鹽類熔化後形成的熔融體,例如鹼金屬、鹼土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽的熔融體。熔鹽是金屬陽離子和非金屬陰離子所組成的熔融體。能構成熔鹽的陽離子有80餘種,陰離子有30餘種,組合成的熔鹽可達2400餘種。由於金屬陽離子可有幾種不同的價態,陰離子還可以組成不同的絡合陰離子,實際上熔鹽的數目將超過2400種。

  結構 早期的熔鹽結構理論建立在液態與氣態相似的基礎上。最近三四十年,由於 XX射線衍射、中子衍射、紅外光譜、喇曼光譜、核磁共振和放射性同位素的應用,積累瞭大量熔鹽的物理化學性質的參數,並以分子動力學法和蒙特-卡羅法等方法用電子計算機進行熔鹽模型的計算。近代熔鹽結構理論認為液態(在熔點附近)與固態(結晶狀態)近似,當鹽類晶體熔融後,晶體結構中的質點(粒子)在一定程度上(或在一定距離范圍內)仍保留著原有規律性,即所謂近程有序;而在較遠的范圍內,原有的規律性消失,即所謂遠程無序。這些結構可以由以下實驗研究證實:

  ① X射線衍射研究發現,組成熔鹽的質點的排列方式與晶體很接近;但在遠距離,排列的規律性就消失瞭。

  ② 熔鹽的摩爾體積比固態時增加5%~30%;在氣態時摩爾體積增加得更多。例如,固態時氯化鑭的摩爾體積為30厘米3;液態時為37.5厘米3;氣態時為13833厘米3。這說明熔鹽的結構更接近固態。此外,晶體熔融後產生瞭具有孔穴、空位或自由體積的不完整結構,因而使熔融體中的質點能夠活動,即液體具有流動性。這是熔鹽區別於固體的特征之一。

  ③ 鹽類的熔化熱比氣化熱小得多,一般相差8~10倍。說明熔鹽質點間的結合力隻受到不大的削弱,或者說鹽類熔融後質點間距離增加不大,即熔融後仍保持一定的固態結構。鹽類在熔融前後密度和熱容量變化不大,也證明以上論點。

  物理化學性質 熔點 在1大氣壓下,由固態開始轉變為液態的溫度。鹽的結構不同,熔點也不同。分子晶體晶格的質點間的鍵是最弱的,熔點都低於573K;離子鍵和共價鍵組成的晶格的鹽的熔點較高。雙電荷離子組成的晶體與單電荷離子組成的晶體相比,離子間的作用力更強,一般都有較高的熔點。不同的離子之間的極化作用影響離子間化學鍵的強弱,也會影響熔點。

  沸點 沸點反映瞭鹽類由液態轉變為氣態時的難易程度。鹽類氣化時以單個分子逸出,所以升高溫度能促使鹽類的內部結構趨向分子型結構。在蒸發過程中,每一離子對都應先克服液體中相鄰離子的吸引力,它隨離子電荷數的增加和離子半徑的減小而增大,故引起沸點升高。

  蒸氣壓 以離子鍵結合的鹽的沸點高,蒸氣壓低;具有分子結構的鹽的沸點低,蒸氣壓高。在熔鹽混合物體系中,蒸氣壓隨液相組成的改變而變化的規律為:①增加液相中某組元的相對含量,會引起蒸氣中該組元的相對含量增加。在一定組成的熔鹽體系中,當各組元在固態不生成化合物時,可根據加和規則由各組元的蒸氣壓計算該體系的蒸氣壓;當生成化合物時,由於鍵的強度變大,蒸氣壓的計算值較實測的偏高。②在組成-蒸氣壓曲線上有最高點的體系,則在組成-沸點曲線上有相應的最低點;反之亦然。當熔鹽體系的熔度圖上有化合物生成時,通過蒸氣壓的測定,可以推測這些化合物的熱穩定性。

  密度 離子晶格的鹽類較分子晶格的鹽類具有較大的密度和較小的摩爾體積。在最簡單的情況下,鹽類混合物的摩爾體積符合加和規律,例如氯化鈉-氯化鈣體系的摩爾體積與組成呈直線關系;但很多體系有偏差,例如在氟化鈉-氟化鋁體系中,相應於冰晶石(3NaF·AlF3)的組成時,由於鈉離子與AlF3-八面體緊密聯系,在密度-組成曲線上出現最高點(即最大密度值),而在摩爾體積-組成曲線上出現最低點(即最小摩爾體積值)。

  粘度 在熔鹽中兩種離子都參與粘滯流動,流動速度由移動較慢的離子決定。如果熔體中有活動性小的大體積離子或絡離子,粘度就大,所以粘度主要取決於較大的陰離子。陽離子對粘度也有一定的影響。例如,堿金屬鹵化物比兩價金屬的鹵化物的粘度小。熔鹽混合物的粘度與組成的關系和密度與組成的關系類似。

  電導和離子遷移 熔鹽有導電能力,當沒有電場時,構成熔鹽的離子進行遷移運動(擴散),使相鄰的同號離子發生位置的交換。在電場作用下,離子的遷移有方向性,電場強度愈大,方向性愈強。這種方向性就形成瞭電流。溫度升高,無秩序的離子數增加,所以熔鹽的導電性隨溫度升高而增大。熔鹽的導電性用電導率表示,凡離子鍵成分大和陽離子價數低者,電導率高。實驗證明,熔鹽的電導主要由陽離子性質決定。這是因為陽離子的半徑比陰離子小,活動性強。但在某些熔鹽中,由於陰離子半徑增大,使粘度增大而影響陽離子的遷移,或者發生極化作用而使離子鍵成分減小,也會影響電導。在鹽的混合物中,組成和電導的關系與粘度、密度類似。根據實驗得出:κnη=常數,式中κ是電導率;η是粘度;n是與溫度無關,與鹽的性質有關的常數項。

  離子遷移數是熔鹽中某一種離子的絕對遷移速度與所有離子的絕對遷移速度的總和之比值,它定量地反映出某種離子在熔體中的遷移情況。

  表面現象 熔鹽因組成、性質和結構不同而產生不同的表面現象,如表面張力、潤濕現象、界面張力等。熔鹽的表面張力約2×10-2~35×10-2牛/米。一般,熔點高者或晶格能大者,表面張力大,這反映熔體內質點的結構和相互作用的影響。在熔鹽混合物中,由於體系的吉佈斯函數總是趨向於減小,當加入能降低表面張力的組元後,就會有選擇地集聚在熔體表面。這種組元稱為表面活性物質。如果表面張力較大的組元在相內部的含量大於表面,則能增大表面張力,這種組元稱為非表面活性物質。一般混合物的表面張力不具有加和性,但如果二元系中兩組元的表面張力相近,在固態時不生成化合物,則其表面張力與組成基本上遵守直線關系,即具有加和性。如果體系在固態時生成化合物,則在其表面張力等溫線上出現微傾的最高點,或在對應於化合物的組成位置上出現拐點。通常表面張力用最大氣泡壓力法測定。

  在生產中,熔鹽必然會與另一種液體(如金屬熔體)或固體(如容器)相接觸,因此界面張力更有實際意義。兩種不互溶的液相間的界面張力可以近似地按此兩種液體表面張力之差計算,但當這兩種液體有相互作用時就不適用。熔鹽與固體間的界面張力可用潤濕角度量,潤濕角是液滴的切線與水平的固體表面的夾角,潤濕角愈小(潤濕程度愈大),界面張力愈小,熔鹽對固體的潤濕性也愈大。堿金屬鹵化物對固體表面潤濕程度的增加順序為:

LiCl(LiF)<NaCl(NaF)<KCl(KF)

這與離子半徑的遞增( Li +為0.78埃, Na +為0.98埃, K +為1.33埃)相對應。堿土金屬鹵化物也有此規律,它們比堿金屬鹵化物的界面張力大,因為二價金屬陽離子有較大的極化作用。

  應用 熔鹽電化學工藝 主要為電解提取和精煉金屬、合金,電鍍和電鑄,電解處理和滲硫,電解制取無機物(如氟、氟化物)。

  當熔鹽電解時,如果沒有引起電解產物損失的副作用,就遵守法拉第電解定律,在電極上析出物質的量Q與電流強度I、電解時間t、電化當量C(即1安培小時析出物質的量)成正比:QCIt。由於機械損失、金屬的揮發、二次化學反應、金屬在熔鹽中的溶解以及幾種離子同時釋放電荷等因素的影響,實際析出量比理論值低、可用實際析出量與理論值之比,即電流效率來反映生產水平。影響電流效率的因素有溫度、電流密度、電極間距、熔鹽組成、電解槽結構等。熔鹽電鍍可使基體金屬表面鍍上所需的金屬層(如鎳、鋁、鉻、難熔金屬),以提高基體金屬表面性能,如耐磨、耐腐蝕等。

  能源工業中的應用 在太陽能貯存中,熔鹽用作蓄熱和導熱介質。在核工業中,熔鹽用作反應堆的導熱介質。氟化鋰-氟化鈹和氟化鋰-氟化釷等熔鹽用作增殖反應堆中核燃料裂變產物(氟化鈾、氟化钚)的溶劑。還可制造高溫熔鹽電池。

  其他應用 熔鹽還可用於金屬熱還原法、氯化法、脫水反應、有機合成、熱處理、萃取分離,以及用作焊接劑、覆蓋劑等。