化學原理啟迪288
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Al3＋更容易還原，它們的標準還原電位差證明這一點：
Al3＋＋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＋4AlF63－→3Al2OF62－＋6F－
14. 電極反應如下
陰極反應 AlF63－＋3e－→Al＋6F－
陽極反應 2 Al2OF62－＋12F－＋C→4AlF63－＋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
徐弘毅：
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AlF63－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AlF63－」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。
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