化學原理啟迪288

商業電解法Commercial Electrolytic Processes 2-2

研究心得：

1.     為什麼要從鋁礦中提煉鋁非常困難？

2.     鋁的最外層電子軌域失去1個到3個電子後會變得比較穩定，而氧的最外層電子軌域多吸引2個電子會變得比較穩定，這二種元素結合成「氧化鋁Al2O3」剛好互取所需，所以不容易拆開。

3.     用一般方法的溶解「氧化鋁Al2O3」，可以勉強分開「氧化鋁Al2O3」，但卻沒有辦法得到想要的鋁金屬，因為鋁沒有能力從氧身上奪回電子，只能以Al³⁺離子的形式溶解在水中。

4.     如果我們對水中的鋁離子通電，結果得到的不是還原的鋁元素（鋁金屬），而是氫氣H2，因為「水」比「鋁離子」還要容易還原。

5.     我們必須解決解氧化鋁的三個關鍵問題才能提煉出鋁：

Ø      要找出能夠取代氧O的元素，讓鋁脫離氧的控制，結果我們發現高溫下「氟F」可以取代「氧O」。

Ø      要找出水以外的其他溶劑來溶解氧化鋁，而且溶解氧化鋁的物質的標準還原電位差不能高於鋁；最好的辦法就是找含有鋁的物質來溶解氧化鋁，這樣進行還原反應時，溶劑的鋁也跟著還原成為鋁元素。我們找到的含鋁溶劑是冰晶石Na3AlF6。

Ø      提供電子給鋁離子，讓它進行還原反應，方法就是「電解」。

6.     為什麼高溫下「氟F」可以取代「氧化鋁Al2O3」的「氧O」？

7.     因為「氟F」的陰電性比「氧O」強，「氟F」比「氧O」更強烈地需要吸引電子。另外，「高溫」的目的是增加分子間的碰撞、鬆動化學鍵，讓「氟」更有機會有效碰撞取代「氧」。

8.     為什麼「氟F」的陰電性比「氧O」強？

9.     因為「氟」的原子核多一個帶正電的質子，雖然外層軌域也同時多一個電子，但是因為氟原子的size變大顆，電子運動的範圍變大，相對地外層電子遮蔽能力也跟著下降。

10. 由於氟的電子雲漏洞變多（或說變薄），使得氟原子核的正電引力穿透出來，產生強大引力吸引周遭環境的負電子，所以氟F會去吸引氧化鋁分子身上的電子，破壞氧與鋁的關係。

11. 為什麼六氟化鋁離子AlF6^3－容易還原成鋁元素Al（提煉出鋁金屬）？

12. 「六氟化鋁」化學鍵的強度比「氧化鋁」弱。「氟」只需要從「鋁」身上獲得1個電子就可以讓它的最外層電子軌域填滿，因此「氟」與「鋁」之間的化學鍵是「鋁」提供1個電子構成的，顯示原子之間的引力較弱、化學鍵比較弱；

13. 但是「氧」則需要2個電子才能使它的最外層電子軌域填滿，因此「氧」與「鋁」之間的化學鍵是「鋁」提供2個電子構成的，顯示原子之間的引力較強、化學鍵比較強。

14. 此外，「六氟化鋁AlF6^3－」的分子結構也比「氧化鋁Al2O3」鬆散。

15. 「六氟化鋁」分子結構是1顆「鋁」周圍包裹6個「氟」，「氟」的體積比「氧」大，「氟」的數量更多，這使得空間變得太狹窄，「六氟化鋁」內的原子之間無可避免地彼此不停碰撞，難以維持穩定。

16. 因此，當我們用電解的方式灌注許多電子給「六氟化鋁」，「六氟化鋁」離子系統就會失去平衡，氟帶著電子鬆脫成為氟離子，鋁離子接受電子成為鋁原子（金屬鋁）。

17. 為什麼要在爐裡加入「碳」？「碳」可以與「氧」結合成「二氧化碳」，這樣可以避免剛脫離鋁的氧，又回頭與氟競爭與鋁結合，浪費時間，也可以避免鍋爐燃燒爆炸。