融解塩電解でアルミナからアルミニウムの単体を生成する

こんにちは。

融解塩電解は無機化学で単体を手に入れるためによく出てきますよね。イオン化傾向が大きいK,Ca,Na,Mg,Alなどのような単体を取り出す取り組みとして融解塩電解は使われます。

今回はこのうちのアルミニウムの単体を取りだす方法を取り上げていきます。

融解塩電解の原料

まず、この融解塩電解の原料はアルミナAl₂O₃ですが、いきなりまじりっけなしの素晴らしいAl₂O₃が存在するわけではないです。

最初は鉱物の中にぐちゃぐちゃに混ざっています。

その鉱物をボーキサイトと言います。

この中にAl₂O₃が存在しますが、鉄の酸化物Fe₂O₃のようなものも混ざってしまっているのです。

このボーキサイトが赤い理由も、Fe₂O₃の化学式で表される、赤鉄鉱が存在しまくっているからです。
赤鉄鉱はその名の通り、赤いです。

ボーキサイトからアルミナを取り出す

ボーキサイトからアルミナを取り出さなければなりません。

そこで、濃NaOHと反応させます。

というのも、Fe₂O₃は、Fe(OH)₃となって沈殿します。なぜならFe₂O₃は塩基性酸化物なのでNaOHとは反応しません。

しかし、Al₂O₃は両性酸化物なので強塩基とも反応します。

酸化物の反応式の書き方はとにかくまず、水と反応させるのが鉄則でした。

Al₂O₃+3H₂O→2Al(OH)₃
2Al(OH)₃+2NaOH→2Na[Al(OH)₄]

となります。この２つを足し合わせると、

Al₂O₃+2NaOH+3H₂O→2Na[Al(OH)₄]

このようにアルミニウムだけ錯イオンとなって溶液に溶け出します。

すると、

このようにして、沈殿が出来ました。そこで、この沈殿を除いていきます。すると[Al(OH)₄]^–のみ残ります。

このようにアルミニウム以外を除外する事が出来ました。ここからアルミナをもう一度取り出します。

テトラヒドロキソアルミン酸イオン（アルミ（III)ではなくアルミン)[Al(OH)₄]^ーからAl(OH)₃を取り出します。

この方法は
Al(OH)₃+OH^–⇄[Al(OH)₄]^–
という溶解平衡があるため、

この溶液を水で薄めます。すると、どうなるか？
pHが下がりますよね！
pHが下がると、ルシャトリエの原理でOH^–をふやしてpHをあげようという動きをします。

つまり！平衡が左へ動きます
すると、OH^–が増えるついでにAl(OH)₃の沈殿も増えますよね！
そして水酸化物は、加熱すると酸化物になる事を用いて、
2Al(OH)₃⇄Al₂O₃+3H₂O
と言うように酸化物Al₂O₃のアルミナが出来上がります。
しかも先ほどとはちがって、不純物は既に落とし終えています！かなりの純度のアルミナを取り出す事が出来ます。