Kryoliet als katalysator bij de bereiding van aluminium

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

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.
© 2020 Guust2016, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Kwantitatieve elektrolyse als analytische methodeKwantitatieve elektrolyse als analytische methodeWanneer men door een elektrolytoplossing of -smelt een gelijkstroom stuurt, zal er aan de negatieve pool een gedwongen r…
Van bauxiet tot aluminiumVan bauxiet tot aluminiumAluminium komt voor als verbinding met zuurstof en andere elementen. Het is op siliciumoxide (zand) na de meest voorkome…
Aluminium (bauxiet)Aluminium is een licht, sterk, slijtvast en corrosievast metaal. Het materiaal wordt al meer dan een eeuw wereldwijd geb…
Natrium en dichloor uit keukenzout, theoretisch bekekenNatrium en dichloor uit keukenzout, theoretisch bekekenWanneer je ooit de reactie tussen natriummetaal en water hebt gezien, weet je dat die vrij explosief is. De elektrolytis…

Bleekwater en zure ontkalker, een gevaarlijke chloorcocktailBleekwater en zure ontkalker, een gevaarlijke chloorcocktailBleekwater (of javel) bevat hypochlorietionen (ClO-) die als sterke oxidator fungeren t.o.v. kleurstoffen (bleekwater) e…
Invloed van de pH op zuurstof- en zuurcorrosieInvloed van de pH op zuurstof- en zuurcorrosieCorrosie is de ongewenste oxidatie van een metaal en wordt vooral veroorzaakt door zuurstof (zuurstofcorrosie) en water…
Bronnen en referenties

Reageer op het artikel "Kryoliet als katalysator bij de bereiding van aluminium"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Infoteur: Guust2016
Laatste update: 08-11-2020
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Scheikunde
Bronnen en referenties: 1
Schrijf mee!