويتطلب الأمر قدرًا كبيرًا من الطاقة لفصل الفلزات عن الأكسجين. بعبارة أخرى: اختزال الألومينا إلى فلز نقي وإنتاج الأكسجين يتطلب الكثير من الطاقة. ولذلك، فإن التحليل الكهربي هو الطريقة المناسبة لفصل الفلزات النشطة عن أكاسيدها. أما الفلزات الأقل نشاطًا، فإن أكاسيدها تكون أقل استقرارًا.

مثال على ذلك أكسيد الحديد الثلاثي، الذي يوجد في الهيماتيت. يتطلب فصل هذا الفلز عن الأكسجين قدرًا أقل من الطاقة. على سبيل المثال، يستخلص فلز الحديد عادة عن طريق الاختزال بالكربون؛ نظرًا لأن الكربون أكثر نشاطًا. فعلى سبيل المثال، يتفاعل الكربون مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون. وهذا يحدث في الفرن العالي. إذن الفلزات الأدنى في ترتيب القائمة تختزل عمومًا في وجود الكربون للحصول على الفلز النقي.

إننا نعرف الآن لماذا يستخلص الألومنيوم من خاماته عن طريق التحليل الكهربي. دعونا نلق نظرة على هذه العملية بمزيد من التفصيل. لقد ذكرنا أن الألومينا يستخلص من خامه عن طريق عملية باير، وأن الألومنيوم يستخلص من الألومينا من خلال التحليل الكهربي عن طريق عملية هال-هيرولت. سنتناول هذه الخطوة الآن. يوضح الشكل مقطعًا عرضيًّا لخلية هال-هيرولت الإلكتروليتية. وهي تتكون من طبقة خارجية من الطوب المقاوم للحرارة، ثم غلاف من الصلب. والطبقة الثالثة عبارة عن مهبط من الكربون يبطن الخلية. ويكون الكربون في صورة جرافيت أو أنثراسيت. والمهبط في الخلية الإلكتروليتية هو القطب السالب. ويتكون المصعدان، اللذان لهما شحنة موجبة، من الكربون أيضًا. والمادة البادئة في عملية التحليل الكهربي هي الألومينا.

في التحليل الكهربي، عادة ما ينصهر المركب البادئ ثم تنتقل الكهرباء عبره لفصل عناصره. لكن درجة انصهار الألومينا تزيد عن 2000 درجة سلزية. ومن ثم، فإنه بدلًا من ذلك، يخلط الألومينا والكريوليت معًا، وينصهر الخليط عند درجة حرارة 900 درجة سلزية تقريبًا. إن درجة انصهار الكريوليت أقل من درجة انصهار الألومينا، وهو يسلك سلوك المذيب لتكوين إلكتروليت من الألومينا والكريوليت المنصهر. وعليه يستخدم قدر أقل من الطاقة، وتقل تكاليف الإنتاج. دعونا نذكر أنفسنا بماهية الإلكتروليت. الإلكتروليت مادة ذات أيونات حرة الحركة يمكنها توصيل الكهرباء.

الآن وقد عرفنا إعداد الخلية، كيف يولد الألومنيوم؟ أولًا: تمر الكهرباء عبر الإلكتروليت باستخدام المصعدين والمهبط. عند المهبط، تكتسب أيونات ‪Al3+‬‏ الإلكترونات وتختزل. ويمكننا كتابة هذه المعادلة النصفية على النحو الآتي. تكتسب الأيونات الموجبة إلكترونات. وهذه عملية اختزال. يساعدنا ربط كلمتي الأكسدة والاختزال بالكلمتين «خسارة» و«فوز» على تذكر ذلك. الاختزال هو اكتساب الإلكترونات. يغوص الألومنيوم السائل إلى قاع الخلية ويتدفق، ثم يجمع عبر مخرج. وبعد ذلك، يصب الألومنيوم على شكل كتل. تتجه أيونات الأكسيد السالبة الشحنة من الألومينا نحو المصعدين. وتوضح هذه المعادلة النصفية التفاعل الذي يحدث. هذه عملية أكسدة.

الأكسدة هي فقد الإلكترونات، ويمكننا ملاحظة أن تلك الإلكترونات الأربعة تزال من الأكسجين. في هذه العملية، ينتج غاز الأكسجين ويتصاعد على صورة فقاعات. يتفاعل بعض الأكسجين مع الكربون عند المصعدين في درجات الحرارة الشديدة الارتفاع تلك. ولهذا السبب، يجب استبدال المصاعد دائمًا عندما تبدأ في التفتت. يمكننا جمع هاتين المعادلتين النصفيتين للحصول على التفاعل الإجمالي للخلية الإلكتروليتية. سنعيد كتابة المعادلتين. وبعد ذلك، سنضرب كل معادلة في عدد مناسب لكي نحذف الإلكترونات. إذا ضربنا المعادلة العليا في أربعة والمعادلة السفلى في ثلاثة، نحصل على الآتي. يمكن حذف 12 إلكترونًا على اليسار و 12 إلكترونًا على اليمين.

والآن يمكننا جمع المعادلتين معًا، ونحصل بذلك على المعادلة الإجمالية الآتية: أربعة ‪Al3+‬‏ السائل زائد ستة ‪O2−‬‏ السائل ينتج أربعة ‪Al‬‏ السائل زائد ثلاثة ‪O2‬‏ الغاز. يمكننا دمج هذه الأيونات في صيغة الألومينا البادئة. ونلاحظ أنه في مقابل كل مولين من الألومينا يضافان إلى الخلية، تنتج أربعة مولات من الألومنيوم. إننا نحتاج إلى عدة خلايا إلكتروليتية كهذه، يزيد عددها أحيانًا عن 300 خلية، لإنتاج الألومنيوم بمعدل مقبول اقتصاديًّا في الصناعة.

ويلزم وجود تيار كهربي تزيد شدته عن 150000 أمبير وقرابة أربعة فولت لكل خلية. وهذه عملية تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة يصل إلى نحو 15 كيلووات في الساعة لكل كيلوجرام ينتج من الألومنيوم، وهذا يعادل 54 ميجا جول من الطاقة اللازمة لإنتاج كيلوجرام واحد من الألومنيوم. ومع ذلك، يدرس العلماء طرقًا من شأنها أن تجعل تلك العملية أكثر كفاءة. والآن حان وقت التدريب.

أي من الآتي ليس سببًا لاعتبار الكريوليت جزءًا من الإلكتروليت المنصهر في عملية استخلاص الألومنيوم؟ (أ) يزيد الكريوليت كمية الكهرباء المستخدمة. (ب) يقلل الكريوليت درجة انصهار الألومينا. (ج) يزيد الكريوليت توصيلية الإلكتروليت. (د) يوفر الكريوليت أيونات الصوديوم التي تساعد على توصيل التيار الكهربي. (هـ) يقلل الكريوليت درجة الحرارة المستخدمة للخلية الإلكتروليتية.

حسنًا، تتكون عملية استخلاص الألومنيوم من خطوتين. في البداية، يستخرج الألومينا من خام البوكسيت في عملية باير. بعد ذلك، يستخلص فلز الألومنيوم النقي من الألومينا في عملية هال-هيرولت. وهذه عملية إلكتروليتية. التحليل الكهربي عملية كيميائية تنتقل فيها الكهرباء عبر الإلكتروليت، وهو ما يسبب تفككه إلى العناصر المكونة له. والسؤال هنا عن الإلكتروليت المنصهر؛ ومن ثم فنحن نعرف أننا نتناول عملية التحليل الكهربي. في خلية هال-هيرولت الإلكتروليتية، لدينا مهبط من الكربون ومصعد من الكربون.

تمر الكهرباء عبر إلكتروليت يحتوي على أيونات الألومنيوم، التي تكتسب الإلكترونات من المهبط، وتختزل هذه الأيونات إلى فلز الألومنيوم. ويغوص فلز الألومنيوم السائل هذا إلى قاع الخلية، ويمكن تجميعه عبر مخرج، ثم يصب بعد ذلك على شكل كتل. إذا كان الإلكتروليت يتكون فقط من الألومينا المنصهرة، بعبارة أخرى: أكسيد الألومنيوم السائل، فسيكون من الضروري تسخين الألومينا الصلبة إلى درجة انصهارها، التي تزيد عن 2000 درجة سلزية. وهذا يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة. لذا بدلًا من ذلك، يخلط الكريوليت، وهو مركب من الصوديوم والألومنيوم والفلوريد، مع الألومينا الصلبة. الكريوليت له درجة انصهار أقل من أكسيد الألومنيوم، ويعمل عمل المذيب لتكوين خليط إلكتروليت من الكريوليت المنصهر والألومينا.

ينصهر هذا الخليط عند درجة حرارة 900 درجة سلزية تقريبًا، بدلًا من 2000 درجة سلزية في حالة الألومينا النقية. وعليه يستخدم قدر أقل من الطاقة أو الكهرباء. وهذا يقلل من تكاليف الإنتاج. السؤال المطروح هو: أي من الآتي ليس سببًا لاستخدام الكريوليت؟ الخيار (أ)، يزيد الكريوليت كمية الكهرباء المستخدمة، وهذا ليس سببًا لاستخدام الكريوليت. الكريوليت يستخدم لتقليل كمية الكهرباء اللازمة.

أما خيارات الإجابة الأربعة المتبقية فهي أسباب إضافة الكريوليت. يقلل الكريوليت درجة انصهار الألومينا. يزيد توصيلية الإلكتروليت. كما أنه يوفر أيونات الصوديوم التي تساعد على توصيل التيار الكهربي. يقلل درجة الحرارة اللازمة لعمل الخلية الإلكتروليتية. والآن سنرجع إلى السؤال لدينا: أي من الآتي ليس سببًا لاعتبار الكريوليت جزءًا من الإلكتروليت المنصهر في عملية استخلاص الألومنيوم؟ الإجابة هي أن الكريوليت يزيد كمية الكهرباء المستخدمة.

هذه هي النقاط الرئيسية التي تعلمناها عن عملية استخلاص الألومنيوم. الألومنيوم فلز مهم من الناحية الاقتصادية، وله العديد من الاستخدامات المفيدة. البوكسيت هو خام الألومنيوم الأكثر شيوعًا. يجب استخدام التحليل الكهربي لاستخلاص الألومنيوم من خامه؛ نظرًا لأن الألومنيوم أكثر نشاطًا من الكربون. يستخدم الكريوليت لخفض درجة حرارة انصهار الألومينا. هذا بدوره يوفر الطاقة، ويقلل تكاليف الإنتاج. وأخيرًا: تختزل أيونات ‪Al3+‬‏ في الألومينا المنصهرة إلى فلز الألومنيوم عن طريق اكتساب إلكترونات.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.