HomeАлюминий › Пути получения алюминия

Пути получения алюминия

Пути получения алюминияМолодой экстраординарный профессор впервые в России — на 20 лет раньше, чем в Западной Европе — начал читать курс физической химии, изучению которой он посвящает свою научную деятельность. Уже в докторской диссертации, выдвинувшей его в первые ряды русских химиков, он рассматривает одну из фундаментальных проблем физической химии — условия протекания химических реакций в зависимости от природы реагирующих веществ и внешних факторов.

 

В 1865 году Н.Н.Бекетов занял кафедру химии в Харьковском университете. В те годы Бекетов изучал способность одних элементов вытеснять другие из их соединений. На основе своих опытов он составил таблицы, пользуясь которыми можно было точно предсказать, в каком порядке один элемент вытесняет другой.

 

Пропуская водород через растворы солей различных металлов, он установил, что водород в восстановительном ряду занимает место после свинца и восстанавливает стоящие за ним металлы: медь, ртуть, серебро, палладий, золото, платину. Переходя от опыта к опыту, он заметил, что металлический алюминий при взаимодействии с оксидом бария становится на его место. Иными словами, алюминий восстанавливает барий.

Этот опыт натолкнул ученого на мысль, что алюминий должен восстанавливать все щелочные металлы из их соединений и оксидов.
\»Если глиний (так назывался тогда алюминий. — Б.Р.) восстанавливает барий из окиси, то можно было ожидать и подобного его действия на окись калия\», — писал Бекетов в 1865 году.

Чтобы проверить правильность своего предположения, он проделал весьма остроумный опыт. В изогнутый ружейный ствол было положено несколько кусочков едкого кали и металлического алюминия. Ствол нагревался до высокой температуры. При нагревании выделялись пары калия, которые сгущались в холодной части ствола. Вместе с калием выделялся и водород. Проводил Бекетов и опыты по восстановлению криолита — двойной фтористой соли алюминия и натрия.

 

Впоследствии они были положены в основу промышленного способа производства алюминия. Разработанный русским ученым способ отличался крайней простотой. В графитовый тигель насыпали размельченный криолит, который тогда в большом количестве привозили из Гренландии, и куски металлического магния. Тигель плотно закрывали крышкой и ставили в коксовую печь на полтора-два часа. Когда тигель раскалялся добела, его вынимали из печи. После охлаждения тигля из него извлекали блестящие шарики алюминия, которые затем переплавляли в чушки и пластины.

Как видно из этого краткого описания, способ Бекетова немногим отличается от способа производства алюминия, разработанного Девилем. В основе их лежит один и тот же принцип — вытеснение алюминия из его соединений более активным металлом. Но способ русского химика гораздо проще. Главное преимущество способа — возможность использования природного минерала криолита вместо специально приготовляемой хлористой двойной соли алюминия и натрия.

В немецком городе Гмелингене был построен в 1885 году завод, где по способу Бекетова за пять лет было получено 58 тонн алюминия — более четверти всего мирового производства алюминия химическим путем в период с 1854 по 1890 год.

И все же получение алюминия химическим способом не могли обеспечить промышленность дешевым металлом. Они были малопроизводительны, не позволяли получать чистый, без загрязняющих примесей алюминий, а следовательно, и значительно увеличить его производство.

Все это и заставило исследователей в разных странах мира искать новые способы, другие пути производства алюминия в широком промышленном масштабе.
Главная задача состояла в \»Я получил его!\» ТОМ( чтобы освободить алюминий из \»темницы\» — вырвать из цепких объятий кислорода в его оксид А!203 или галогенов в хлористых соединениях. Нужно было восстановить алюминий, превратить его ион А13+ в свободный металл.

Вот тут-то и пришел на помощь ученым электрический ток, ведь самый сильный восстановитель — электрон. Еще в 1808 году Гемфри Дэви пытался разложить глинозем с помощью мощной электрической батареи, но безуспешно. Спустя почти полвека Роберт Бунзен и Анри Сент-Клер Девиль независимо друг от друга провели электролиз смеси хлорида алюминия и натрия. Они были удачливее своего предшественника и сумели получить маленькие капельки жидкого металла.

{PAGEBREAK}

Однако в те времена не было еще дешевых и достаточно мощных источников электроэнергии. Поэтому получение алюминия с помощью электролиза представляло лишь чисто теоретический интерес.

В 1867 году была изобретена динамо-машина, а вскоре электроэнергию научились передавать на большие расстояния. Электричество начало властно вторгаться в промышленность.

Многие ученые вновь стремятся использовать электрический ток для получения алюминия. Идея, которую не удалось претворить в жизнь Дэви, находит все больше сторонников.
Однако многократные попытки разложить глинозем с помощью электролиза терпят фиаско. Дело в том, что алюминий восстанавливается при температуре свыше 2000 градусов, а переходит в парообразное состояние раньше, при более низкой температуре.

 

Пары алюминия немедленно соединятся с кислородом воздуха и превратятся в белую пыль глинозема. И никакие изменения условий электролиза — силы тока, напряжения, материала электродов — не могут помочь получить чистый алюминий из глинозема.

Невольно  напрашивается вывод, что для промышленного получения алюминия недостаточно мощного источника тока, нужны еще какие-то другие средства. Но какие?
На этот вопрос вскоре дал ответ сын американского провинциального Пастора Чарльз Холл. Спустя 22 года после того, как Сент-Клер Девиль сделал в Парижской академии наук свое сенсационное сообщение о новом способе производства алюминия, тринадцатилетний ученик средней школы в захолустном городке Оберлине нашел, разбирая старые книги отца, учебник химии.

 

Книга была без переплета и заглавной страницы, что хотя и огорчило любознательного мальчика, но не помешало ему детально проштудировать ее. Эта находка во многом определила всю его жизнь и будущую деятельность, стала началом увлечения Чарльза химией.

Из старой книги Чарльз впервые узнал об алюминии и его замечательных свойствах.
\»Металл плавится при более высокой температуре, чем чугун, — было написано в книге, — и в таком состоянии является проводником электричества; в холодном же состоянии этих свойств не обнаруживает\». Интерес Холла еще более усиливается с поступлением в О берлинский колледж. В этом учебном заведении было хорошо поставлено преподавание древних языков, богословия и музыки.

 

Но изучение технических дисциплин считалось делом второстепенным. Будучи студентом, Чарльз Холл по-прежнему верен своему увлечению химией. Он уже прочитал все книги по этому предмету, которые удалось раздобыть в родном городке, и своими знаниями в этой области превосходит многих выпускников колледжа. Среди прочитанных книг оказалась и книга Сент-Клера Девиля \»Алюминий\». Она не только произвела на юношу громадное впечатление; она заставила его всерьез заняться разработкой способов получения этого металла.

 

Какие заманчивые перспективы откроются перед ним, если он научится получать дешевый алюминий. Ведь именно этому металлу уготовано такое блестящее будущее!
Увлеченный этой идеей, восемнадцатилетний юноша устраивает в небольшой башенке, возвышавшейся над двухэтажным отцовским домом, свою \»лабораторию\». Здесь он смешивает глину с углем, а иногда и с хлористым кальцием и нагревает их смесью древесного угля и жидкого горючего.

\»Конечно, никакого алюминия я не получил, — напишет он впоследствии в своих записках. — Тогда я еще слишком мало знал, нужно было упорно учиться\». А юному Холлу приходилось еще и зарабатывать на кусок хлеба: в семье пастора, кроме Чарльза, было  шестеро детей. Юноша не гнушался никакой работой. Весной и летом он нанимался к богатым горожанам подстригать газоны, ухаживать за цветами, полоть грядки.

 

Зимой убирал снег на улицах и во дворах. Ему довелось быть и продавцом книг… и печником. Но как только выдавалась свободная минута, Холл бежал в свою \»лабораторию\». Там он смешивал глинозем по очереди со всеми реактивами, которые находились в его распоряжении. Полученные смеси нагревал в печи. Но напрасно он торопливо, не дожидаясь, пока тигель полностью остынет, вываливал его содержимое на железный противень.

 

Столь желанные капельки серебристого металла ни разу не заблестели на дне тигля. Однажды Чарльз попробовал провести электролиз водного раствора алюминиевой соли. Вероятно, если бы он был знаком с работами русского химика Н.Н.Бекетова, то не стал бы этого делать. Ведь алюминий в ряду напряжений стоит левее водорода, и на катоде при прохождении тока через водный раствор соли алюминия будет всегда выделяться водород. То, что теперь знакомо любому школьнику, тогда было известно далеко не всем ученым.

{PAGEBREAK}
Неудача побуждает Холла не проводить больше опытов вслепую, а сначала изучить термохимию. Вооруженный новыми знаниями, он приходит к выводу, что если вода — нестойкий растворитель (она сама разлагается под действием электрического тока), то ее следует заменить химически более стойким. Почему бы не попробовать растворить глинозем в какой-нибудь соли и провести электролиз расплава?

Такая соль должна не только хорошо растворять оксид алюминия, но и резко снизить температуру его плавления (2000°С). И Холл начинает опыты по новому плану. Сначала он попробовал плавиковый шпат (CaF2), но  ничего  не  получилось;- слишком высока была у него точка плавления. Не вышло с фтористым кальцием — пробуем с фтористым магнием. Однако и эта соль не подошла по той же причине.

 

Почти год продолжались безуспешные поиски. Он неустанно испытывал разные фтористые соли. И чутье исследователя его не обмануло. Лучшим растворителем оказалась двойная фтористая соль алюминия и натрия — криолит. Именно он и есть тот \»ледяной камень\», \»сын гренландских недр\», из которого Бекетов вытеснял алюминий магнием и который Девиль добавлял к своей смеси из хлористого алюминия и натрия. \»Белый порошок глинозема растворяется в расплавленном криолите так же легко, как сахар в горячей воде, — писал впоследствии Холл. — Температура расплава была всего около 1000°С\».

Половина дела была сделана. Теперь оставалось доказать, что электролиз глинозема, растворенного в криолите, даст возможность получать дешевый алюминий. Чарльз раздобыл в лаборатории Оберлинского колледжа старые ненужные приборы. Остроумие и изобретательность помогли ему \»из разных чашек с кусками угля\» соорудить электробатареи и получить такой ток, какой был нужен для опытов.

И вот наконец все готово для решающего эксперимента. В глиняном тигле было расплавлено немного криолита. Затем ученый растворил в нем глинозем и через расплавленную массу пропускал электрический ток приблизительно в течение двух часов. И когда он вылил расплавленную массу, то… в ней совсем не оказалось алюминия. Неудача не сломила его, не уменьшила его решимости добиваться поставленной цели. Холл твердо верил, что он на правильном пути. Вновь мысленно он повторяет опыт. Масса расплавилась, глинозема растворилось много, батареи работали непрерывно, В чем же дело?

\»Мне пришла в голову мысль, что этой операции могут мешать посторонние вещества, главным образом кремнезем, выделившийся из глиняного тигля. Тогда я решил сделать тигли из угля\», — рассказывал Холл друзьям.

23 февраля 1886 года Чарльз Холл вбежал в кабинет своего учителя Иветта с радостным возгласом: \»Профессор, я получил его!\» Он протянул вперед руку и разжал пальцы. На ладони молодого ученого лежали двенадцать маленьких шариков алюминия.
лось, что скоро к нему придут богатство и слава — он   был полон радужных надежд. Ему казалось что он  сможет организовать крупное производство алюминия в Америке. Но чтобы построить самому завод, у него не было денег, а предприниматели вовсе не стремились вкладывать свои капиталы в производство малоизвестного металла.

 

Два года Холл обивал пороги контор и кабинетов промышленных боссов в разных городах США, горячо расписывая преимущества своего изобретения. Пытаясь заинтересовать промышленников, которые согласились бы его финансировать, он сулил им крупные барыши. Но все его попытки были бесплодны. Казалось, что уже нет никакой надежды реализовать его изобретение.

 

Но вот однажды его познакомили с одним бизнесменом из Питтсбурга — Альфредом Хентом. Опытный делец, он сразу разглядел, какие огромные возможности таит в себе новый способ получения алюминия. Он быстро сговорился с Холлом и энергично взялся за постройку и организацию завода.

18 сентября 1888 года в результате стараний Хента было собрано двадцать тысяч долларов и основана \»Питтсбургская восстановительная компания\», а в ноябре завод был уже пущен и стал давать по 20 килограммов алюминия в день. На первых порах завод не мог полностью реализовать свою продукцию, хотя цены все больше снижались. Но постепенно дело пошло на лад, покупателей становилось все больше.

 

Алюминий перестал быть полудрагоценным металлом. Низкая цена открыла ему дорогу в самые разнообразные отрасли промышленности и сельское хозяйство. С ростом производства алюминия на заводе \»Питтс-бургской восстановительной компании\» ширилась слава Чарльза Холла. И, как всегда, появились и завистники. Ими оказались и братья Коулс, за год до открытия Холла организовавшие в Локпорте производство алюминиевой бронзы. В этом сплаве меди и алюминия последнего было не более 10 — 20 %.

Опасаясь, что производство алюминия по способу Холла со временем лишит сбыта их продукцию, они начали выпускать чистый алюминий, тайно пользуясь… изобретением Холла. В то же время, чтобы \»убить\» своего конкурента, компания Коулс подала на него в суд, заявляя о своем приоритете на этот способ получения алюминия.

Судебный процесс продолжался тринадцать лет, так как ловкие крючкотворы — Коулсы — находили все новые и новые зацепки, чтобы задержать решение суда. Но никакие ухищрения прожженных и жуликоватых дельцов не смогли поколебать истины.

В решении, которое, разумеется, было вынесено в пользу Холла, было сказано:
\»Процесс Холла — новое изобретение. Это определенный шаг вперед в производстве алюминия. Холл — пионер в этом деле, и он имеет право на все преимущества, предоставляемые законом о патентах\». Коулсы не смогли добиться своего, но тем не менее причинили Холлу много неприятностей, которые замедлили строительство завода в Питтсбурге.

Но все же пальму первенства в создании электролитического способа получения алюминия Чарльзу Холлу пришлось разделить с французом Полем Эру. Жизнь этих талантливых изобретателей — редкостный пример удивительных совпадений. Оба они родились в одном и том же году — 1863-м. Эру рано проявил склонность к естественным наукам. В пятнадцать лет он, так же как и Холл, прочел книгу Девиля \»Алюминий\» и, подобно ему, задумал совершить переворот в алюминиевом производстве.

В наследство от отца, который умер, когда Поль был еще студентом, ему достался маленький кожевенный завод. Однако, вместо того чтобы заняться производством кож. Эру распродает по дешевке оборудование.

На вырученные деньги он покупает динамо-машину и начинает проводить опыты по электролизу глинозема. Сначала он повторяет ошибки Холла, пользуясь для электролиза водными растворами алюминиевых соединений. Но после многих неудач, настойчивых поисков и углубленного изучения химии он становится на правильный путь … и пропускает электрический ток через смесь глинозема и криолита. В 1886 году двадцатилетнему студенту удается выделить металлический алюминий.

И еще одно совпадение. При попытке внедрить свой способ в промышленности Эру сталкивается с теми же трудностями, что и Холл. Алюминий никому не нужен в больших количествах, тем более во Франции — на родине промышленного производства этого металла. По совету одного из промышленников Эру принимается за разработку способа получения алюминиевой бронзы, которую широко применяли тогда для разных целей. Получив патент на свое новое изобретение, он продал его швейцарской фирме, так как во франции не нашлось желающих его купить.

\»Отложив производство чистого алюминия, я приступил к новой серии опытов и получил сплавы алюминия. Я обращался к промышленникам и капиталистам за финансовой поддержкой. Однако во Франции никто не захотел мне помочь\», — писал он впоследствии с горечью.

Лишь спустя три года патентом Эру заинтересовались и во Франции — в 1889 году был пущен завод, директором которого стал он сам. В последующие десятилетия в приальпийских областях был построен еще ряд алюминиевых электролизных заводов, которые работали по способу Эру и пользовались дешевой гидроэнергией горных рек.
Сбылись мечты Чарьза Холла о славе и богатстве.

 

Он стал первым президентом \»Питтсбургской восстановительной компании\», которая впоследствии превратилась в крупнейшую в мире фирму по производству алюминия — АЛКОА (Алюминиевую компанию Америки). Когда в начале девятисотых годов в честь приезда прусского принца в Америку правительством США был устроен прием, среди ста приглашенных видных промышленников был и Чарльз Мартин Холл.

 

Созданный Холлом и Эру электролитический способ производства алюминия позволил в короткий срок (с 1885 по 1900 год) Снизить цены на алюминий в 50 раз и во много раз увеличить его производство. Если во времена выпуска алюминия по способу Девиля — с 1855 по 1885 год во всем мире было произведено около 200 тонн металла, то спустя десять лет после открытия электролитического способа только за один 1896 год было произведено свыше 2000 тонн, а уже через 10 лет выпуск алюминия возрос еще в 10 раз. За тридцатилетие (с 1890 по 1920 год) производство серебристого металла увеличилось в 1650 раз. В истории металлургии никогда не было такого невиданного роста производства металла.

Недаром Эру, выступая в 1911 году на банкете в честь Холла, сказал: \»Представляется вероятным, что лет через десять или пятнадцать потребление алюминия сравняется с потреблением меди и, после веков золотого, каменного, бронзового и железного наступит век алюминиевый\».

Стоит сказать и еще об одном фантастическом совпадении в биографиях Холла и Эру — оба изобретателя умерли в 1914 году.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.