فرایند هال

فرایند هال برای استخراج آلومینیوم 

آلومینیوم فلزی بسیار فعال است و در طبیعت به حالت آزاد یافت نمی‌شود. مهم‌ترین سنگ معدن آن بوکسیت است که ناخالصی‌های زیادی دارد. پس از تصفیه بوکسیت، آلومینا (\(Al_2O_3\)) خالص به دست می‌آید. از آنجا که آب زودتر از یون‌های \(Al^{3+}\) کاهش می‌یابد، نمی‌توان از برقکافت محلول آبی آلومینا استفاده کرد و باید آن را ذوب کرد. 

اما نقطه ذوب آلومینا بسیار بالاست (بیش از \(2000^{\circ }C\)) که تامین این دما از نظر اقتصادی و صنعتی مقرون‌به‌صرفه نیست. 

کلید حل مشکل (نقش کریولیت): 

برای کاهش دمای ذوب، آلومینا را در مقداری کریولیت (\(Na_3AlF_6\)) مذاب حل می‌کنند. این کار دمای ذوب مخلوط را به حدود \(960^{\circ }C\) کاهش می‌دهد و رسانایی الکتریکی مخلوط را نیز بهبود می‌بخشد. 

1. ساختار سلول هال 

الکترولیت: مخلوط مذاب آلومینا (\(Al_2O_3\)) و کریولیت. 

•  کاتد (قطب منفی): دیواره و کف ظرف فولادی که با لایه‌ای از گرافیت (کربن) پوشانده شده است. 

•  آند (قطب مثبت): استوانه‌هایی از جنس گرافیت (کربن) که از بالا وارد حوضچه مذاب شده‌اند.

۲. نیم‌واکنش‌ها و واکنش‌های الکترودی در فرایند هال
• کاتد (محل کاهش):
یون‌های آلومینیوم (\(Al^{3+}\)) به سمت کاتد (کف و دیواره ظرف) رفته، الکترون می‌گیرند و به فلز آلومینیوم مذاب تبدیل می‌شوند. از آنجا که چگالی آلومینیوم مذاب از الکترولیت بیشتر است، در کف ظرف جمع شده و از خروجی پایین تخلیه می‌شود.\[Al^{3+}(l) + 3e^- \rightarrow Al(l)\]•  آند (محل اکسایش و خوردگی الکترود):
یون‌های اکسید (\(O^{2-}\)) به سمت آندهای گرافیتی رفته و با از دست دادن الکترون، به گاز اکسیژن تبدیل می‌شوند:\[2O^{2-}(l) \rightarrow O_2(g) + 4e^-\]نکته بسیار مهم (واکنش ثانویه): گاز اکسیژن تولید شده در آند، در آن دمای بالا (حدود \(960^{\circ }C\)) با آندهای گرافیتی (کربنی) واکنش داده و گاز کربن دی‌اکسید تولید می‌کند. بنابراین آندها خورده شده و به مرور زمان مصرف می‌شوند و باید مرتباً تعویض گردند.    \[C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)\]
نیم واکنش کلی و نهایی آند (ترکیب دو واکنش بالا):\[C(s) + 2O^{2-}(l) \rightarrow CO_2(g) + 4e^-\]۳. واکنش کلی فرایند هال
برای رسیدن به واکنش کلی، باید تعداد الکترون‌های مبادله شده برابر شود. (ک م م اعداد ۳ و ۴، برابر با ۱۲ است):
نیم واکنش کاتد را در ۴ و نیم واکنش کلی آند را در ۳ ضرب می‌کنیم:\[[Al^{3+}(l) + 3e^- \rightarrow Al(l)] \times 4\]\[[C(s) + 2O^{2-}(l) \rightarrow CO_2(g) + 4e^-] \times 3\]\[4Al^{3+}(l) + 6O^{2-}(l) + 3C(s) \rightarrow 4Al(l) + 3CO_2(g)\]واکنش کلی سلول هال به شکل استاندارد زیر نوشته می‌شود:\[2Al_2O_3(l) + 3C(s) \rightarrow 4Al(l) + 3CO_2(g)\]نکات مفهومی و کنکوری (ویژه تدریس): 

1. عدد اکسایش کربن: در این فرایند، کربن از عدد اکسایش 0 در آند، به عدد اکسایش 4+ در \(CO_2\) می‌رسد (کربن اکسایش می‌یابد). 

2. استوکیومتری مبادله الکترون: به ازای تولید هر 4 مول آلومینیوم، 12 مول الکترون در مدار مبادله می‌شود. 

3. تغییر جرم الکترودها: در فرایند هال، جرم آندها پیوسته کاهش می‌یابد (تبدیل به گاز \(CO_2\))، در حالی که جرم کاتد تغییر نمی‌کند (آلومینیوم مذاب روی آن می‌نشیند ولی پیوسته تخلیه می‌شود). 

4. چالش محیط زیستی: تولید حجم عظیمی از گاز گلخانه‌ای \(CO_2\) و مصرف بسیار بالای انرژی الکتریکی، از معایب این روش است. به همین دلیل بازیافت آلومینیوم (که تنها به 5 درصد انرژی فرایند هال نیاز دارد) بسیار توصیه می‌شود.