金屬的化學特性是它們能夠吐出電子變成離子。因為金屬基本上是非常好的還原劑，大部分在自然界發現的金屬礦，金屬離子混合物中，通常含有氧化物、硫化物和矽陰離子。

化學原理啟迪288

商業電解法 Commercial Electrolytic Processes

1.        金屬的化學特性是它們能夠吐出電子變成離子。因為金屬基本上是非常好的還原劑，大部分在自然界發現的金屬礦，金屬離子混合物中，通常含有氧化物、硫化物和矽陰離子。頓性金屬，例如金、銀和鋁比較難氧化，因此自然界挖到的礦藏經常是純金屬。

2.        【製造鋁 Production of Aluminum】鋁是地球上最豐富的元素之一，在元素週期表中位於氧之下、緊鄰矽的第三列位置。

3.        因為鋁是非常有活性的金屬，自然界挖掘到的鋁礦都是氧化物，稱為礬土bauxite。要從含鋁的礦物中提煉鋁金屬，比在其他金屬礦中提煉其他種類的金屬，還要困難百倍。

4.        1782年拉瓦錫Lavoisier確定鋁金屬「強烈地喜歡與氧結合，所以鋁無法被任何已知的還原劑還原」，從拉瓦錫的時代開始很長一段時間，人類一直找不到提煉鋁金屬的方法。

5.        終於在1854年找到一種用鈉金屬提煉鋁金屬的方法，但是仍然無法大量生產，鋁還是非常昂貴希有的金屬。傳說拿破崙三世招待最重要的貴賓鋁製的叉子與湯匙，其餘的賓客使用金與銀的餐具。

6.        1886年開始打破僵局，美國的霍爾Charles M. Hall 與法國的赫魯特Paul Heroult 幾乎同時發現製造鋁的電解法，「霍爾－赫魯特製程 Hall－Heroult process」的關鍵技術是使用熔融的冰晶石Na3AlF4當氧化鋁的溶劑。

7.        電解法要成功，離子必須能夠移動到電極。製造離子移動性的一個常見的方法是在水中多溶解一些溶質，可是這個方法不適合用在鋁身上，因為水比鋁離子Al^3＋更容易還原，它們的標準還原電位差證明這一點：

Al^3＋＋3e^－→Al         E°＝－1.66V

2H2O＋2e^－→H2＋2OH^－ E°＝－0.83V

所以鋁離子溶液沒有辦法製造出電鍍的鋁。

8.        離子移動性也可透過熔融「鹽」製造出來，但是固體鋁鹽Al2O3的熔點太高（2050℃），實際上很難被熔融電解。Al2O3和Na3AlF6的混合物，熔點1000℃，熔點比較低，比較容易熔融，這就是霍爾與赫魯特的發現。

9.        霍爾與赫魯特發現熔融的Al2O3和Na3AlF6的混合物，電解可獲得鋁金屬。因為這項發現，鋁價暴跌，鋁變成便宜、有經濟價值的東西。

10.     礬土bauxite不純粹是鋁氧化物，裡面還有鐵、矽、鈦氧化物與各種矽酸鹽。礬土與氫氧化鈉容易混合會得到純的水合鋁氧化物（Al2O3‧nH2O）；鋁是二性離子，因此礬土（氧化鋁）可溶解於鹼性溶液：

Al2O3 (s)＋2OH^－(aq)→2AlO2^－(aq)＋H2O(l)

礬土裡面其他種的金屬氧化物是鹼性的，不會溶解於鹼性溶液中，維持本來的固態。

11.     然後，我們從含有其他金屬氧化物的污泥中，分離出含有鋁離子（AlO2^－）的溶液，接著用二氧化碳氣體酸化鋁離子溶液：

2CO2(g)＋2AlO2^－(aq)＋(n＋1)H2O(l)→2HCO3^－(aq)＋Al2O3‧nH2O(s)

12.     以上步驟提煉出來的純明礬，在電解槽中，與熔融的冰晶石混合，一起熔融、電解，就還原成鋁金屬。

13.     因為電解質溶液裡含有大量各種的「含鋁離子」，因此難以完全瞭解化學反應的情形，然而，我們推測礬土（Al2O3）與熔融冰晶石Na3AlF6的反應應該是：

Al2O3＋4AlF6^3－→3Al2OF6^2－＋6F^－

14.     電極反應如下 

陰極反應  AlF6^3－＋3e^－→Al＋6F^－

陽極反應  2 Al2OF6^2－＋12F^－＋C→4AlF6^3－＋CO2＋4e^－

15.     整個電池反應可寫成

2Al2O3＋3C→4Al＋3CO2

16.     這個電解程序製造出來的鋁純度是99.5%，為了鍛造成有用的結構素材，鋁會與鋅做成合金，可作為拖車和飛機的結構材料；鋁與鎂合金可作為烹飪用具、儲存罐或儲水槽、公路標誌的材料。美國有5%的電力用在製造鋁金屬上。

n         翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ；圖片來源：http://www.ifa.ukf.net/hallcell/hall.htm