История алюминиевой отрасли
Алюминий – один из самых молодых металлов, открытых человеком. В чистом виде в природе он не встречается, поэтому получить его удалось лишь в XIX веке, благодаря развитию химии и появлению электричества. За полтора века алюминий прошел невероятно интересный путь от драгоценного металла до материала, использующегося абсолютно в каждой
сфере деятельности людей.
Альберт Эйнштейн
Физик-теоретик
Открытие алюминия
В элементах орнамента гробниц китайских императоров III века н.э. использован алюминиевый сплав, содержащий алюминий, медь и марганец
Человечество сталкивалось с алюминием задолго до того, как этот металл был получен. В «Естественной истории» римского ученого Плиния Старшего говорится о легенде I века, в которой мастер дарит императору Тиберию чашу из неизвестного металла – похожую на серебряную, но при этом очень легкую.
Достаточно широко в древности применялись квасцы – соль на основе алюминия.
Полководец Архелай обнаружил, что дерево практически не горит, если его выдержать в растворе квасцов – этим пользовались для защиты деревянных укреплений от поджогов. В античные времена квасцы применялись в медицине, при выделке кож, в качестве протравы при крашении тканей. В Европе, начиная с XVI века квасцы использовались повсеместно: в кожевенной промышленности в качестве дубильного средства, в целлюлозно-бумажной – для проклеивания бумаги, в медицине – в дерматологии, косметологии, стоматологии и офтальмологии.
Именно квасцам (по-латински – alumen) алюминий обязан своим именем. Его металлу дал английский химик Гемфри Дэви, который в 1808 году установил, что получить алюминий можно методом электролиза из глинозема (оксид алюминия), но подтвердить теорию практикой он не смог.
Ханс Кристиан Эрстед
1777 — 1851
Это сделал датчанин Ханс Кристиан Эрстед в 1825 году. Правда, судя по всему, ему удалось получить не чистый металл, а некий сплав алюминия с элементами, участвовавшими в опытах.
Ученый сообщил об открытии и прекратил эксперименты.
Его работу продолжил немецкий химик Фридрих Вёлер, который 22 октября 1827 года получил около 30 граммов алюминия в виде порошка. Ему понадобилось еще 18 лет непрерывных опытов, чтобы в 1845 году получить небольшие шарики застывшего расплавленного алюминия (корольки).
Открытие алюминиевой руды. В 1821 году геолог Пьер Бертье обнаружил во Франции залежи глинистой красноватой породы. Свое название «боксит» (bauxite) порода получила по наименованию местности, где была найдена – Les Baux.
Открытый учеными химический метод получения алюминия довел до промышленного применения выдающийся французский химик и технолог Анри-Этьенн Сент-Клер Девиль. Он усовершенствовал метод Вёлера и в 1856 году совместно со своими партнерами организовал первое промышленное производство алюминия на заводе братьев Шарля и Александра Тиссье в Руане (Франция).
200 тонн
алюминия было получено химическим способом Сент-Клер Девиля в период с 1855 по 1890 годы
Получаемый металл был похож на серебро, был легким и при этом дорогим, поэтому в то время алюминий считался элитным материалом, предназначенным для изготовления украшений и предметов роскоши.
Первыми продуктами из алюминия считаются медали с барельефами Наполеона III, который всячески поддерживал развитие производства алюминия, и Фридриха Вёлера, а также погремушка наследного принца Луи-Наполеона, выполненная из алюминия и золота.
Однако уже тогда Сент-Клер Девиль понимал, что будущее алюминия связано отнюдь не с ювелирным делом.
«Нет ничего труднее, чем заставить людей использовать новый металл. Предметы роскоши и украшения не могут служить единственной областью его применения. Я надеюсь, что настанет время, когда алюминий будет служить удовлетворению повседневных нужд».
Сент-Клер Девиль
Французский химик
Метод Холла-Эру
Ситуация изменилась с открытием более дешевого электролитического способа производства алюминия в 1886 году.
Его одновременно и независимо друг от друга разработали французский инженер Поль Эру и американский студент Чарльз Холл. Предложенный ими метод подразумевал электролиз расплавленной в криолите окиси алюминия и давал прекрасные результаты, но требовал большого количества электроэнергии.
Поль Эру
1863-1914
Чарльз Холл
1863-1914
Поэтому свое первое производство Эру организовал на металлургическом заводе в Нейгаузене (Швейцария), рядом со знаменитым Рейнским водопадом, сила падающей воды которого приводила в действие динамо-машины предприятия.
18 ноября 1888 года, между Швейцарским металлургическим обществом и немецким
промышленником Ратенау было подписано соглашение об учреждении в Нейгаузене Акционерного общества алюминиевой промышленности с общим капиталом в 10 миллионов швейцарских франков. Позднее его переименовали в Общество алюминиевых заводов. На его торговой марке было изображено солнце, восходящее из-за алюминиевого слитка, что должно было, по замыслу Ратенау, символизировать зарождение алюминиевой промышленности.
За пять лет производительность завода возросла более чем в 10 раз. Если в 1890 году в Нейгаузене было выплавлено всего 40 тонн алюминия, то в 1895 году – 450 тонн.
Чарльз Холл, воспользовавшись поддержкой друзей, организовал Питтсбургскую восстановительную компанию, которая запустила свой первый завод в Кенсингтоне неподалеку от Питтсбурга 18 сентября 1888 года. В первые месяцы он выпускал лишь около 20-25 кг алюминия в сутки, а в 1890 – уже по 240 кг ежедневно.
Свои новые заводы компания расположила в штате Нью-Йорк вблизи новой Ниагарской гидроэлектростанции. Алюминиевые заводы и в наше время строятся в непосредственной близости от мощных, дешевых и экологичных источников энергии, таких как ГЭС. В 1907 году Питтсбургская восстановительная компания была реорганизована в Американскую алюминиевую компанию или сокращенно Alcoa.
В 1889 году технологичный и дешевый метод производства глинозема – оксида алюминия, основного сырья для производства металла – изобрел австрийский химик Карл Иосиф Байер, работая в Санкт-Петербурге (Россия) на Тентелевском заводе.
В одном из экспериментов ученый добавил в щелочной раствор боксит и нагрел в закрытом сосуде – боксит растворился, но не полностью. В нерастворившемся остатке Байер не обнаружил алюминия – оказалось, что при обработке щелочным раствором весь алюминий, содержащийся в боксите, переходит в раствор.
На основе методов Байера и Холла-Эру основаны современные технологии получения алюминия.
Таким образом, за несколько десятилетий была создана алюминиевая промышленность, завершилась история о «серебре из глины» и алюминий стал новым промышленным металлом.
Широкое применение
На рубеже XIX и XX веков алюминий стал применяться в самых разных сферах и дал толчок для развития целых отраслей.
В 1891 году по заказу Альфреда Нобеля в Швейцарии создается первый пассажирский катер Le Migron с алюминиевым корпусом. А через три года шотландская судостроительная верфь Yarrow & Co представила изготовленную из алюминия 58-метровую торпедную лодку.
Этот катер назывался «Сокол», был сделан для военно-морского флота Российской империи и развивал рекордную для того времени скорость в 32 узла.
В 1894 году американская железнодорожная компания New York, New Haven, and Hartford Railroad, принадлежавшая тогда банкиру Джону Пирпонту Моргану (J.P. Morgan), начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия. А всего через 5 лет на выставке в Берлине Карл Бенц представил первый спортивный автомобиль с алюминиевым корпусом.
На площади Пиккадили в Лондоне в 1893 году появилась алюминиевая статуя древнегреческого бога Антероса. Высотой почти в два с половиной метра она стала первой крупной работой из этого металла в сфере искусства – а ведь всего несколько десятков лет назад каминные часы или статуэтки в кабинетах считались роскошью, доступной только высшему обществу.
Но настоящую революцию алюминий совершил в авиации, за что навсегда заслужил свое второе имя – «крылатый металл».
В этот период изобретатели и авиаторы во всем мире работали над созданием управляемых летательных аппаратов – самолетов.
17 декабря 1903 года американские авиаконструкторы братья Уилбур и Орвилл Райт впервые в истории человечества совершили полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1». Для того чтобы заставить его полететь они попытались использовать автомобильный двигатель, однако он оказался слишком тяжелым. Поэтому специально для «Флайера-1» разработали полностью новый двигатель, детали которого были изготовлены из алюминия. Легкий 13-сильный мотор поднял первый в мире самолет с Орвиллом Райтом за штурвалом в воздух на 12 секунд, за которые он пролетел 36,5 метров. Братья совершили еще два полета по 52 и 60 метров на высоте около 3 метров от уровня земли.
В 1909 году был изобретен один из ключевых алюминиевых сплавов – дюралюминий. На его получение у немецкого ученого Альфреда Вильма ушло семь лет, но они того стоили. Сплав с добавлением меди, магния и марганца был таким же легким, как алюминий, но при этом значительно превосходил его по твердости, прочности и упругости.
Дюралюминий быстро стал главным авиационным материалом. Из него был сделан фюзеляж первого цельнометаллического самолета в мире Junkers J1, разработанного в 1915 году одним из основателей мирового авиастроения, знаменитым немецким авиаконструктором Хуго Юнкерсом.
Мир входил в этап войн, в которых авиация стала играть стратегическую, а иногда решающую роль. Поэтому дюралюминий первое время являлся военной технологией и метод его получения держался в секрете.
Тем временем, алюминий осваивал новые и новые сферы применения. Из него начали массово производить посуду, которая быстро и почти полностью вытеснила медную и чугунную утварь. Алюминиевые сковородки и кастрюли легкие, быстро нагреваются и остывают, а также не ржавеют.
В 1907 году в Швейцарии Роберт Виктор Неер изобретает способ получения алюминиевой фольги методом непрерывной прокатки алюминия. В 1910 году он уже запускает первый в мире фольгопрокатный завод. А еще через год компания Tobler использует фольгу для упаковки шоколада.
В нее, в том числе, заворачивают и знаменитый треугольный Toblerone.
Очередной переломный момент для алюминиевой промышленности наступает в 1920 году, когда группа ученых под руководством норвежца Карла Вильгельма Содерберга изобретает новую технологию производства алюминия, которая существенно удешевляла метод Холла-Эру. До этого в качестве анодов в процессе электролиза использовались предварительно обожженные угольные блоки – они быстро расходовались, поэтому постоянно требовалась установка новых. Содерберг решил эту проблему с помощью постоянно возобновляемого электрода. Он формируется в специальной восстановительной камере из коксосмоляной пасты и по мере необходимости добавляется в верхнее отверстие электролизной ванны.
Технология Содерберга быстро распространяется по всему миру и приводит к увеличению объемов его выпуска. Именно ее берет на вооружение СССР, не имевший тогда собственной алюминиевой промышленности. В дальнейшем развитие технологий вновь сделало применение электролизеров с обожженными анодами предпочтительнее из-за отсутствия на них выбросов смолистых веществ и меньшего расхода электроэнергии.
Кроме того, одним из основных достоинств электролизеров с обожженными анодами является возможность увеличения силы тока, то есть производительности.
Еще в 1914 российский химик Николай Пушин писал: «Россия, потребляющая ежегодно 80 000 пудов алюминия, сама не производит ни одного грамма этого металла, и весь алюминий покупает за границей».
В 1920 году, несмотря на продолжающуюся гражданскую войну, руководство страны понимает, что для промышленного роста и индустриализации огромной территории необходимы колоссальные объемы электроэнергии. Для этого был разработана и принята программа, получившая название «План ГОЭЛРО» (ГОсударственной комиссии по ЭЛектрификации РОссии). Он подразумевал строительство на российских реках каскадов ГЭС, а чтобы для вырабатываемой ими энергии сразу был потребитель, рядом было решено строить алюминиевые заводы. При этом алюминий использовался как для военных, так и гражданских нужд.
Первая Волховская ГЭС была запущена в 1926 году в Ленинградской области, рядом с ней возводят Волховский алюминиевый завод, который дал свой первый металл в 1932 году.
К началу Второй мировой войны в стране было уже два алюминиевых и один глиноземный завод, еще два алюминиевых предприятия были построены в течение войны.
В это время алюминий активно использовался в авиации, судостроении и автомобилестроении, а также начинал свой путь в строительстве. В США в 1931 году был построен знаменитый небоскреб Empire State Building, вплоть до 1970 года, являвшийся самым высоким зданием в мире. Это было первое здание, при строительстве которого широко использовался алюминий, как в основных конструкциях, так и в интерьере.
Вторая мировая война видоизменила основные рынки спроса на алюминий – на первый план выходит авиация, изготовление танковых и автомобильных моторов. Война подтолкнула страны антигитлеровской коалиции к увеличению объема алюминиевых мощностей, совершенствовалась конструкция самолетов, а вместе с ними и виды новых алюминиевых сплавов. «Дайте мне 30 тысяч тонн алюминия, и я выиграю войну», – писал в 1941 году президенту США Франклину Рузвельту глава СССР Иосиф Сталин.
С окончанием войны заводы переориентировались на гражданскую продукцию.
В середине XX века человек шагнул в космос. Чтобы сделать это вновь понадобился алюминий, для которого аэрокосмическая отрасль с тех пор стала одной из ключевых сфер применения. В 1957 году СССР вывел на орбиту Земли первый в истории человечества искусственный спутник – его корпус состоял из двух алюминиевых полусфер. Все последующие космические аппараты изготавливались из крылатого металла.
В 1958 году в США появился алюминиевый продукт, ставший впоследствии одним из самых массовых товаров из алюминия, символом экологичности этого металла и даже культовым предметом в области искусства и дизайна. Это алюминиевая банка. Ее изобретение делят между собой алюминиевая компания Kaiser Aluminum и пивоваренная Coors. К слову, последняя не только первой стала продавать пиво в алюминиевых банках, но и организовала систему сбора и переработки использованных банок. В 1967 году разливать свои напитки в алюминиевые банки начинают Coca-Cola и Pepsi.
В 1962 году легендарный гонщик Микки Томпсон и его гоночный болид Harvey Aluminium Special Indianapolis 500 car, выполненный из алюминиевых сплавов, стали сенсацией. Несмотря на то, что машина уступала конкурентам по мощности на целых 70 лошадиных сил, Томпсону удалось занять восьмое место в квалификации и быть девятым по ходу гонок. В результате его команда получила награду Mechanical Achievement Award за прорыв в дизайне гоночных болидов.
Спустя два года в Японии был запущен знаменитый Shinkansen — первый в мире высокоскоростной поезд, прообраз всех современных поездов такого типа, в которых алюминий является ключевым материалом. Он курсировал между Токио и Осакой и преодолевал расстояние в 515 км за 3 часа 10 минут, разгоняясь до 210 км/ч.
Тем временем, первенство на мировом алюминиевом рынке переходит к СССР, где ударными темпами вводятся в строй новые мощные гидроэлектростанции и алюминиевые заводы на территории Сибири.
В середине 1960-х там запущенны два гиганта алюминиевой индустрии –Братский и Красноярский алюминиевые заводы мощностью по 1 млн тонну металла в год каждый. До сих пор эти предприятия являются крупнейшими в мире.
В 1970-х возросшие объемы производства алюминия в мире и спрос приводят к тому, что этот металл становится биржевым товаром. Торги алюминиевыми контрактами в 1978 году начинаются на Лондонской бирже металлов (LME) – старейшей в мире бирже, образованной в 1877 году. С тех пор цена на первичный алюминий становится единой для всего мира и формируется в ходе биржевых торгов на LME.
Производство алюминия неуклонно растет по всему миру и к началу 1990-х годов достигает отметки в 19 млн тонн. К этому моменту на глобальной экономической карте начинает возрастать роль Китая, на территорию которого постепенно начинает смещается центр мирового производства. Выпуск собственного алюминия на тот момент в Китае не превышает и 900 тысяч тонн, но начинает быстро расти, обеспечивая внутренние нужды.
В России алюминиевые мощности достигли уровня в 3,5 млн тонн ежегодно, но страна пережила распад СССР, развал экономики и вошла в фазу смены экономической модели, поэтому рост производства алюминия остановился.
Китай обогнал Россию в 2002 году, по итогам которого его производство превысило 4,3 млн тонн. В мире на тот момент было произведено 26 млн тонн алюминия. В дальнейшем алюминиевое производство в Китае росло опережающими темпами – всего через четыре года, в 2006, оно достигло почти 10 млн тонн, что составляло треть общемировых объемов. Страна обогнала все остальные регионы мира по выпуску крылатого металла.
Весь производимый алюминий Китай использует для собственных нужд. Оборот металла и других материалов настолько велик, что в Китае создаются собственные товарные биржи, которые в 1999 году объединяются в Шанхайскую фьючерскую биржу (SHFE).
В то же время Китай наращивает свое производство высокой экологической ценой. Более 90% электроэнергии, которая используется для производства алюминия, вырабатывается на угольных электростанциях.
Для сравнения в России – обратная ситуация и около 90% алюминиевого производства алюминия обеспечивается гидроэлектроэнергетикой.
Существенную роль в алюминиевой отрасли также начинают играть и страны Ближнего Востока. Имея доступ к дешевой нефти и природному газу, получаемому попутно, алюминиевые производители обеспечены источником дешевой, хотя и опять-таки вредной для экологии, электроэнергии. Они также активно наращивают свое производство и сегодня входят в число мировых лидеров по производству крылатого металла.
Испытания для мировой алюминиевой отрасли начались в 2008 году вместе с глобальным финансово-экономическим кризисом. Тогда в результате обвала рынков алюминиевая отрасль впервые в истории столкнулась с кризисом перепроизводства и, как следствие, обрушением на 50% цен на металл. На складах по всему миру скопились миллионы тонн алюминия, интерес к которым проявили биржевые трейдеры: финансовые сделки с металлом стали выгодной инвестицией.
Кризис 2008-09 годов привел к масштабным закрытиям алюминиевых заводов практически всех западных алюминиевых компаний. Вместе с тем, производство металла в мире продолжило расти. Производители Китая и Ближнего Востока двигались в противоположном направлении и наращивали производство.
В 2013 году мировая алюминиевая промышленность преодолела новый рубеж – производство металла превысило 50 млн тонн. Дальнейшее развитие отрасли неразрывно связано с ростом потребления на фоне глобальных процессов урбанизации и индустриализации. Алюминий будет все активнее использоваться в автомобилестроении как замена стали, которая в несколько раз тяжелее, а также в электроэнергетике, вытесняя существенно более дорогую медь. По прогнозам аналитиков, к 2023 году спрос на алюминий превысит 80 млн тонн в год.
Параллельно продолжится технический прогресс в отрасли. Будут совершенствоваться основные технологии производства металла, а также создаваться новые виды сплавов.
Сегодня ведутся разработки усовершенствованной технологии Содерберга, разработка инертного анода, увеличение производительности электролизеров за счет силы тока. Все эти разработки направлены на повышение экологической и экономической эффективности. Вместе с тем постоянно ведется разработка алюминиевых сплавов для новых сфер применения металла.
Как вы могли убедиться, история развития алюминиевой отрасли действительно уникальна. На протяжении тысячелетий этот металл оставался загадкой, и всего за столетие стал самым востребованным конструктивным материалом.
В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.
История получения алюминия и развития алюминиевой промышленности.
Античная легенда
Первое упоминание о металлическом алюминии обнаружено в трудах First Century Roman. В знаменитой энциклопедии Плиния Младшего “Historia naturalis”, опубликованной в 79 г., описана следующая история. Однажды римскому ювелиру позволили показать императору Тибериусу обеденную тарелку из нового металла.
Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. Ювелир рассказал императору, что он добыл металл из обыкновенной глины. Он заверил императора, что только он и боги знают, как получить металл из глины. Император очень заинтересовался открытием ювелира. Однако он сразу понял, что вся его казна золота и серебра обесценится, если люди начнут производить этот светлый металл из глины. Поэтому, вместо ожидаемого ювелиром вознаграждения, он был обезглавлен.
Открытие алюминия Г. Эрстедом
Неизвестно, насколько правдива эта история, но описанные события происходили за 2000 лет до открытия человечеством способа производства алюминия. Это произошло в 1825 г., когда датский физик Г. Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия.
Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом.я термическим восстановлением хлорида алюминия калиевой амальгамой.Трудности в получении алюминия
- Большое сродство алюминия к кислороду. Алюминий может быть восстановлен углеродом из оксида при температуреоколо 2000°С. Однако уже при 1500°С углерод взаимодействует с алюминием, давая карбид.
- Высокий электрохимический потенциал алюминия (-1,67 В). Из водных растворов получить алюминий невозможно, так как на катоде практически будет идти процесс выделения водорода (разложения воды).
- Высокая температура плавления глинозема (2050°С), что исключает возможность проведения электролиза расплавленного глинозема.
Начало промышленного производства
Промышленное производство алюминия связано с именем француза Анри Сент-Клер Девиля. Ему хорошо были известны эксперименты Г. Эрстеда и другого ученого — Ф. Велера, которому в 1827 г. удалось выделить крупинки алюминия. Причиной неудачи Ф. Велера было то, что эти крупинки на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида: алюминия.
Новый способ производства алюминия оказался очень трудоемким.
Кроме того, взаимодействие паров хлорида алюминия с натрием нередко протекает со взрывом. В лабораторных условиях это не представляло серьезной опасности, а в заводских условиях могло вызвать катастрофу. А.С.-К. Девиль заменил хлорид алюминия смесью AlС1 3 с NaCl. Теперь участники реакции находились в расплавленном состоянии. Взрывы прекратились, но, что самое главное, вместо небольших корольков металла, которые надо было собирать вручную, получали значительное количество жидкого алюминия.
Опыты на заводе Жавеля увенчались успехом. В 1855 г. был получен первый слиток металла массой 6—8 кг.
Эстафету производства алюминия химическим способом продолжил русский ученый Н.Н. Бекетов. Он проводил реакцию взаимодействия между криолитом (Na3AlF6) и магнием. Способ Н.Н. Бекетова мало чем отличался от метода А.С.-К. Девиля, но был проще. В немецком городе Гмелингеме в 1885 г. был построен завод, использующий способ Н.Н. Бекетова, где за пять лет было получено 58т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890г.
Получение алюминия химическим способом не могло обеспечить промышленность дешевым металлом. Он был малопроизводителен и не давал чистый без примесей алюминий.
Получение алюминия электролизом
Это заставило исследователей разных стран мира искать новые способы производства алюминия.
На помощь ученым пришел электрический ток. Еще в 1808 г. Г. Дэви пытался разложить глинозем с помощью мощной электрической батареи, но безуспешно. Спустя почти 50 лет Р. Бунзен и А.С.-К. Девиль независимо друг от друга провели электролиз смеси хлоридов алюминия и натрия. Они были удачливее своего предшественника и сумели получить маленькие капельки алюминия. Однако в те времена не было еще дешевых и достаточно мощных источников электроэнергии. Поэтому электролиз алюминия имел только чисто теоретический интерес.
В 1867 г. была изобретена динамо-машина, а вскоре электроэнергию научились передавать на большие расстояния. Электричество начало вторгаться в промышленность.
В 1886 г. П. Эру во Франции и Ч. Холл в США почти одновременно положили начало современному способу производства алюминия, предложив получать его электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите (способ Холла — Эру). С этого момента новый способ производства алюминия начинает быстро развиваться, чему способствовали усовершенствование электротехники, а также разработка способов извлечения глинозема из алюминиевых руд. Значительный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К.И. Байер, Д.А. Пеняков, А.Н. Кузнецов, Е.И. Жуковский, А.А. Яковкин и др.
Алюминий: обычный металл, редкое прошлое
В середине 1800-х годов алюминий был дороже золота. Самые важные гости Наполеона III получали алюминиевые столовые приборы, в то время как менее достойные обедали простым серебром; модные и состоятельные женщины носили украшения из алюминия. Сегодня алюминий является важнейшим компонентом современной жизни, его можно найти в самолетах, автомобилях, банках для безалкогольных напитков, строительных материалах, кухонном оборудовании, ограждениях и бесчисленном множестве других продуктов.
Разница между редкостью и изобилием (а также между малоизвестностью и повсеместностью) этого металла зависела исключительно от способности ученых найти способ высвобождать его — третий по массе элемент в земной коре по распространенности — из руды.
Самая известная история о первом извлечении алюминия состоит в том, что юный житель Огайо Чарльз Мартин Холл разработал процесс электролитического извлечения алюминия в дровяном сарае своей семьи в 1886 году, запатентовал изобретение, помог основать компанию, которая впоследствии стала Alcoa, и умер в богатой семье. человек. Более сложная версия показывает, что Поль Эру в то же время разработал аналогичный процесс во Франции. На самом деле и Эру, и Холл были участниками гораздо более масштабной программы исследований алюминия, которая началась в 1850-х годах и продолжалась до 19 века.03, когда был урегулирован последний крупный патентный спор. К тому времени Alcoa была бесспорным мировым лидером в производстве алюминия, а сам Холл был мультимиллионером.
Но ни Холл, ни Эру не работали в вакууме — они почти одновременно открыли процесс извлечения алюминия, основанный на нескольких десятилетиях электрохимии и, более того, на многовековых знаниях о природе металлов.
Ранняя история
Хотя металлический алюминий был открыт недавно, его соединения были широко распространены в различных отраслях промышленности на протяжении всей истории. Квасцы (сульфат алюминия-калия, KAl(SO 4 ) 2 ), был наиболее известен как закрепитель красителя (или протрава), впервые разработанный в Египте более 5000 лет назад, а глины, содержащие алюмосиликаты, похоже, предпочитались современными персидскими гончарами за их прочность. Безводный сульфат алюминия (Al 2 (SO 4 ) 3 ) использовался древними греками в качестве вяжущего средства для обеззараживания ран — использование, которое продолжается и по сей день в кровоостанавливающих карандашах.
Электролиз, центральный процесс в современной истории алюминия, берет свое начало в начале 19 века.
век. В 1800 году итальянец Алессандро Вольта изобрел «свайную» батарею, которая служила источником накопленной энергии, которую англичане-первопроходцы Уильям Николсон и Энтони Карлайл использовали для разложения соединения (воды) на составные элементы посредством процесса, известного как электролиз. Обычно этот процесс включает в себя нанесение токоведущих электродов на жидкость, содержащую электролизуемое соединение. Отрицательный электрод в электролизе, катод, естественным образом притягивает положительные ионы, которые принимают электроны; положительный электрод, анод, притягивает отрицательно заряженные ионы. Когда вода подвергается электролизу, на катоде образуется газообразный водород, а на аноде выделяется кислород.
Выдающийся корнуоллский химик Хамфри Дэви также начал эксперименты по электролизу в 1800 году. Он изо всех сил пытался изолировать металлы, пропуская ток через растворы их щелочных солей, которые не производили ничего, кроме свободного водорода. Но он добился гораздо лучших результатов, когда начал проводить электролиз расплавленных соединений, впервые выделив калий из калия и натрий из поваренной соли в 1807 году.
череда успехов с идентификацией и наименованием алюминия. На самом деле он не изолировал алюминий; скорее, как объясняет Норман К. Крейг, почетный профессор химии в Оберлинском колледже, «Дэви достаточно знал о соединениях других металлов, чтобы на основе состава соединений алюминия сделать вывод, что они содержат новый металл, алюминий». Он впервые назвал металл алюминий , хотя он превратился в алюминий в большинстве англоязычных стран и в алюминий в США. Один из истинных гениев ранней химии, Дэви был посвящен в рыцари и получил титул баронета в 1812 году, а в 1820 году стал президентом Королевского общества (с 1877 года общество ежегодно присуждает в его честь «медаль Дэви»). изоляция металлического алюминия не имела успеха до его смерти в 1829 году. хлорид алюминия (AlCl 3 ) с амальгамой калия (сплав калия и ртути) с последующей отгонкой ртути. К сожалению, процесс Эрстеда произвел слишком мало алюминия, чтобы выполнить даже самый элементарный анализ, и его эксперимент было трудно воспроизвести.
Немецкий химик Фридрих Велер снова попытался в 1827 году, за год до того, как он стал пионером в области органической химии, синтезировав мочевину. Хотя его эксперимент с алюминием не дал желаемого кускового металла, он получил нечистый алюминиевый порошок после замены калиевой амальгамы Эрстеда металлическим калием. И так дело оставалось до 1845 года, когда Вёлер изготовил «серый металлический порошок. . . [с] маленькими оловянно-белыми шариками [алюминия], некоторые из которых размером с булавочную головку », путем совместного нагревания калия и хлорида алюминия в закрытой системе, тем самым исключая влагу, которая превращала алюминий в гидроксид алюминия ( Al (OH) ) 3 ).
К электролизу и обратно
К середине 1850-х годов технология аккумуляторов улучшилась по производительности и надежности до такой степени, что стало возможным первое электролитическое производство алюминия. Благодаря этому продвижению и предвосхищенному одновременным открытием Холла и Эру 32 года спустя, первый электролиз алюминия был также независимо разработан двумя сторонами.
Первым исследователем, заявившим о получении элементарного алюминия электролизом, был немец Роберт Вильгельм фон Бунзен, который по стечению обстоятельств занял место Велера в качестве преподавателя химии в Высшей политехнической школе в Касселе в 1836 году. В конечном итоге Бунзен прославился разработкой спектроскопа и использованием гидрата оксида железа в качестве противоядия от отравления мышьяком. (Любопытно, что он сделал , а не изобретает горелку, носящую его имя; это была работа его помощника Питера Десага, который улучшил конструкцию Майкла Фарадея.) В 1841 году Бунзен усовершенствовал конструкцию батареи 1839 года, разработанную Уильямом Робертом Гроувом, который несколько лет спустя также произвел первый водородно-кислородный топливный элемент. Бунзен снизил стоимость батареи Гроува, заменив платиновый катод более экономичным углеродным катодом внутри самой батареи. С этими батареями он начал экспериментировать с электролизом, производя чистый хром, магний, марганец, натрий, барий, кальций и литий, в дополнение к очень небольшим количествам того, что он считал алюминием в 1854 году.
Но затем он перешел к другим областям. представляет интерес, опубликовав свою важную статью по эмиссионной спектроскопии в 1860 г.
Вторым человеком, который экспериментально восстановил ионы алюминия до металла с помощью электролиза, был француз с Антильских островов Анри Сент-Клер Девиль, который представил свои открытия в области электролитического производства Французской академии наук в 1854 году, через неделю после того, как Бунзен опубликовал свои результаты. Его работа привлекла внимание Наполеона III, тогда титулованного «императора французов», который интересовался металлом как источником военных доспехов. Получив мандат Наполеона III, Девиль быстро понял, что стоимость цинка для анодов в ячейках Бунзена, которые он использовал, была слишком высока для эффективного производства алюминия путем электролиза. Вместо этого он снизил стоимость, вернувшись к химическим методам, заменив калий Вёлера натрием, то есть AlCl 9 .0009 3 + 3Na → Al + 3NaCl. С помощью этого процесса он смог получить достаточно алюминия, чтобы получить шарики размером с мрамор.
В 1855 году он выставил слиток сравнительно чистого алюминия на Всемирной выставке в Париже, вызвав большой интерес публики. Поскольку процесс Девиля был сочтен «достаточно хорошим», большинство ученых отложили эксперименты по электролитическому производству алюминия.
Девиль хорошо использовал деньги Наполеона III в течение следующих нескольких лет, основав завод по производству алюминия в Париже в 1856 году, а затем переехав в Нантер в 1857 году. В 1858 году он запатентовал метод извлечения глинозема (Al 2 O 3 ) из минерального боксита более рентабельным. Эти усилия представили миру алюминий, снизив его цену до уровня, который позволил обычным людям позволить себе украшения из алюминия. (Цена 1859 года за фунт алюминия составляла около 17 долларов, примерно столько же, сколько серебро.) Его книга 1859 года, De l’Aluminium, ses Propriétés, sa Fabrication et ses Applications ( Об алюминии, его свойствах, его производстве, и его применения ), был первым, кто полностью описал металл, положив начало исследованиям, которые привели к знаменитым открытиям Холла и Эру.
В течение следующих 20 лет алюминий в значительной степени оставался диковинкой, отчасти потому, что металл, полученный в процессе Девиля, был общеизвестно трудным в обработке. Типичный образец имел чистоту только около 97%, с не менее чем 1% железа и кремния, внесенными примесями в аппаратуру и исходные материалы. При низком спросе было мало экономических причин для строительства алюминиевых заводов. Производство во всем мире в 1869 году составляло всего около 2 метрических тонн. Пятнадцать лет спустя, когда 6-фунтовая алюминиевая крышка была установлена на монументе Вашингтона, мировое производство увеличилось до 3,6 метрических тонн по сравнению с 2834 метрическими тоннами серебра, произведенными в том году. В Соединенных Штатах было произведено всего 112 фунтов алюминия, практически весь иммигрант из Филадельфии по имени Уильям Фришмут, который учился у Вёлера в Германии. Основная часть остальных прибыла из Франции, Германии и Англии.
Большим препятствием на пути к более дешевому производству алюминия было отсутствие хорошего источника энергии.
Даже если кто-то развил выгодную электрохимическую реакцию, она должна была быть достаточно сильной, устойчивой и экономичной. Рост надежных коммерческих электрических динамо-машин в последней трети XIX века означал, что надежная электрическая энергия будет доступна везде, где существовала механическая энергия, и это вернуло внимание к возможностям экономичного электролитического процесса для алюминия. Усовершенствования, продемонстрированные Зенобом Граммом в 1871 году, увеличили напряжение динамо-машины и сделали ток более стабильным и предсказуемым.
Это был мир, в котором Чарльз Холл пошел на второй год в Оберлин-колледж, а француз Поль Луи-Туссен Эрулт пошел в подготовительную школу перед поступлением в горный колледж. В 1881 году обоим было по 18 лет. Хотя в конечном итоге они разделяли одну и ту же идею, они не могли быть более разными.
Чарльз Мартин Холл
Чарльз Мартин Холл родился 6 декабря 1863 года в Томпсоне, штат Огайо, где его отец был священником-конгрегационалистом.
Когда ему было девять лет, они переехали за 75 миль в Оберлин, штат Огайо, город, известный своим колледжем, музыкальной консерваторией и статусом конечной станции подземной железной дороги. Его мать и отец окончили Оберлин-колледж, и, в свою очередь, он и его шестеро братьев и сестер также окончили его.
Холл рано начал интересоваться химией, проведя свои подростковые годы, экспериментируя с минералами и химическими веществами в доме своей семьи, и в конце концов поступил в колледж, чтобы продолжить учебу. Его профессором химии был Франк Джеветт, который, будучи студентом в Германии в начале 1870-х годов, заинтересовался алюминием в ходе дискуссий с Фридрихом Вёлером. Легенда гласит, что Джуэтт, который был назначен профессором химии и минералогии в Оберлине в 1880 году, раздавал в классе кусок алюминия, заявляя, что «любой человек, открывший процесс производства алюминия в промышленных масштабах, благословит человечества и разбогатеть для себя». Холл, который еще до поступления в колледж интересовался алюминием, якобы сказал однокласснику: «Я выбираю этот металл».
Холл сдержал свое обещание вскоре после выпуска, работая частично в лаборатории колледжа Джуэтта, а частично в дровяном сарае его семьи. Как и многие ученые 19-го века, он изготовил большую часть своего оборудования и синтезировал некоторые химические вещества. Когда его первые попытки создать улучшенный химический процесс для извлечения алюминия потерпели неудачу, Холлу пришлось использовать многочисленные батареи Бунзена с угольными катодами для проведения электролиза. Но сначала он должен был найти подходящие исходные материалы.
В качестве источника алюминия он осаждал глинозем, смешивая обычные квасцы для бытовых изделий с моющей содой (карбонат натрия, Na 2 CO 3 ) и высушивая отфильтрованные результаты. Немного сложнее оказалось найти растворитель, который сжижал бы смесь и делал ее более поддающейся электролизу. Холл пробовал плавиковый шпат (фторид кальция), фторид калия, фторид натрия, фторид магния и фторид алюминия, но все безрезультатно.
Затем 9 февраля 1886 г. Холл обнаружил, что криолит (гексафторалюминат натрия, Na 3 AlF 6 ), нагретый до температуры плавления выше 1000ºC в своей бензиновой печи, растворил глинозем, как сахар в кофе.
Оттуда в молниеносном темпе проводились эксперименты. Через неделю после того, как первые электролитические попытки Холла потерпели неудачу (вероятно, из-за загрязнения силикатами глиняного тигля), 23 февраля 1886 года он произвел свои первые куски металлического алюминия и 9 июля подал заявку на патент, используя следующую реакцию:
2Al 2 O 3 + 3C → 4Al + 3CO 2
Где на катоде имеем: Al 3 + (расплав) + 3e ат 0(l) – 3e – анод: 2O 2 – (расплав) + C(s) → CO 2 (g) + 4e –
Поль Эру
Французский коллега Холла, Поль Луи-Туссен Эру, родился 10 апреля 1863 года в маленьком нормандском городке Тюри-Харкорт.
Действительно, эти два были исследованием контрастов. В то время как Холл был ребенком образованных родителей с высшим образованием, отец Эру управлял кожевенным заводом и одно время работал рабочим на алюминиевом заводе по процессу Девиля; в то время как Холл был известен как тихий, послушный и прилежный ребенок, Эру отправили в несколько школ-интернатов, возможно, отчасти для того, чтобы укротить его бунтарство. Он прочитал известную книгу Девиля об алюминии, когда учился в Академии Сент-Барб в Жантильи (недалеко от Парижа) и стал одержим этим предметом.
В 1882 году Эру поступил в Горную школу в Париже. Но там он, по-видимому, пренебрегал другими занятиями, преследуя свои алюминиевые мечты, потому что он провалил курсы, и его попросили уйти всего через несколько месяцев. (Сам Эру позже утверждал, что его выгнали за то, что он бросил мокрую губку, которая попала в декана.) Таким образом, пока Холл продолжал учебу у профессора Джуэтта, Эру оказался в армии до своего почетного увольнения в 1884 году.
Отец Эру скоропостижно скончался. в 1885 году, оставив 22-летнему Полу во владении семейный кожевенный завод, включая его паровой двигатель. Поль воспользовался случаем, чтобы продолжить свои эксперименты с алюминием, и убедил некоторых друзей из Горной школы присоединиться к нему. Но сначала он убедил мать дать ему 50 000 франков на динамо-машину на 400 ампер и 30 вольт — немалая сумма в то время, когда килограмм мяса стоил 2 франка, а красного вина — полфранка за литр. Как и Холл, он в конечном итоге остановился на расплавленном криолите в качестве растворителя и провел свою первую экстракцию в незарегистрированную дату. Но две даты известны точно: Эру опередил Холла в подаче заявки на патент 23 апреля 1886 г. во Франции и 22 мая 1886 г. в Соединенных Штатах.
Делимся достижениями
К счастью, два новатора в конце концов смогли прийти к мирному соглашению; Эру владел более ранним патентом, но поскольку Холл продемонстрировал свой процесс в феврале 1886 года в Оберлине, работа Холла имела приоритет.
Сегодня их изобретение известно как процесс Холла-Эру, и они были достаточно дружелюбны, чтобы Эру произнес теплую речь о вкладе Холла на церемонии, на которой последний получил свою медаль Перкина в 1911 году.0003
В конце концов именно предпринимательский дух Чарльза Холла в сочетании с настойчивостью и некоторыми удачными случаями сделали его крупным победителем в игре с алюминием. Его первые безуспешные попытки коммерциализировать свой процесс включали работу в Локпорте, штат Нью-Йорк, на заводе Cowles Electric Smelting and Aluminium Company, что позже привело к спору о патенте. В конце концов Холл нашел покровителя в лице капитана Альфреда Эфера Ханта (не имевшего отношения к современнику основателя Bethlehem Steel Corporation Альфреда Ханта), который вместе с соинвесторами выделил 20 000 долларов на строительство экспериментального завода в Питтсбурге. Это партнерство привело к созданию Pittsburgh Reduction Company, которая в 1907 стала Алюминиевой компанией Америки, и под своим нынешним названием Alcoa является крупнейшим в мире производителем алюминия.
Жизнь Эру после открытия продолжала контрастировать с жизнью Холла. В то время как Холл полностью посвятил себя алюминиевой промышленности, Эру проявил больший интерес к алюминиевым сплавам и в конечном итоге переключился на другие отрасли. В отличие от Холла, который до самой смерти оставался холостым и бездетным, Эру дважды женился и стал отцом пятерых детей. В то время как главными удовольствиями Холла за пределами лаборатории были чтение, игра на фортепиано, его семья и Оберлинский колледж, Эрулу нравилось наблюдать за грандиозными инженерными задачами. Дальнейшие патенты Холла были связаны с производством алюминия, но Эру разработал несколько изобретений, не связанных с алюминием, таких как прототип вертолета и «гидрослип, своего рода лодка на полозьях, поднимаемая четырьмя движущимися лопастями», разработанная совместно с американским изобретателем Купером. Хьюитт. Сегодня он, пожалуй, наиболее известен изобретением электродуговой печи, которая до сих пор используется для переработки стали.
Холл умер от лейкемии во Флориде; Эру умер от брюшного тифа и цирроза печени вскоре после переезда на 100-футовую яхту в Средиземном море. И точно так же, как у них были общие год рождения и год открытия, они были объединены в год своей смерти — 19.14. Эру прожил всего на восемь дней дольше, чем Холл.
Наследие инноваций в области алюминия
Во время изобретения Холла и Эру цена на алюминий упала до менее чем 6 долларов за фунт, отчасти благодаря усовершенствованному Гамильтоном Кастнером в 1884 году электролитическому процессу для производства натрия, необходимого для Процесс Девиля. Но при такой цене алюминий был все еще слишком дорог, чтобы его можно было использовать в тех целях, для которых мы его теперь знаем. Компания, которую помог найти Холл, снизила цену ниже 1 доллара за фунт к 189 годам.1, и когда легкий алюминиевый картер двигателя позволил братьям Райт совершить свой знаменитый первый полет, металл стоил около 0,30 доллара за фунт.
История алюминия показывает, как одно научное усовершенствование дает возможность другому, которое делает возможным другое, продолжаясь по цепочке до тех пор, пока открытие, подобное процессу Холла-Эру, не станет неизбежным.
Бунзен мог бы успешно использовать электролиз для производства алюминия более 40 лет назад; в конце концов, Холл использовал тот же основной источник энергии, что и Бунзен. Но пока химический процесс Девиля не доказал, что рынок и электрические динамо-машины не обеспечили путь к коммерциализации, с экономической точки зрения производство алюминия казалось безумием. Тот факт, что криолит растворяет глинозем, действительно был открыт Девилем в 1859 году., но другие подробности, например, о нагреве смеси и конструкции реактивного электрода, появились позже.
Можно только гадать, какая часть, отсутствующая в настоящее время в мировом арсенале технологий и материалов, откроет следующее золотое дно — и тем, кто считает, что таких богатств больше не осталось, достаточно взглянуть на сравнительно недавний пример титана, чтобы доказать обратное: металл был впервые извлечен в 1910 году, коммерциализирован в 1946 году и получил широкое распространение только благодаря процессу, разработанному в 1996 году.
На примере успеха алюминия важно отметить, что Холл и Эру не являются гениями-одиночками, как бы ни был популярен этот образ. Скорее, история алюминия учит нас тому, что успех зависит от неудач и что ранее отвергнутые идеи могут привести к новым открытиям, таким как свинец в золоте.
Автор выражает благодарность Norman C. Craig за помощь в подготовке этой статьи.
Алюминий – письменная, удобная для пользователя информация об элементе
Data Zone | Открытие | Факты | Внешний вид и характеристики | Использование | Изобилие и изотопы | Ссылки
13
Al
26,98
Химический элемент алюминий классифицируется как другой металл. Он был обнаружен в 1750-х годах Андреасом Маргграфом.
Зона данных
| Классификация: | Алюминий является «другим металлом» |
| Цвет: | серебристый |
| Атомный вес: | 26,98154 г/моль |
| Состояние: | твердый |
| Температура плавления: | 660,32 или С, 933,57 К |
| Точка кипения: | 2466,85 или С, 2740,00 К |
| Электронов: | 13 |
| Протоны: | 13 |
| Нейтроны в наиболее распространенном изотопе: | 14 |
| Электронные оболочки: | 2,8,3 |
| Электронная конфигурация: | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 |
| Плотность @ 20 или C: | 2,702 г/см 3 |
Реакции, Соединения, Радиусы, Проводимости”>Показать больше, в том числе: Теплота, Энергия, Окисление,
Реакции, Соединения, Радиусы, Проводимости
| Атомный объем: | 9,98 см 3 /моль |
| Структура: | fcc: гранецентрированный куб |
| Твердость: | 2,8 месяца |
| Удельная теплоемкость | 0,90 Дж г -1 К -1 |
| Теплота плавления | 10,790 кДж моль -1 |
| Теплота распыления | 326 кДж моль -1 |
| Теплота парообразования | 293,40 кДж моль -1 |
| 1 ст энергия ионизации | 577,6 кДж моль -1 |
| 2 nd энергия ионизации | 1816,6 кДж моль -1 |
| 3 rd энергия ионизации | 2744,7 кДж моль -1 |
| Сродство к электрону | 42,6 кДж моль -1 |
| Минимальная степень окисления | 0 |
Мин. общее окисление нет. | 0 |
| Максимальная степень окисления | 3 |
| Макс. общее окисление нет. | 3 |
| Электроотрицательность (шкала Полинга) | 1,61 |
| Объем поляризуемости | 8,3 Å 3 |
| Реакция с воздухом | мягкий, в/в ⇒ Al 2 O 3 |
| Реакция с 15 М HNO 3 | пассивированный |
| Реакция с 6 М HCl | мягкий, ⇒ H 2 , AlCl 3 |
| Реакция с 6 М раствором NaOH | 90 155 мягкий, ⇒ H 2 , [Al(OH) 4 ] –|
| Оксид(ы) | Ал 2 О 3 |
| Гидрид(ы) | АлХ 3 |
| Хлорид(ы) | AlCl 3 и Al 2 Cl 6 |
| Атомный радиус | 125 часов |
| Ионный радиус (1+ ион) | – |
| Ионный радиус (2+ ион) | – |
| Ионный радиус (3+ ион) | 53,5 вечера |
| Ионный радиус (1-ион) | – |
| Ионный радиус (2-ионный) | – |
| Ионный радиус (3-ионный) | – |
| Теплопроводность | 237 Вт·м -1 К -1 |
| Электропроводность | 37,6676 х 10 6 См -1 |
| Температура замерзания/плавления: | 660,32 или С, 933,57 К |
Луи де Морво считал, что в оксиде алюминия можно обнаружить новый металл.
Он был прав, но он не мог изолировать его. Де Морво разработал первый систематический метод именования химических веществ и, как мы видим, был пионером воздухоплавания.
Периодическая таблица алюминия
Соседство
Открытие алюминия
Доктор Дуг Стюарт
С древних времен люди использовали квасцы для окрашивания, дубления и остановки кровотечения. Квасцы – это сульфат калия-алюминия.
В 1750-х годах немецкий химик Андреас Маргграф обнаружил, что может использовать раствор щелочи для осаждения нового вещества из квасцов. Маргграф ранее был первым, кто выделил цинк в 1746 году.
Вещество, полученное Маргграфом из квасцов, было названо оксидом алюминия французским химиком Луи де Морво в 1760 году. Теперь мы знаем, что оксид алюминия — это оксид алюминия — химическая формула Al 2 О 3 .
Де Морво считал, что оксид алюминия содержит новый металлический элемент, но, как и Маргграф, не смог извлечь этот металл из его оксида.
(1), (2)
В 1807 или 1808 году английский химик Хамфри Дэви разложил глинозем в электрической дуге, чтобы получить металл. Металлом был не чистый алюминий, а сплав алюминия и железа.
Дэви назвал новый металл алюминием, а затем переименовал его в алюминий. (3)
Алюминий был впервые выделен в 1825 году Гансом Кристианом Эрстедом (Эрстедом) в Копенгагене, Дания, который сообщил о «куске металла, который по цвету и блеску чем-то напоминает олово».
Компания Ørsted произвела алюминий путем восстановления хлорида алюминия с помощью амальгамы калия и ртути. Ртуть удаляли нагреванием, оставляя алюминий.
Немецкий химик Фридрих Вёлер (Woehler) повторил эксперимент Эрстеда, но обнаружил, что в результате получается только металлический калий. Двумя годами позже Велер развил этот метод, реагируя летучий трихлорид алюминия с калием с получением небольшого количества алюминия. (1)
В 1856 г. Берцелиус заявил, что успех в 1827 г.
был достигнут Вёлером. Поэтому обычно Вёлеру приписывают открытие.
Совсем недавно Фог повторил первоначальные эксперименты и показал, что метод Эрстеда может давать удовлетворительные результаты.
Это укрепило приоритет оригинальной работы Эрстеда и его положение как первооткрывателя алюминия. (4)
В течение почти трех десятилетий алюминий оставался новинкой, дорогой в производстве и более ценной, чем золото, пока в 1854 году Анри Сен-Клер Девиль в Париже, Франция, не нашел способ заменить калий гораздо более дешевым натрием в реакция на выделение алюминия. Затем алюминий стал более популярным, но, поскольку он все еще был довольно дорогим, его использовали скорее в декоративных, чем в практических целях.
Наконец, в 1886 году американский химик Чарльз Мартин Холл и французский химик Поль Эру независимо друг от друга изобрели процесс Холла-Эру, который недорого изолирует металлический алюминий от его оксида электролитическим путем.
Алюминий до сих пор производится с использованием процесса Холла-Эру.
Интересные факты об алюминии
- Производство алюминия требует много энергии – 17,4 мегаватт-часов электроэнергии для производства одной метрической тонны алюминия; это в три раза больше энергии, чем необходимо для производства метрической тонны стали. (5)
- Алюминий — отличный металл для вторичной переработки. Переработка использует только 5% энергии, необходимой для производства алюминия из его руды, бокситов. (6)
- Алюминий не прилипает к магнитам в нормальных условиях.
- В земной коре алюминия больше, чем любого другого металла. Алюминий, содержащий около 8 процентов, является третьим по распространенности элементом в земной коре после кислорода и кремния.
- Несмотря на большое распространение, в 1850-х годах алюминий ценился дороже золота. В 1852 году алюминий стоил 1200 долларов за кг, а золото — 664 доллара за кг.
- Цены на алюминий иллюстрируют опасность финансовых спекуляций: в 1854 году Сен-Клер Девиль нашел способ заменить калий гораздо более дешевым натрием в реакции выделения алюминия. К 1859 году алюминий стоил 37 долларов за кг; его цена упала на 97% всего за пять лет.
- В то время как предыдущий пункт подчеркивает опасность спекуляций, этот пункт освещает один из триумфов химии: электролитический процесс Холла-Эру был открыт в 1886 году. К 1895 году цена алюминия упала всего до 1,20 доллара за кг. Рубиновые драгоценные камни
- в основном состоят из оксида алюминия, в котором небольшое количество ионов алюминия заменено ионами хрома.
- Алюминий образуется в ядерных огнях тяжелых звезд, когда протон присоединяется к магнию. (Магний сам образуется в звездах путем ядерного синтеза двух атомов углерода.) (7)
К 1859 году алюминий стоил 37 долларов за кг; его цена упала на 97% всего за пять лет.
Алюминий — самый распространенный металл в земной коре: больше только кислорода и кремния. Изображение Геологической службы США.
Алюминиевый коллектор космического корабля “Генезис”. Алюминий аккумулировал быстро движущиеся частицы благородных газов солнечного ветра; эти виды ударились и застряли в металле.
Космический корабль вернулся на Землю, и благородные газы были проанализированы, чтобы узнать о происхождении Солнечной системы. Изображение NASA/JSC.
Заливка расплавленного алюминия.
Внешний вид и характеристики
Вредное воздействие:
Нет доказанных проблем; проглатывание может вызвать болезнь Альцгеймера
Характеристики:
Алюминий — металл серебристо-белого цвета. Он не прилипает к магнитам (он парамагнетик, поэтому его магнетизм в нормальных условиях очень и очень слаб). Это отличный электрический проводник. Он имеет низкую плотность и высокую пластичность. Он слишком реактивен, чтобы его обычно можно было найти в виде металла, хотя очень редко можно найти самородный металл. (8)
Внешний вид алюминия матовый, а его реакционная способность пассивируется пленкой оксида алюминия, которая естественным образом образуется на поверхности металла при нормальных условиях.
Оксидная пленка создает материал, устойчивый к коррозии. Пленка может быть утолщена с помощью электролиза или окислителей, а алюминий в такой форме устойчив к воздействию разбавленных кислот, разбавленных щелочей и концентрированной азотной кислоты.
Алюминий находится достаточно далеко в правой части периодической таблицы, что демонстрирует некоторые признаки неметаллического поведения, реагируя с горячими щелочами с образованием ионов алюмината [Al(OH) 4 ] – , а также более типичного металла реакция с кислотами с выделением газообразного водорода и образованием положительно заряженного иона металла Al 3+ . то есть алюминий амфотерен.
Чистый алюминий довольно мягкий и непрочный. Алюминий, используемый в коммерческих целях, содержит небольшое количество кремния и железа (менее 1%), что значительно повышает его прочность и твердость.
Использование алюминия
Благодаря низкой плотности, низкой стоимости и коррозионной стойкости алюминий широко используется во всем мире.
Он используется в широком спектре продуктов, от банок для напитков до оконных рам и от лодок до самолетов. Боинг 747-400 содержит 147 000 фунтов (66 150 кг) высокопрочного алюминия.
В отличие от некоторых металлов, алюминий не имеет запаха, поэтому он широко используется для упаковки пищевых продуктов и кастрюль.
Хотя алюминий не так хорош, как серебро или медь, он является отличным проводником электричества. Кроме того, он значительно дешевле и легче этих металлов, поэтому широко используется в воздушных линиях электропередач.
Из всех металлов только железо используется шире, чем алюминий.
Изобилие и изотопы
Изобилие в земной коре: 8,23 % по массе, 6,32 % по молям
Изобилие в солнечной системе: 56 ppm по массе, 2,7 ppm по молям 0,20 доллара США за 100 г
Источник: Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре и третьим по содержанию элементом в земной коре после кислорода и кремния. Алюминий слишком активен, чтобы его можно было найти в чистом виде.
Бокситы (главным образом оксид алюминия) — важнейшая руда.
Изотопы: 15, периоды полураспада которых известны, массовые числа от 22 до 35. Из них только два встречаются в природе: 27 Al, который является стабильным, и 26 Al, который является радиоактивным с периодом полураспада 7,17. х 10 5 лет. 26 Al образуется в результате бомбардировки аргона космическими лучами в атмосфере Земли.
Ссылки
- Ян Макнейл, Энциклопедия истории технологий., (1996) стр. 102. Рутледж
- Дэвид Р. Лайд, CRC Handbook of Chemistry and Physics., (2007) 4-3. контрольная сумма
- Халвор Кванде, Двести лет алюминия… или это алюминий?, Журнал Общества минералов, металлов и материалов, (2008) Том 60, номер 8: стр. 23-24.
- http://www.nature.com/nature/journal/v135/n3417/abs/135638b0.html
- Китайская алюминиевая фольга, Wall Street Journal
- Паоло Вентура, Роберта Карини, Франческа Д’Антона, Глубокое понимание нуклеосинтеза Mg-Al в массивных звездах AGB и SAGB.
