|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Електроліз алюмінію. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Сучасне життя неможливо уявити без алюмінію. Цей блискучий легкий метал, чудовий провідник електрики, отримав останні десятиліття найширше застосування у різних галузях виробництва. Тим часом відомо, що у вільному вигляді алюміній не зустрічається у природі, і аж до XIX століття наука навіть не знала про його існування. Тільки в останній чверті XIX століття було вирішено проблему промислового виробництва металевого алюмінію у вільному вигляді. Це стало одним із найбільших завоювань науки і техніки цього періоду, значення якого ми, можливо, ще не оцінили до кінця.
За вмістом у земній корі алюміній займає перше місце серед металів і третє серед інших елементів (після кисню та кремнію). Земна кора на 8, 8% складається з алюмінію (зазначимо для порівняння, що вміст заліза в ній – 4, 2%, міді – 0, 003%, а золота – 0, 000005%). Однак цей хімічно активний метал не може існувати у вільному стані і зустрічається лише у вигляді різних та дуже різноманітних за своїм складом сполук. Основна їхня маса припадає на оксид алюмінію (Al2O3). Це з'єднання кожен із нас зустрічав неодноразово - у побуті воно називається глиноземом, чи навіть глиною. Глина приблизно на третину складається з оксиду алюмінію та є потенційною сировиною для його виробництва. Вся труднощі полягає в тому, щоб відновити алюміній (відібрати у нього кисень). Хімічним шляхом досягти цього надзвичайно складно, оскільки зв'язок двох елементів тут дуже міцний. Вже перше знайомство з алюмінієм наочно продемонструвало всі складнощі, які очікували вчених на цьому шляху. У 1825 році данському фізику Гансу Ерстеду вперше вдалося отримати металевий алюміній у вільному стані з його оксиду. Для цього Ерстед насамперед змішав глинозем із вугіллям, розжарив цю суміш і пропустив через неї хлор. В результаті вийшов хлористий алюміній (AlCl3). У той час вже було відомо, що хімічно активніші метали здатні витісняти менш активні з їх солей. Ерстед піддав хлористий алюміній дії калію, розчиненого в ртуті (амальгамою калію) і отримав амальгаму алюмінію (при швидкому нагріванні хлористого алюмінію з амальгамою калію утворився хлористий калій, а алюміній пішов у розчин). Піддавши цю суміш дистиляції, Ерстед виділив невеликі зливки алюмінію. Дещо іншим способом алюміній отримав в 1827 німецький хімік Велер, який пропускав пари хлористого алюмінію над металевим калієм (при цьому, як і в реакції Ерстеда хімічно, більш активний калій витісняв алюміній і сам з'єднувався з хлором). Але обидва способи було неможливо застосовувати у промисловості, оскільки відновлення алюмінію тут використовувався дуже дорогий калій. Пізніше французький фізик Сен-Клер-Девіль розробив інший хімічний процес отримання алюмінію, замінивши калій дешевшим, але все ж таки досить дорогим натрієм. (Суть цього способу полягала в тому, що хлористий алюміній нагрівали з натрієм, який витісняв алюміній із солі, змушуючи його виділятися у вигляді невеликих корольків.) Протягом кількох десятиліть алюміній отримували саме таким чином.
Досліджуючи властивості алюмінію, Девіль прийшов до висновку, що той може в майбутньому мати велике значення для техніки. У своїй доповіді Французької академії наук він писав: "Цей метал, білий і блискучий, як срібло, що не чорніє на повітрі, що піддається переплавленню, ковці і протяжці, має до того ж чудову легкість, може виявитися дуже корисним, якщо вдасться знайти простий спосіб його Якщо далі згадати, що цей метал надзвичайно поширений, що його рудою є глина, то можна лише побажати, щоб він знайшов широке застосування". Перші зливки алюмінію, отримані Девілем, демонструвалися на всесвітній Паризькій виставці в 1855 і викликали до себе найжвавіший інтерес. У 1856 році на заводі братів Тисьє в Руані Девілль організував перше промислове підприємство з випуску алюмінію. При цьому вартість 1 кг алюмінію спочатку дорівнювала 300 франків. За кілька років вдалося знизити продажну ціну до 200 франків за 1 кг, але все одно вона залишалася винятково високою. Алюміній у цей час вживали як напівдорогоцінний метал для різних дрібничок, причому він придбав у цьому вигляді навіть деяку популярність через свій білий колір і приємний блиск. Втім, у міру вдосконалення хімічних методів виділення алюмінію, ціна на нього з роками падала. Наприклад, завод в Олбері (Англія) в середині 80-х років. випускав до 250 кг алюмінію на день і продавав його за ціною 30 шилінгів за кг, іншими словами ціна його за 30 років знизилася в 25 разів. Вже в середині XIX століття деякі хіміки вказували на те, що алюміній можна отримувати електролізом. У 1854 Бунзен отримав алюміній шляхом електролізу розплаву хлористого алюмінію. Майже одночасно з Бунзеном отримав електролітичним шляхом алюміній Девілль. Апарат Девілля складався з порцелянового тигля P, вставленого в пористий глиняний тигель H і з кришкою D, в якій була щілина для введення платинового електрода K і великий отвір для пористої глиняної посудини R. В останньому був поміщений вугільний стрижень A, що був. Тигель і глиняний посудина заповнювалися до одного рівня розплавленим подвійним хлоридом алюмінію та натрію (подвійний хлорид отримували шляхом змішування двох частин сухого хлориду алюмінію та кухонної солі). Після занурення електродів вже при невеликому струмі в розплаві починалося розкладання подвійного хлориду, і платинової платівці виділявся металевий алюміній. Однак тоді не можна було й думати про те, щоб підтримувати з'єднання в розплавленому стані, користуючись тільки нагріванням при проходженні струму. Доводилося підтримувати необхідну температуру іншим способом ззовні. Ця обставина, а також те, що електроенергія в ті роки коштувала дуже дорого, завадило поширенню цього способу виробництва алюмінію. Умови його поширення виникли лише після появи потужних генераторів постійного струму. В 1878 Сіменс винайшов електричну дугову піч, що застосовувалася насамперед при плавці заліза. Вона складалася з вугільного чи графітового тигля, який був одним полюсом. Другим полюсом служив розташований зверху вугільний електрод, який переміщався усередині тигля у вертикальній площині регулювання електричного режиму. При заповненні тигля шихтою вона нагрівалася і розплавлялася електричною дугою або за рахунок опору самої шихти при проходженні через неї струму. Жодних зовнішніх джерел тепла для печі Сіменса не потрібно. Створення цієї печі стало важливою подією не лише для чорної, а й для кольорової металургії. Тепер всі умови для електролітичного способу виробництва алюмінію були наявні. Справа залишалася за розробкою технології процесу. Взагалі кажучи, алюміній можна отримувати безпосередньо з глинозему, але труднощі полягали в тому, що оксид алюмінію дуже тугоплавке з'єднання, яке переходить у рідкий стан при температурі близько 2050 градусів. Для того щоб нагріти глинозем до такої температури і потім підтримувати її під час реакції, була потрібна величезна кількість електроенергії. Тоді цей спосіб здавався невиправдано дорогим. Хімікі шукали інший шлях, намагаючись виділити алюміній з якогось іншого менш тугоплавкого речовини. У 1885 році це завдання незалежно один від одного дозволили француз Еру та американець Холл. Цікаво, що в момент, коли вони зробили своє видатне відкриття, було по 22 роки (і той і інший народилися в 1863 р.). Еру ще з 15 років, після того, як познайомився з книгою Девілля, постійно думав про алюміній. Основні принципи електролізу він розробив ще студентом у 20 років. У 1885 році після смерті батька Еру успадкував невелику шкіряну фабрику поблизу Парижа і негайно взявся за досліди. Він придбав електрогенератор Грама і спочатку спробував розкласти електричним струмом водні розчини алюмінієвих солей. Зазнавши цього шляху невдачу, він вирішив піддати електролізу розплавлений кріоліт - мінерал, до складу якого входить алюміній (хімічна формула кріоліту Na3AlF6). Досліди Еру почав у залізному тиглі, який служив катодом, а анодом був опущений у розплав вугільний стрижень. Спочатку нічого не обіцяло успіху. При пропущенні струму залізо тигля вступило в реакцію з кріолітом, утворивши легкоплавкий метал. Тигель розплавився, і його вміст вилився назовні. Жодного алюмінію Еру таким шляхом не отримав. Однак кріоліт був дуже привабливою сировиною, оскільки плавився при температурі всього 950 градусів. Еру спала на думку, що розплав цього мінералу можна використовувати для розчинення більш тугоплавких солей алюмінію. То була дуже плідна ідея. Але яку сіль обрати для дослідів? Еру вирішив почати з тієї, яка давно вже служила сировиною для хімічного виробництва алюмінію – з подвійного хлориду алюмінію та натрію. І тут під час проведення експерименту сталася помилка, яка й призвела до чудового відкриття. Розплавивши кріоліт і додавши до нього подвійний хлорид алюмінію та натрію, Еру несподівано помітив, що вугільний анод почав швидко обгоряти. Пояснення цьому могло бути лише одне - у ході електролізу на аноді став виділятися кисень, який вступав у реакцію з вуглецем. Але звідки міг взятися кисень? Еру уважно вивчив всі куплені реактиви і тут виявив, що подвійний хлорид розклався під дією вологи і перетворився на глинозем. Тоді все, що сталося, стало йому зрозуміло: оксид алюмінію (глинозем) розчинився в розплавленому кріоліті і молекула Al2O3 розпалася на іони алюмінію і кисню. Далі в ході електролізу негативно заряджені іони кисню віддавали аноду свої електрони та відновлювалися у хімічний кисень. Але в такому разі, яка речовина відновлювалася на катоді? Їм міг бути лише алюміній. Зрозумівши це, Еру вже навмисне додав глинозем до розплаву кріоліту і таким чином отримав на дні тигля корольки металевого алюмінію. Так був відкритий спосіб отримання алюмінію з глинозему, розчиненого в кріоліті. (Кріоліт не бере участі в хімічній реакції, його кількість в ході електролізу не зменшується - він використовується тут тільки як розчинник. Процес йде наступним чином: до розплаву кріоліту періодично додають порціями глинозем; в результаті електролізу на аноді виділяється кисень, а на катоді - алюміній. ) На два місяці пізніше такий самий спосіб виробництва алюмінію відкрив американець Холл.
На свій винахід Еру в квітні 1886 отримав перший патент. У ньому він ще відмовився від зовнішнього нагрівання ванни з електролітом підтримки потрібної температури розплаву. Але вже наступного року він узяв другий патент на спосіб отримання алюмінієвої бронзи, в якому відмовився від зовнішнього нагріву та писав, що "електричний струм виробляє достатню кількість тепла для того, щоб глинозем підтримувати у розплавленому стані".
Оскільки ніхто у Франції не зацікавився його відкриттям, Еру виїхав до Швейцарії. У 1887 році компанія "Сини Негер" підписала з ним контракт про реалізацію його винаходу. Незабаром було засновано Швейцарське металургійне товариство, яке на заводі в Нейгаузені розгорнуло виробництво спочатку бронзи алюмінієвої, а потім чистого алюмінію. Промислову установку для електролізу алюмінію, як і всю технологію виробництва, розробив Еру. Пекти являла собою залізну скриньку, ізольовано встановлену на землі. Поверхня ванни зсередини була покрита товстими вугільними пластинами, які були негативним електродом (катодом). Зверху у ванну опускався позитивний електрод (анод), який був пакетом вугільних стрижнів. Електроліз відбувався при дуже сильному струмі (близько 4000 ампер), але при невеликій напрузі (всього 12-15 вольт). Велика сила струму, як говорилося в попередніх розділах, призводила до значного підвищення температури. Кріоліт швидко плавився, і починалася електрохімічна реакція відновлення, під час якої металевий алюміній збирався на вугільній підлозі ванни. Вже 1890 року завод у Нейгаузені отримав понад 40 тонн алюмінію, а невдовзі почав випускати по 450 тонн алюмінію на рік. Успіхи швейцарців надихнули французьких промисловців. У Парижі утворилося електротехнічне суспільство, яке в 1889 запропонувало Еру стати директором новоствореного алюмінієвого заводу. Через кілька років Еру заснував у різних частинах Франції, де була дешева електрична енергія, ще кілька алюмінієвих заводів. Ціни на алюміній поступово впали у десятки разів. Повільно, але неухильно цей чудовий метал став завойовувати своє місце в людському житті, ставши незабаром настільки ж необхідним, як відомі з давніх-давен залізо і мідь. Автор: Рижов К.В.
▪ Принтери ▪ Супорт
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Xbox One із захистом від перегріву ▪ Розумна пов'язка для лікування хронічних ран ▪ Місто опускається під вантажем людини ▪ Випробування космічного ліфта
▪ розділ сайту Кольорові установки. Добірка статей ▪ стаття Безособове - влюднить, нездійснене - втілити! Крилатий вислів ▪ стаття Чи можуть у людини від народження відсутні відбитки пальців? Детальна відповідь ▪ стаття Беладонна звичайна. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Таракан, тарган, тарганище... Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page