电解铝的主要反应原理、反应方程式是什么？ 产物中有二氧化碳吗？

【专家解说】：1.2 阳极过程及阳极反应 一． 阳极反应 通常的阳极反应写成 C+2O2--4e=CO2 但是电解质中无O2-,主要含氧离子的形式为Al2OF62-和Al2O2F42- 从Al2O2F42-中移出第一个氧比移出第二个氧或比从Al2OF62-中移出氧所需能量小得多 故正常情况下，阳极反应为： Al2O2F42-+C-4e=CO2+2Al2OF4 消耗掉的Al2O2F42-通过下列反应补充 Al2OF4+Al2OF62-=Al2O2F42-+2AlF3 二． 阳极一次气体产物 当用炭做阳极时，阳极上的一次气体产物为100%的CO2， 只有在阳极电流非常低，极化电压小于1.1V或阳极过电压小于0.1V时，才有可能在炭阳极上有CO生成。 Calandra等人用三角波电位扫描了相对铝参比电极的石墨电极上的阳极过程，发现在电压为1.1V,1.8V,2.55V和3.6V时出现4个峰值，几个峰值与如下几个反应进行比较： Al2O3+3C=2Al+3CO E0=1.02V ① 2Al2O3+3C=4Al+3CO2 E0=1.16V ② 2Na3AlF6+Al2O3+3C=4Al+6NaF+3COF2 E0=1.8V ③ 4Na3AlF6+3C=3CF4+12NaF+4Al E0=2.55V ④ 2Na3AlF6+C+CF4+6NaF+2Al+F2 E0=3.48V ⑤ A.阳极极化后的电压（平衡电压+阳极过电压）在1.6～1.65V之间时，产物是CO2 B.当阳极附近缺Al2O3,极化电压：2.6～3.6时，产物CF4 C.极化电压超过3.6V时，产物F2+CF4 D.阳极附近Al2O3浓度很低时，极化电位1.8～3.6V，产物COF2 工业中：极化电压一般在1.65V左右，很少超过1.75V 1.8～3.6V极化电压非常不稳定，出现此电位，便是阳极效应前兆 三．阳极过电压 阳极过电压ηCA与阳极电流密度Ia的关系 ηCA=a+b㏒Ia ① Haupin研究得出：阳极过电压主要由反应过电压构成 ηRA = *ln R:气体常数 F：法拉第常数 n=2 a：电荷传递系数 io：交换电流密度 iA：阳极电流密度 ②当电解质中的氧化铝浓度较低时，阳极表面还有一种扩散过电压ηcA ηcA=- ln icr:浓度极限电流密度 ③欧姆过电压：阳极表面附近气泡会提高这部分电解质的电阻，并且增加了阳极表面没有被气泡覆盖了的 部分区域的 阳极电流密度，而使阳极过电压升高，这部分电压升高称为欧姆过电压 四．阳极过电压机理： ①首先，铝—氧—氟络离子Al2O2F62-穿过双电层并在阳极表面放电，这个过程几乎不产生过电压 ②Al2O2F62-放电后产生的氧被化学吸附在炭阳极表面 Al2O2F42--e+xC(表面)=Cx*O-(表面)+Al2OF4 Cx*O-（表面）-e=Cx*O(表面吸附) C—C之间键不会断裂生成CO，这一过程也不产生过电压 ③已被一个氧占有的炭不太容易让一个氧在此位置放电，后续的氧的放电只能发生在活性较小的炭的位置上，这需要增加一些能量即过电压 ④一旦阳极的有效表面都被Cx*O(表面)化合物所覆盖，那么下一步的氧就必须在已经键合了一个氧的炭上放电。 Cx*O(表面)+Al2O2F42--e=CxO2-(表面)+Al2OF4 Cx*O2-(表面)-e=Cx*O2 这一步需要较高的能量——过电压，这是造成阳极过电压的主要原因，也是阳极电解反应的律速步骤。 ⑤Cx*O2表面化合物炭—炭之间的结合很容易分裂，形成解吸的CO2和新的炭表面。 Cx*O2(表面)=CO2(气)+(x-1)C(表面) 新的阳极表面提供了Al2O2F42-放电的新位置