Kryoliet als katalysator bij de bereiding van aluminium

Kryoliet (natriumaluminiumfluoride Na3AlF6) heeft een dubbele functie bij de industriële bereiding van aluminium uit bauxiet. Enerzijds zorgt het voor de verlaging van de smelttemperatuur van aluminiumoxide en anderzijds neemt het deel aan de elektrolytische reactie. Het zorgt voor de drie elektronen om een aluminium-ion om te zetten naar een aluminium-atoom maar neemt deze elektronen weer terug door vervolgens te reageren met het nog aanwezige aluminiumoxide. Dit maakt kryoliet de ideale katalysator voor de bereiding van aluminium.

Inhoud

• Aluminium
• Normpotentialen
• Smeltelektrolyse
• Kryoliet als smeltpuntverlager
• Kryoliet als katalysator
• Na⁺ als concurrent van Al³⁺?

Aluminium

Aluminium is een aardmetaal met drie elektronen op de buitenste schil. Om de stabiele octetstructuur (volle valentieschil) te bereiken, zal het dus 3 elektronen willen afgeven aan de omgeving. Dit verklaart het reducerend vermogen van aluminium.

Normpotentialen

Een normpotentiaal geeft aan hoe sterk een oxidator en een reductor is.

Voorbeelden
E°(Li⁺/Li) = -3.040 V

Litium is een sterke reductor en zijn geconjugeerde oxidator is erg zwak. Als je een blokje litiummetaal in water brengt, krijg je een hevige reactie. Li-ionen daarentegen reageren niet.

E°(Al³⁺/Al) = -1.662 V

Aluminium is minder sterk dan natrium maar toch kan het worden beschouwd als een sterke reductor. Als je een aluminium plaatje in water brengt, zal dit langzaam maar zeker corroderen. Al-ionen daarentegen gedragen zich erg stabiel in water.

E°(Ag³⁺/A3) = 0.800 V

Zilver is een zwakke reductor. en het wordt dan ook gerekend bij de edele metalen. Als je een zilveren juweel in water brengt, zal er weinig gebeuren. Ag-ionen daarentegen kunnen bijvoorbeeld onder invloed van lichtenergie worden omgezet in zilvermetaal.

E°(Au³⁺/Au) = 1.5 V

Goud is een uiterst edel metaal. Er is koningswater (mengsel van zoutzuur en salpeterzuur) nodig om het om te zetten naar Au³⁺.

Smeltelektrolyse

Smeltelektrolyse is de enige methode om aluminium uit zijn zouten te bereiden. Bij aanwezigheid van water zal water geëlektrolyseerd worden en niet het aluminium-ion. Dit kan verklaard worden op basis van de normpotentialen van de betrokken koppels.

• E°(2H⁺/H₂) = 0 V
• E°(Al⁺³/Al) = -1.662 V

Aluminium is een veel sterkere reductor dan H₂. Het is dus veel eenvoudiger om uit water H₂ te vormen dan Al uit een aluminiumzout.

Kryoliet als smeltpuntverlager

Aluminium wordt door elektrolyse gewonnen uit aluminiumoxide. Het belangrijkste erts voor de bereiding van aluminium is bauxiet. Uit de ruwe erts wordt door een reeks behandelingen zuiver Al₂O₃ afgezonderd. Omdat aluminiumoxide moeilijk smeltbaar is (2000°C), wordt het met kryoliet (natriumaluminiumfluoride Na₃AlF₆) gemengd. Dit mengsel smelt bij 900°C.

Kryoliet als katalysator

Het kryoliet dat werd toegevoegd als smeltpuntverlager zal de 3 elektronen aan het aluminium-ion verschaffen.

• Kathodische reductie: Al³⁺ + 3 e^- → Al
• Anodische oxidatie: 2F^- → F₂ + 2 e^-

Globaal komt de elektrolyse neer op: 2Al³⁺ + 6F^- → 2Al + 3F₂

Kryoliet neemt dus deel aan de elektrolytische reactie en levert fluorgas. Eens gevormd, zal dit fluorgas echter reageren met het nog aanwezige Al₂O₃. Dit is een spontane reactie en vraagt dus geen elektrische energie. Het fluorgas wordt dus opnieuw omgezet naar de oorspronkelijke fluor-ionen.
2Al₂O₃ + 6F₂ → 4Al³⁺ + 12F^- + 3O₂

De totale productie-reactie bestaat dus uit een elektrolytische reactie en een spontane reactie.

• Electrolytische reactie: 4Al₃₊ + 12F^- → 4Al + 6F₂
• Spontane reactie: 2Al₂ O₃ + 6F₂ → 4Al³⁺ + 12F^- + 3O₂

Totale productie-reactie: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Kryoliet speelt dus alleen de rol van katalysator. Het moet bijna nooit worden toegevoegd aan de in werking zijnde elektrolyse-cellen.

Na⁺ als concurrent van Al³⁺?

Na⁺ vormt geen enkele concurrentie, er zal dus nooit natriummetaal in dit proces worden geproduceerd. Dit kan verklaard worden op basis van de betrokken normpotentialen.

• E°(Na⁺ /Na) = -2.710 V
• E°(Al⁺³ /Al) = -1.662 V

Na is een veel sterkere reductor dan Al. Het is dus veel eenvoudiger om Al te vormen dan Na.