Когда был открыт алюминий: История алюминия

Алюминий — история и современность. Часть I

Алюминий не зря называют металлом 21-го века — легкий, пластичный и экономичный, он встречается сегодня практически во всех сферах промышленности и широко применяется в быту. «Алюминиевый бум» возник в результате развития технологий производства металла — получить алюминий из природных смесей довольно сложно, поэтому до определенного момента изделия из алюминия были огромной редкостью и стоили недешево. Вот почему металл, содержание которого в земной коре многократно превышает объемы железа, меди, цинка, хрома, олова и свинца широко применяется только последние сто лет. История алюминия полна загадок, тайн и удивительных открытий — этот металл «прошел путь» от простой глины до великой драгоценности, от алхимического элемента до ракетного топлива.

Соль земли

С глубокой древности и вплоть до 20 столетия алюминий был предметом роскоши, несмотря на то, что он является одним из самых распространенных металлов на Земле (около 8,6% массы земной коры).

Дело в том, что в чистом виде алюминий практически не встречается в природе: он входит в состав глиняных квасцов, бокситов, переработка которых требует огромнейших энергозатрат. Алюминиевые самородки — явление редкое, поэтому алюминий в виде чистого металла жителям древнего мира был незнаком. А вот сами глиняные квасцы широко применялись в хозяйстве: о них упоминал еще греческий историк Геродот (V веке до н. э.). Квасцовая глина использовалась для обработки тканей — она позволяла закрепить цвет полотна. Древние называли эту глину alumen (вяжущая). Квасцы были известны и на Руси — упоминания о минералах, применяемых для выделки сафьяновых кож и обработки тканей, датируются VIII—IX веками.

На состав глиняных квасцов впервые обратил внимание известный немецкий лекарь и ученый Парацельс Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм. В своих трудах он описал некий металл, который «есть соль некоторой квасцовой земли».

С определением Парацельса впоследствии согласился и Д.И. Менделеев: «алюминий есть самый распространенный металл в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине». Окись квасцового металла была названа «глиноземом», а сам он получил название алюминий.

В средние века квасцы стали обязательными атрибутами алхимических лабораторий: сохранилось более тридцати четырех их «наименований». «Алхимический словарь» Руланда приводит лишь некоторые из них: Alumen alafuri (алкалическая соль), Alumen Alcori (нитрум), Alumen creptum (винный камень). Слово «алюмен» нередко встречалось и в названиях различных аптекарских снадобий и лекарств: Alumen fascioli (щелочь), Alumen odig (нашатырный спирт), Alumen scoriole (гипс).

Загадки древних

Фактически, алюминий «появился на свет» только после изобретения электричества. Однако сохранились документы, свидетельствующие о том, что легкий серебристый металл использовался ювелирами древнего Китая и Рима. Так, по свидетельствам Плиния Старшего, римский император Тиберий (II—III вв н.э.) как-то получил в подарок чашу из легкого серебристого металла. История не сохранила ни имени мастера, изготовившего сосуд, ни рецепта таинственного сплава — Тиберий приказал казнить его, дабы новый металл не обесценил царского серебра. Многие ученые склонны считать эту историю легендой, однако появление алюминиевой чаши во дворце римского императора вполне возможно: Плиний упоминал о том, что металл был получен из глины, то есть неизвестный мастер вполне каким-то образом ñìîã найти источник энергии для переработки квасцов.

А вот документальные свидетельства о гробнице китайского полководца Чжоу-Чжу украшенной алюминиевыми фигурами (297 год до н. э.), напротив, выступают своеобразным доказательством того, что в некоторых странах древние металлурги владели собственной методикой получения этого металла. Тот факт, что украшения из гробницы сделаны именно из алюминия, подтвердил и современный спектральный анализ. Однако, создать подобный орнамент, используя алюминиевые самородки (которые встречаются крайне редко) просто невозможно. Загадку древних разгадали немецкие ученые. Они предположили, что для выделения алюминия èç бокситов мог применяться обычный уголь. Эксперимент, поставленный в 70-х годах прошлого века, позволил получить «самолетный» металл в обычном глиняном тигле при использовании природных компонентов.

Это «открытие» вызвало огромный резонанс среди двух «противоположных лагерей» — химиков и историков. Еще бы — получено «альтернативное» серебро! Теперь ученым предстояло решить главную «загадку» этого металла — разработать технологию его промышленного производства…

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.
Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия KAl(SO₄)₂·(12H₂O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. 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

1. 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.
2. 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).
3. 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.
Прежде всего А.С.-К. Девиль в процессе получения металла заменяет калий более дешевым натрием и проводит лабораторные опыты в крупном масштабе. Полученный хлорид алюминия загружался в большую стальную трубу, в которой на равном расстоянии друг от друга были расставлены сосуды, наполненные металлическим натрием.

При нагреве происходило взаимодействие хлорида алюминия с натрием в газовой фазе и частицы алюминия оседали на дно трубы. Образованные в результате реакции зернышки тщательно собирали, плавили и получали слитки металла.

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 AlС1₃ 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.

It’s Elemental – Элемент Алюминий

Хотя алюминий является самым распространенным металлом в земной коре, он никогда не встречается в природе в свободном виде. Весь алюминий Земли соединился с другими элементами, чтобы сформировать соединения. Двумя наиболее распространенными соединениями являются квасцы, такие как сульфат калия-алюминия (KAl(SO ₄ ) ₂ · 12H ₂ O) и оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ). Около 8,2% земной коры состоит из алюминия.

Ученые подозревали, что неизвестный металл содержится в квасцах еще в 1787 году, но у них не было способа извлечь его до 1825 года. Ганс Христиан Эрстед, датский химик, был первым, кто произвел небольшое количество алюминия. Два года спустя немецкий химик Фридрих Вёлер разработал другой способ получения алюминия. К 1845 году он смог изготовить достаточно большие образцы, чтобы определить некоторые основные свойства алюминия. Метод Велера был улучшен в 1854 году французским химиком Анри Этьеном Сент-Клер Девилем. Процесс Девиля позволил начать коммерческое производство алюминия. В результате цена на алюминий упала с примерно 1200 долларов за килограмм в 1852 году до примерно 40 долларов за килограмм в 1859 году.. К сожалению, алюминий оставался слишком дорогим для широкого применения.

Два важных события 1880-х годов значительно увеличили доступность алюминия. Первым было изобретение нового процесса получения алюминия из оксида алюминия. Чарльз Мартин Холл, американский химик, и Поль Л.Т. Эру, французский химик, изобрели этот процесс независимо друг от друга в 1886 году. Вторым было изобретение нового процесса, позволяющего дешево получать оксид алюминия из бокситов. Бокситы — это руды, содержащие большое количество гидроксида алюминия (Al ₂ O ₃ ·3H ₂ O) вместе с другими соединениями. Карл Йозеф Байер, австрийский химик, разработал этот процесс в 1888 году. Процессы Холла-Эру и Байера до сих пор используются для производства почти всего алюминия в мире.

Благодаря простому способу извлечения алюминия из оксида алюминия и простому способу извлечения больших количеств оксида алюминия из бокситов началась эра недорогого алюминия. В 1888 году Холл основал Pittsburgh Reduction Company, известную теперь как Алюминиевая компания Америки или Alcoa. Когда он открылся, его компания могла производить около 25 килограммов алюминия в день. К 1909, его компания производила около 41 000 кг алюминия в день. В результате такого огромного увеличения предложения цена на алюминий быстро упала примерно до 0,60 доллара за килограмм.

Сегодня алюминий и алюминиевые сплавы используются в самых разных изделиях: консервных банках, фольге и кухонной утвари, а также в деталях самолетов, ракет и других предметов, для которых требуется прочный, легкий материал. Хотя он не проводит электричество так же хорошо, как медь, он используется в линиях электропередачи из-за своего легкого веса. Его можно наносить на поверхность стекла для изготовления зеркал, где быстро образуется тонкий слой оксида алюминия, выполняющий роль защитного покрытия. Оксид алюминия также используется для изготовления синтетических рубинов и сапфиров для лазеров.

Краткая история алюминия: от драгоценного металла до пивных банок : Short Wave : NPR

В прошлом году алюминиевые слитки лежали штабелями на складе в порту Нового Орлеана. Блумберг через Getty Images

скрыть заголовок

переключить заголовок

Блумберг через Getty Images

Алюминиевые слитки лежат на складе в порту Нового Орлеана в прошлом году.

Блумберг через Getty Images

Алюминий используется везде, от газировки до космических капсул, но так было не всегда.

Короткая волна празднует 150-летие периодической таблицы с профилями некоторых из ее любимых элементов. Вот несколько вещей, которые вы, возможно, не знали об алюминии.

Алюминий — самый распространенный металл на Земле и один из самых дешевых для покупки. Но раньше оно было дороже золота.

Алюминий является третьим наиболее распространенным элементом в земной коре, но он также легко связывается с другими элементами. Это означает, что он не встречается в природе в виде чистого металла.

В течение десятилетий после того, как он был впервые обнаружен британским химиком сэром Хамфри Дэви в начале 1800-х годов, ученые и ремесленники безуспешно пытались найти хороший метод отделения алюминия от всего остального, что к нему прилипло.

Французский император Наполеон III был одним из первых сторонников алюминия. Он надеялся, что легкий металл можно будет использовать для производства оружия и доспехов, что даст его солдатам преимущество в бою. Император финансировал работу Анри Сент-Клера Девиля, который нашел химический метод получения чистого алюминия, но это все равно был медленный процесс. Часто повторяемая история гласит, что Наполеон III, разочарованный прогрессом в области алюминия, приказал переплавить большую часть французских запасов и превратить их в столовые приборы. Он и его почетные гости пользовались алюминиевой посудой, а все остальные за императорским обеденным столом обходились золотом.

Алюминиевый наконечник установлен на памятнике Вашингтону 6 декабря 1884 года, как показано на современной иллюстрации. Служба национальных парков скрыть заголовок

переключить заголовок

Служба национальных парков

В 1884 году, когда монумент Вашингтона был завершен, его закрыли большой алюминиевой отливкой. Церемония закрытия и открытие памятника «были освещены на первых полосах национальных газет, а алюминиевая вершина была описана с похвалой», согласно 1995 статей, опубликованных в журнале Minerals, Metals & Materials Society. «Сотни тысяч, а может быть, и миллионы людей, которые никогда раньше даже не слышали об алюминии, теперь знали, что это такое».

В то время фунт алюминия стоил 16 долларов (419 долларов в сегодняшних долларах).

Два года спустя был открыт коммерчески жизнеспособный метод извлечения алюминия из руды, и к 1889 году цена упала до 2 долларов за фунт. За 10 лет коммерческой переработки он упал всего до 50 центов за фунт.

Современный способ получения алюминия был открыт одновременно двумя молодыми учеными, работавшими независимо друг от друга на разных континентах.

В 1886 году двое мужчин в возрасте 22 лет — один работал в Огайо, а другой — на северо-западе Франции — разработали современный метод производства металлического алюминия.

Американец Чарльз Мартин Холл приступил к работе после того, как его вдохновила лекция в Оберлинском колледже, в которой его профессор химии заявил, что первооткрыватель практического способа производства алюминия «благословит человечество и сделает состояние для себя».

Молодой американский химик Чарльз Мартин Холл на фотографии, сделанной в феврале 1886 года, примерно в то же время, когда он открыл эффективный и недорогой процесс производства алюминия. Архив Беттмана скрыть заголовок

переключить заголовок

Архив Беттмана

Молодой американский химик Чарльз Мартин Холл на фотографии, сделанной в феврале 1886 года, примерно в то же время, когда он открыл эффективный и недорогой процесс производства алюминия.

Архив Беттмана

Француз Поль Эру работал над той же проблемой.

Почти одновременно двое мужчин пришли к одному и тому же ответу: электричество и многое другое.

Все еще используемый сегодня, вот как работает их метод: глинозем из боксита растворяется в другом минерале, криолите, при температуре 1832 градуса по Фаренгейту. Расплавленная смесь выливается в специально сконструированный чан, через который проходит огромное количество электричества. Этот процесс вызывает конденсацию металлического алюминия на дне чана.

Поль Эро, работая во Франции, разработал тот же метод, что и Холл, для производства дешевого алюминия. Это фото сделано в 1900 году. Keystone-France/Gamma-Keystone через Getty Images скрыть заголовок

переключить заголовок

Keystone-France/Gamma-Keystone через Getty Images

Поль Эро, работая во Франции, разработал тот же метод, что и Холл, для производства дешевого алюминия. Эта фотография была сделана в 1900 году.

Keystone-France/Gamma-Keystone через Getty Images

Двое мужчин боролись за права собственности на процесс, который они разработали для выплавки алюминия из бокситовой руды. Эру подал заявку на патент за шесть недель до Холла, но американец смог доказать (возможно, благодаря записям, которые хранила его сестра Джулия Брейнерд Холл), что он действительно сделал это открытие за несколько недель до своего соперника. В конце концов, двое мужчин уладили свой спор и стали друзьями.

В 1888 году Холл стал соучредителем компании Pittsburgh Reduction Co. по производству алюминия. Позже компания стала алюминиевым гигантом Alcoa. В следующем году Эру расширил этот процесс во Франции.

Двое мужчин умерли в один год, в 1914 году, обоим был 51 год.

Разработка процесса Холла-Эру, как он стал известен, стала важной вехой в промышленной революции. Но это также повлекло за собой экологические издержки: необходимое электричество производит большое количество парниковых газов. По оценкам, только на производство алюминия приходится около 1% глобальных выбросов.

Доступность алюминия на рубеже 20-го века подстегнула эру полетов и космическую эру.

Орвилл Райт, лежа за штурвалом на нижнем крыле, пилотирует Wright Flyer во время первого полета на самолете тяжелее воздуха 17 декабря 1903 года в Китти-Хок, Северная Каролина. Джон Т. Дэниэлс/AP скрыть заголовок

переключить заголовок

Джон Т. Дэниэлс/AP

Орвилл Райт, лежа за штурвалом на нижнем крыле, пилотирует Wright Flyer во время первого полета самолета тяжелее воздуха 17 декабря 1903 года в Китти-Хок, Северная Каролина

Джон Т. Дэниэлс/AP

В 1903 году Уилбур и Орвилл Райт боролись с дизайном своего летательного аппарата Райта, который войдет в историю.

«Без сомнения, они знали, что им нужно что-то легкое, иначе отношение тяги к массе было бы недостаточно высоким», — говорит Дональд Садоуэй, профессор химии материалов Массачусетского технологического института.

Чарльз Тейлор, «механик», сотрудник Райтов, первым предложил использовать сплав алюминия и меди для блока их примитивного четырехцилиндрового бензинового двигателя. Это была новаторская идея уменьшить общий вес их самолета.

«Это был в лучшем случае очень маргинальный самолет», — говорит Роберт ван дер Линден, главный куратор Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики. «Поэтому требовалась каждая унция силы и каждая сэкономленная унция веса, чтобы поднять эту штуку в воздух».

180-фунтовый двигатель — на 20 фунтов легче расчетного благодаря алюминию — превзошел все ожидания и позволил Wright Flyer взлететь.

Хотя остальная часть самолета была сделана из дерева и ткани, к концу 1920-х годов все более быстрые самолеты сделали алюминий очевидным выбором и для фюзеляжа.

«До этого бипланы, обтянутые тканью, были в порядке», — говорит ван дер Линден. «Но если вы развиваете скорость более 150 миль в час… вам нужен более прочный материал».

Опять же, алюминий был ключевым. Он стал доминирующим металлом в авиации.

Переработка была дешевле и занимала меньше времени, чем переработка из руды. Поэтому во время Второй мировой войны американцев поощряли сдавать свои алюминиевые кастрюли и даже алюминиевую фольгу от оберток от жевательной резинки и сигаретных пачек, чтобы помочь в военных действиях.

НАСА также обратилось к алюминиевым сплавам для Аполлона по той же причине, по которой они были так необходимы для самолетов — вес и прочность.

Капсула Orion следующего поколения поднимается для соединения с испытательным стендом для проверки давления внутри в Космическом центре Кеннеди во Флориде. Ким Шифлетт/НАСА скрыть заголовок

переключить заголовок

Ким Шифлетт/НАСА

Капсула Orion следующего поколения поднимается для соединения с испытательным стендом для проверки давления внутри в Космическом центре Кеннеди во Флориде.

Ким Шифлетт/НАСА

Космическая капсула Орион нового поколения изготавливается в основном из алюминиево-литиевого сплава.

Когда дело доходит до космических полетов, «вес решает все», — говорит ван дер Линден. «Алюминиевые сплавы идеально подходят для этого».

Что было бы с современной авиацией и космонавтикой без алюминия?

«Я не думаю, что это произойдет, потому что на самом деле нет другого металла или любого другого материала, который мог бы делать то, что сделали алюминиевые сплавы», — говорит он.

Алюминиевая банка для напитков была представлена ​​в 1959 году.

Пивовар Coors был первым, кто использовал алюминиевую банку для напитков.

До этого «основной упаковкой практически для всех напитков были стальные банки и бутылки», — говорит Хайди Харрис, архивариус Coors.

«Стальные банки с пивом, в частности, плохо работали», — говорит она. Сталь, по словам Харриса, оставила забавный привкус.

Пивные банки спускаются по производственной линии на консервном заводе микропивоварни в Мариетте, штат Джорджия, в прошлом году. Джонни Кларк/AP скрыть заголовок

переключить заголовок

Джонни Кларк/AP

Пивные банки спускаются по производственной линии на консервном заводе микропивоварни в Мариетте, штат Джорджия, в прошлом году.

Джонни Кларк/AP

Но было и другое соображение. Билл Корс, генеральный директор компании в то время, был недоволен тем, что стальные банки «разбросаны повсюду», говорит Харрис.

«Он хотел придумать банку, которую потребители могли бы одну, переработать, а вторую — сохранить хороший вкус пива в течение более длительного периода времени», — говорит она.

Поначалу холодное пиво в алюминиевых банках встретили прохладно. Однако к середине 1960-х годов новая банка действительно начала привлекать внимание даже среди конкурентов Coors.

Компания Novelis из Атланты, которая на сегодняшний день является крупнейшим производителем листового алюминия для банок, заявляет, что более 60% производимого ею алюминия перерабатывается, и большая часть этого алюминия поступает из банок и возвращается обратно в них. На переработку алюминия уходит всего около 5% энергии, используемой для производства нового металла, говорит Тодд Самм, главный специалист по исследованиям и разработкам в Novelis.

Это означает, что углеродный след от банок из-под пива или содовой меньше, чем если бы алюминий был только что получен из земли.

«Банка для напитков, изготовленная из алюминия, является самой пригодной для вторичной переработки [и] самой устойчивой упаковкой, и она подвергается бесконечной переработке», — говорит Сумме.

Это алюминий или алюминий?

Дэви, первооткрыватель элемента, несет большую долю вины за всю эту путаницу с написанием и произношением этого слова в США и Великобритании.

Сначала он назвал свой новый элемент «алюминий», но, несмотря на то, что ранее открыл три других элемента, которым он дал суффикс «-ium» (калий, натрий и магний), он необъяснимым образом изменил его на «алюминий» в своем 1812 году. книга, Элементы химической философии .

Другие ученые того времени, казалось, предпочитали слово «алюминий», и это написание и произношение используются сегодня британцами.

Америка пошла с “алюминием” Дэви.