|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
elektroliza aluminium. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Nie można sobie wyobrazić współczesnego życia bez aluminium. Ten błyszczący lekki metal, doskonały przewodnik elektryczności, był w ostatnich dziesięcioleciach szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu. Tymczasem wiadomo, że aluminium nie występuje w naturze w postaci wolnej, a do XIX wieku nauka nawet nie wiedziała o jego istnieniu. Dopiero w ostatniej ćwierci XIX wieku rozwiązano problem przemysłowej produkcji aluminium w postaci wolnej. Było to jedno z największych osiągnięć nauki i techniki tego okresu, którego znaczenia być może jeszcze do końca nie doceniliśmy.
Pod względem zawartości w skorupie ziemskiej aluminium zajmuje pierwsze miejsce wśród metali i trzecie wśród innych pierwiastków (po tlenie i krzemie). Skorupa ziemska to 8% aluminium (dla porównania zwracamy uwagę, że zawartość żelaza w nim wynosi 8%, miedź - 4%, a złoto - 2%). Jednak ten reaktywny metal nie może istnieć w stanie wolnym i występuje tylko w postaci różnych i bardzo zróżnicowanych związków. Główną ich część stanowi tlenek glinu (Al0O003). Każdy z nas spotkał się z tym związkiem niejednokrotnie - w życiu codziennym nazywa się go tlenkiem glinu, czyli po prostu gliną. Glina stanowi około jednej trzeciej tlenku glinu i jest potencjalnym surowcem do jej produkcji. Cała trudność polega na przywróceniu aluminium (odebraniu z niego tlenu). Niezwykle trudno jest to osiągnąć chemicznie, ponieważ wiązanie między dwoma pierwiastkami jest tutaj bardzo silne. Już pierwsza znajomość aluminium wyraźnie pokazała wszystkie trudności, jakich spodziewali się po drodze naukowcy. W 1825 r. duński fizyk Hans Oersted jako pierwszy uzyskał metaliczny aluminium w stanie wolnym z jego tlenku. W tym celu Oersted najpierw zmieszał tlenek glinu z węglem, podgrzał tę mieszaninę i przepuścił przez nią chlor. Rezultatem jest chlorek glinu (AlCl3). Już wtedy wiedziano, że bardziej aktywne chemicznie metale są w stanie wyprzeć z soli mniej aktywne. Oersted wystawił chlorek glinu na działanie potasu rozpuszczonego w rtęci (amalgamat potasu) i uzyskał amalgamat glinu (przez szybkie ogrzewanie chlorku glinu z amalgamatem potasu utworzył się chlorek potasu, podczas gdy glin przeszedł do roztworu). Poddając tę mieszaninę destylacji, Oersted wyizolował małe wlewki aluminium. W nieco inny sposób aluminium zostało uzyskane w 1827 r. przez niemieckiego chemika Wöhlera, który przepuścił parę chlorku glinu przez metaliczny potas (w tym przypadku, podobnie jak w reakcji chemicznej Oersteda, bardziej aktywny potas wyparł glin i sam połączył się z chlorem). ). Ale obie metody nie mogły być stosowane w przemyśle, ponieważ do redukcji aluminium używano tu bardzo drogiego potasu. Później francuski fizyk Saint-Clair-Deville opracował kolejny chemiczny proces otrzymywania aluminium, zastępując potas tańszym, ale wciąż dość drogim sodem. (Istotą tej metody było podgrzewanie chlorku glinu sodem, który wypierał aluminium z soli, powodując jego wyróżnianie się w postaci drobnych kuleczek.) Przez kilkadziesiąt lat w ten sposób pozyskiwano glin.
Badając właściwości aluminium, Deville doszedł do wniosku, że może ono mieć duże znaczenie dla technologii w przyszłości. W swoim raporcie dla Francuskiej Akademii Nauk napisał: „Ten metal, biały i lśniący jak srebro, nie czernieje na powietrzu, można go przetapiać, kuć i rysować, a ponadto ma niezwykłą lekkość, może być bardzo użyteczny jeśli można znaleźć prosty sposób Jeśli przypomnimy sobie, że ten metal jest niezwykle powszechny, że jego ruda jest gliną, to można tylko życzyć sobie, aby znalazł szerokie zastosowanie. Pierwsze wlewki aluminiowe pozyskane przez Deville'a zostały zademonstrowane na światowej wystawie w Paryżu w 1855 roku i wzbudziły największe zainteresowanie. W 1856 roku w fabryce braci Tissier w Rouen Deville zorganizował pierwsze przedsiębiorstwo przemysłowe produkujące aluminium. W tym samym czasie koszt 1 kg aluminium wynosił początkowo 300 franków. Kilka lat później cena sprzedaży została obniżona do 200 franków za 1 kg, ale nadal była wyjątkowo wysoka. Aluminium w tamtych czasach było używane jako metal półszlachetny do produkcji różnych drobiazgów i w tej formie zyskało nawet pewną popularność ze względu na swój biały kolor i przyjemny połysk. Jednak wraz z poprawą chemicznych metod pozyskiwania aluminium jego cena z biegiem lat spadała. Na przykład zakład w Albury (Anglia) w połowie lat 80-tych. produkował do 250 kg aluminium dziennie i sprzedawał je po cenie 30 szylingów za kg, innymi słowy jego cena spadła 30 razy w ciągu 25 lat. Już w połowie XIX wieku niektórzy chemicy zwracali uwagę, że aluminium można otrzymać metodą elektrolizy. W 1854 Bunsen uzyskał aluminium przez elektrolizę stopionego chlorku glinu. Niemal równocześnie z Bunsenem Deville otrzymał aluminium elektrolitycznie. Aparat Deville'a składał się z porcelanowego tygla P umieszczonego w porowatym glinianym tyglu H i wyposażonego w pokrywę D, która miała szczelinę do wprowadzenia platynowej elektrody K i duży otwór na porowate gliniane naczynie R. W tym ostatnim umieszczono pręt węglowy A, który był elektrodą dodatnią. Tygiel i naczynie gliniane napełniono do tego samego poziomu stopionym podwójnym chlorkiem glinu i sodu (podwójny chlorek otrzymano przez zmieszanie dwóch części suchego chlorku glinu i soli kuchennej). Po zanurzeniu elektrod, nawet przy małym prądzie, w stopie rozpoczął się rozkład podwójnego chlorku i metaliczne aluminium wytrącało się na płycie platynowej. Jednak w tym czasie nie można było nawet myśleć o utrzymywaniu związków w stanie stopionym, stosując jedynie ogrzewanie podczas przepływu prądu. Konieczne było utrzymanie wymaganej temperatury w inny sposób z zewnątrz. Ta okoliczność, a także fakt, że energia elektryczna była w tamtych latach bardzo droga, uniemożliwiła rozpowszechnienie tej metody produkcji aluminium. Warunki jego dystrybucji powstały dopiero po pojawieniu się potężnych generatorów prądu stałego. W 1878 roku Siemens wynalazł elektryczny piec łukowy, używany głównie do wytopu żelaza. Składał się z tygla węglowego lub grafitowego, który był jednym biegunem. Drugim biegunem była umieszczona na górze elektroda węglowa, która poruszała się wewnątrz tygla w płaszczyźnie pionowej, aby kontrolować reżim elektryczny. Podczas napełniania tygla ładunkiem był on podgrzewany i topiony albo łukiem elektrycznym, albo z powodu oporu samego ładunku, gdy przepływał przez niego prąd. Piec firmy Siemens nie wymagał żadnych zewnętrznych źródeł ciepła. Powstanie tego pieca było ważnym wydarzeniem nie tylko dla metalurgii żelaza, ale także dla metalurgii metali nieżelaznych. Teraz wszystkie warunki dla elektrolitycznej metody produkcji aluminium były spełnione. Zależało to od rozwoju technologii procesowej. Ogólnie rzecz biorąc, aluminium można otrzymać bezpośrednio z tlenku glinu, ale trudność polegała na tym, że tlenek glinu jest związkiem bardzo ogniotrwałym, który staje się płynny w temperaturze około 2050 stopni. Aby podgrzać tlenek glinu do tej temperatury, a następnie utrzymać ją w trakcie reakcji, potrzebna była ogromna ilość energii elektrycznej. W tamtym czasie ta metoda wydawała się nierozsądnie kosztowna. Chemicy szukali innego sposobu, próbując odizolować aluminium od innej mniej ogniotrwałej substancji. W 1885 r. problem ten został niezależnie rozwiązany przez Francuza Héroux i American Hall. Ciekawe, że obaj w czasie, gdy dokonali swojego wybitnego odkrycia, mieli 22 lata (oboje urodzili się w 1863 roku). Eru, od 15 roku życia, po zapoznaniu się z książką Deville'a, ciągle myślał o aluminium. Opracował podstawowe zasady elektrolizy jeszcze jako student w wieku 20 lat. W 1885 roku, po śmierci ojca, Héroux odziedziczył małą fabrykę skór pod Paryżem i natychmiast zabrał się do pracy. Kupił generator elektryczny Gramma i najpierw próbował rozłożyć wodne roztwory soli glinu za pomocą prądu elektrycznego. Nie powiódł się na tej ścieżce, postanowił poddać elektrolizie stopiony kriolit – minerał zawierający glin (wzór chemiczny kriolitu to Na3AlF6). Eru rozpoczął swoje eksperymenty w żelaznym tyglu, który służył jako katoda, a anodą był pręt węglowy zanurzony w stopie. Na początku nic nie zapowiadało sukcesu. Po przejściu prądu żelazo tygla reagowało z kriolitem, tworząc topliwy stop. Tygiel stopił się, a jego zawartość wysypała się. Eru nie uzyskał w ten sposób żadnego aluminium. Jednak kriolit był bardzo kuszącym surowcem, ponieważ topił się w temperaturze zaledwie 950 stopni. Eru wpadł na pomysł, że stopiony minerał można wykorzystać do rozpuszczenia bardziej ogniotrwałych soli aluminium. To był bardzo owocny pomysł. Ale jaką sól wybrać do eksperymentów? Eru postanowił zacząć od takiego, który od dawna służył jako surowiec do chemicznej produkcji aluminium – z podwójnym chlorkiem glinu i sodem. A potem, podczas eksperymentu, wystąpił błąd, który doprowadził go do niezwykłego odkrycia. Po stopieniu kriolitu i dodaniu do niego podwójnego chlorku glinu i sodu, Eru nagle zauważył, że anoda węglowa zaczęła szybko się palić. Wytłumaczenie tego mogło być tylko jedno - podczas elektrolizy na anodzie zaczął uwalniać się tlen, który reagował z węglem. Ale skąd mógł pochodzić tlen? Eru dokładnie zbadał wszystkie zakupione odczynniki, a następnie odkrył, że podwójny chlorek rozkłada się pod wpływem wilgoci i zamienia się w tlenek glinu. Wtedy wszystko, co się wydarzyło, stało się dla niego jasne: tlenek glinu (tlenek glinu) rozpuszczony w roztopionym kriolicie i cząsteczka Al2O3 rozłożona na jony glinu i tlenu. Ponadto w trakcie elektrolizy ujemnie naładowane jony tlenu przekazały swoje elektrony anodzie i zostały zredukowane do tlenu chemicznego. Ale w tym przypadku, jaka substancja została zredukowana na katodzie? To mogło być tylko aluminium. Zdając sobie z tego sprawę, Eru już celowo dodał tlenek glinu do stopionego kriolitu i w ten sposób uzyskał metalowe kulki aluminiowe na dnie tygla. W ten sposób odkryto stosowaną do dziś metodę otrzymywania aluminium z tlenku glinu rozpuszczonego w kriolicie. (Kriolit nie bierze udziału w reakcji chemicznej, jego ilość nie zmniejsza się podczas elektrolizy - jest tu stosowany tylko jako rozpuszczalnik. Proces przebiega następująco: do stopionego kriolitu okresowo dodaje się porcjami; w wyniku elektrolizy, tlen jest uwalniany na anodzie, a aluminium na katodzie.) Dwa miesiące później dokładnie tę samą metodę produkcji aluminium odkrył American Hall.
Eru otrzymał pierwszy patent na swój wynalazek w kwietniu 1886 roku. W nim jeszcze nie zrezygnował z zewnętrznego ogrzewania kąpieli elektrolitycznej, aby utrzymać pożądaną temperaturę stopu. Ale już w następnym roku wyciągnął drugi patent na metodę wytwarzania brązu aluminiowego, w którym odmówił ogrzewania zewnętrznego i napisał, że „prąd elektryczny wytwarza wystarczająco dużo ciepła, aby utrzymać tlenek glinu w stanie stopionym”.
Ponieważ nikt we Francji nie był zainteresowany jej odkryciem, Héroux wyjechał do Szwajcarii. W 1887 roku firma Sons of Neger podpisała z nim kontrakt na wdrożenie jego wynalazku. Wkrótce powstało Szwajcarskie Towarzystwo Metalurgiczne, które w zakładzie w Neuhausen uruchomiło produkcję najpierw brązu aluminiowego, a następnie czystego aluminium. Zakład przemysłowy do elektrolizy aluminium, jak również cała technologia produkcji, została opracowana przez Eru. Piec był żelazną skrzynią, odizolowaną na ziemi. Powierzchnię kąpieli pokryto od wewnątrz grubymi płytami węglowymi, które stanowiły elektrodę ujemną (katodę). Z góry do wanny opuszczono elektrodę dodatnią (anodę), która była pakietem prętów węglowych. Elektroliza odbywała się przy bardzo silnym prądzie (około 4000 amperów), ale przy niskim napięciu (tylko 12-15 woltów). Duży prąd, jak już wspomniano w poprzednich rozdziałach, doprowadził do znacznego wzrostu temperatury. Kriolit szybko się stopił i rozpoczęła się reakcja redukcji elektrochemicznej, podczas której metaliczny glin został zebrany na węglowym dnie kąpieli. Już w 1890 roku zakład w Neuhausen otrzymał ponad 40 ton aluminium i wkrótce zaczął produkować 450 ton aluminium rocznie. Sukces Szwajcarów zainspirował francuskich przemysłowców. W Paryżu powstało stowarzyszenie elektryczne, które w 1889 roku zaproponowało Eru objęcie funkcji dyrektora nowo założonej fabryki aluminium. Kilka lat później Héroux założył kilka kolejnych fabryk aluminium w różnych częściach Francji, gdzie była tania energia elektryczna. Ceny aluminium stopniowo spadały kilkadziesiąt razy. Powoli, ale systematycznie, ten wspaniały metal zaczął zdobywać swoje miejsce w życiu człowieka, stając się wkrótce tak potrzebnym jak znane od starożytności żelazo i miedź. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Dynamit
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Fotony zamiast elektronów dla rewolucyjnych procesorów ▪ Robak wystarczy na jedną taśmę ▪ Nowa rakieta czeka na ofiarę 6 godzin
▪ sekcja strony Dokumentacja normatywna dotycząca ochrony pracy. Wybór artykułu ▪ artykuł Chleb i cyrki. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Parkera. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy ▪ artykuł Bocian zamiast krokodyla. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Prosty domofon. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony