加冰晶石的作用及熔点降低的原因

在一百多年前，铝曾是一种稀有的贵重金属，被称为“银色的金子”，比黄金还珍贵。如今，铝已经成为生活中一种常见金属。这种变化源于铝冶炼工业的发展。众所周知，现代工业生产中采用电解熔融状态氧化铝制取金属铝，但是氧化铝的熔点很高（2 050℃），将其熔化需要耗费大量的能源，增加了生产成本。1884年，美国奥伯林学院化学系，有一位年仅21岁的青年学生查尔斯·马丁·霍尔发现冰晶石可以大幅降低氧化铝的熔点，使现代制铝工业只需要在950℃—970℃条件下就能电解得到铝。那么，什么是冰晶石？它为什么能降低氧化铝的熔点？

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冰晶石是一种矿物，又名六氟合铝酸钠，化学式为Na3Al F6。它是白色细小的晶体，没有气味，熔点为1 009℃，易吸水受潮。

与其说冰晶石降低了氧化铝的熔点，还不如说它对氧化铝而言起到了熔剂的作用。这与食盐溶于水的原理相似，冰晶石是熔剂，氧化铝是熔质。氧化铝的电解不是真正意义上的“熔融”电解：熔融的是冰晶石，氧化铝只是分散质（相当于熔质），分散于液态的冰晶石中，熔融液中的阴离子是由复杂的原子团形成的，并非是简单的氧离子。

为了了解氧化铝在冰晶石熔盐中的熔化过程，用摄像机拍摄了氧化铝熔化的整个过程，如图57和图58所示，本实验是在透明石英槽中进行的。

图57　氧化铝的快速熔化(www.xing528.com)

图58　氧化铝结块的脱落与熔化

在图57中，氧化铝从六氟合铝酸钠中分散出来，并快速熔化。

在图58中，部分氧化铝漂浮在六氟合铝酸钠表面，形成块状固体。块状固体从六氟合铝酸钠表面脱落，部分在下沉过程中熔化，其余沉降在电解槽底部后慢慢熔化。

科学研究表明：在冰晶石中加入一定量的K 3Al F6和Al F3后可以较大幅度地提高氧化铝的熔解度，在5—10 min内熔化达到饱和，从而可以更好地在低温下实现电解制铝。

综上所述，冰晶石满足电解氧化铝所必需的各种特性。它的分解电压比氧化铝高；纯冰晶石熔点为1 009℃，含11%氧化铝的冰晶石-氧化铝熔体共晶点为960℃（共晶点降低类似于水溶液中加入食盐等溶质后导致冰点降低），该温度在实际应用中都可以接受。此外，它在熔融状态时的密度比铝的密度小，电解得到的铝沉于槽底，冰晶石浮在上层，起着防止铝被空气中氧气氧化的作用。