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技术历史、技术、我们身边的事物
铝电解。 发明和生产的历史
没有铝就无法想象现代生活。 这种闪亮的轻金属是一种极好的电导体，近几十年来已广泛应用于各行各业。 同时，众所周知，铝在自然界中不会以自由形式存在，直到 XNUMX 世纪，科学才知道它的存在。 直到 XNUMX 世纪最后 XNUMX 年，自由形式的铝金属的工业生产问题才得到解决。 这是这一时期科学技术最大的成就之一，其意义或许我们还没有充分认识到。
就地壳中的含量而言，铝在金属中排名第一，在其他元素中排名第三（仅次于氧和硅）。 地壳是 8% 的铝（我们注意到其中的铁含量为 8%，铜 - 4%，金 - 2%）。 然而，这种反应性金属不能以自由状态存在，只能以各种和非常多样化的化合物的形式存在。 它们的体积由氧化铝 (Al0O003) 构成。 我们每个人都不止一次遇到过这种化合物——在日常生活中，它被称为氧化铝，或者简称为粘土。 粘土约占氧化铝的三分之一，是其生产的潜在原料。 整个困难在于恢复铝（从中去除氧气）。 化学上很难做到这一点，因为这两种元素之间的结合非常牢固。 对铝的第一次了解已经清楚地表明了科学家在此过程中所预期的所有困难。 1825 年，丹麦物理学家汉斯·奥斯特第一个从氧化物中获得了游离态的金属铝。 为此，奥斯特首先将氧化铝与煤混合，加热该混合物并让氯气通过。 结果是氯化铝 (AlCl3)。 那时，人们已经知道化学上更活跃的金属能够从它们的盐中置换出不太活跃的金属。 奥斯特使氯化铝与溶解在汞中的钾（钾汞齐）作用，得到铝汞齐（氯化铝与钾汞齐快速加热，生成氯化钾，铝进入溶液）。 对这种混合物进行蒸馏，奥斯特分离出小的铝锭。 1827 年，德国化学家 Wöhler 以稍微不同的方式获得了铝，他将氯化铝蒸气通过金属钾（在这种情况下，如化学上的奥斯特反应中，更活泼的钾取代了铝，并与氯结合） ）。 但是这两种方法都不能在工业中使用，因为这里使用了非常昂贵的钾来减少铝。 后来，法国物理学家圣克莱尔德维尔开发了另一种获得铝的化学工艺，用更便宜但仍然相当昂贵的钠代替钾。 （这种方法的本质是氯化铝与钠一起加热，将铝从盐中置换出来，使其以小珠的形式突出。）几十年来，铝都是以这种方式获得的。
研究铝的特性后，德维尔得出结论，它可能对未来的技术非常重要。 他在给法国科学院的报告中写道：“这种金属，像银一样洁白而有光泽，在空气中不会变黑，可以熔化、锻造和拉制，还具有非凡的轻盈性，如果你可以找到一种简单的方法 如果我们进一步回忆这种金属非常普遍，它的矿石是粘土，那么人们只能希望它得到广泛的应用。 德维尔获得的第一块铝锭于 1855 年在巴黎世界博览会上展出，引起了最热烈的关注。 1856 年，在鲁昂 Tissier 兄弟的工厂，德维尔组织了第一家生产铝的工业企业。 与此同时，1公斤铝的成本最初等于300法郎。 几年后，售价降至每 200 公斤 1 法郎，但仍然异常高昂。 当时的铝被用作生产各种小饰品的半贵金属，这种形式甚至因其白色和宜人的光泽而受到欢迎。 然而，随着提取铝的化学方法的改进，其价格逐年下降。 例如，80 年代中期在奥尔伯里（英格兰）的一家工厂。 每天生产多达 250 公斤的铝，并以每公斤 30 先令的价格出售，也就是说，它的价格在 30 年内下降了 25 倍。 早在 1854 世纪中叶，一些化学家就指出铝可以通过电解获得。 XNUMX年，本生通过电解熔融氯化铝获得铝。 几乎与本生同时，德维尔以电解方式接收铝。 Deville 的装置由一个瓷坩埚 P 组成，该坩埚 P 插入多孔粘土坩埚 H 中，并配有一个盖子 D，该盖子有一个用于插入铂电极 K 的狭缝和一个用于多孔陶制容器 R 的大开口。在后者中放置碳棒A，它是正极。 坩埚和陶器容器用熔融的铝和钠双氯化物填充至同一高度（双氯化物通过混合两份干燥氯化铝和食盐获得）。 电极浸入后，即使在低电流下，熔体中双氯离子也开始分解，金属铝沉淀在铂板上。 然而，当时甚至不可能考虑将化合物保持在熔融状态，仅在电流通过期间使用加热。 有必要以另一种方式从外部保持所需的温度。 这种情况，以及那些年电力非常昂贵的事实，阻止了这种铝生产方法的传播。 只有在强大的直流发电机出现之后，它的分布条件才出现。 1878 年，西门子发明了电弧炉，主要用于炼铁。 它由一个碳或石墨坩埚组成，它是一个极。 第二个电极是位于顶部的碳电极，它在坩埚内以垂直平面移动以控制电气状态。 当用电荷填充坩埚时，它被电弧加热和熔化，或者由于电流通过时电荷本身的电阻而被加热和熔化。 西门子熔炉不需要外部热源。 这台熔炉的诞生不仅是黑色金属行业的重要事件，也是有色金属冶金行业的重大事件。 现在电解法生产铝的条件已经具备。 这取决于工艺技术的发展。 一般来说，铝可以直接从氧化铝中获得，但难点在于氧化铝是一种非常难熔的化合物，它在大约 2050 度的温度下变成液体。 为了将氧化铝加热到这个温度，然后在反应过程中保持它，需要大量的电力。 在当时，这种方法似乎贵得离谱。 化学家们正在寻找一种不同的方法，试图将铝与其他一些不太耐火的物质分离。 1885年，这个问题由法国人Héroux和美国霍尔独立解决。 奇怪的是，他们做出杰出发现的时候，都是 22 岁（他们都出生于 1863 年）。 艾尔从 15 岁开始，在熟悉了德维尔的书之后，就不断地想到铝。 他在 20 岁时还是一名学生时就开发了电解的基本原理。 1885 年，在父亲去世后，Héroux 继承了巴黎附近的一家小型皮革厂，并立即开始工作。 他买了一台 Gramma 发电机，并首先尝试用电流分解铝盐的水溶液。 在这条道路上失败后，他决定电解熔融冰晶石——一种包含铝的矿物（冰晶石的化学式为 Na3AlF6）。 Eru 在一个铁坩埚中开始了他的实验，该坩埚用作阴极，阳极是一根放入熔体中的煤棒。 起初，没有什么能保证成功。 当电流通过时，坩埚中的铁与冰晶石发生反应，形成易熔合金。 坩埚融化了，里面的东西溢出来了。 Eru 没有以这种方式获得任何铝。 然而，冰晶石是一种非常诱人的原材料，因为它的熔化温度仅为 950 度。 Eru 提出了这种矿物的熔体可以用来溶解更难熔的铝盐的想法。 这是一个非常富有成效的想法。 但是选择什么样的盐来做实验呢？ Eru 决定从长期用作化学生产铝的原材料的一种开始 - 含有双氯化铝和钠。 然后，在实验过程中，出现了一个错误，这让他有了一个了不起的发现。 将冰晶石熔化并加入铝和双氯化钠后，艾尔突然注意到碳阳极开始快速燃烧。 对此可能只有一种解释——在电解过程中，氧气开始在阳极释放，与碳发生反应。 但是氧气从哪里来？ Eru仔细检查了所有购买的试剂，然后发现双氯化物在水分的影响下分解并变成了氧化铝。 然后发生的一切对他来说变得清晰：氧化铝（氧化铝）溶解在熔融冰晶石中，Al2O3 分子分解成铝和氧离子。 此外，在电解过程中，带负电的氧离子将其电子提供给阳极并被还原为化学氧。 但在这种情况下，什么物质在阴极被还原？ 它只能是铝。 意识到这一点，艾尔已经特意在冰晶石熔体中加入了氧化铝，从而在坩埚底部获得了金属铝珠。 因此，发现了一种从溶解在冰晶石中的氧化铝获得铝的方法，这种方法一直沿用至今。 （冰晶石不参与化学反应，在电解过程中其量不会减少 - 它在这里仅用作溶剂。该过程进行如下：定期将氧化铝分批添加到冰晶石熔体中；作为电解的结果，氧气在阳极释放，铝在阴极释放。）两个月后，美国霍尔发现了完全相同的铝生产方法。
Eru 于 1886 年 XNUMX 月获得了他的第一项发明专利。 在其中，他还没有放弃电解液的外部加热以保持熔体所需的温度。 但就在第二年，他为铝青铜的生产方法申请了第二项专利，在该专利中他拒绝外部加热，并写道：“电流产生的热量足以使氧化铝保持熔融状态。”
由于法国没有人有兴趣发现它，因此埃鲁前往瑞士。 1887 年，Sons of Neger 公司与他签订了实施他的发明的合同。 很快，瑞士冶金学会成立，在诺伊豪森的工厂开始生产铝青铜，然后是纯铝。 电解铝的工业设备以及整个生产技术都是由 Eru 开发的。 炉子是一个铁盒子，与地面隔绝。 浴的表面从内侧用厚碳板覆盖，碳板是负极（阴极）。 从上面，正极（阳极）被降低到浴中，这是一包碳棒。 电解发生在非常强的电流（约 4000 安培）下，但电压很低（仅 12-15 伏）。 如前几章所述，大电流会导致温度显着升高。 冰晶石迅速熔化并开始电化学还原反应，在此期间铝金属被收集在熔池的煤层上。 早在 1890 年，诺伊豪森的工厂就收到了 40 多吨铝，并很快开始每年生产 450 吨铝。 瑞士人的成功启发了法国实业家。 在巴黎，成立了一个电气协会，1889 年该协会邀请 Eru 担任新成立的铝厂的主管。 几年后，Héroux 在法国不同地区建立了几家铝厂，那里有廉价的电能。 铝价逐渐下跌数十倍。 缓慢而稳定地，这种奇妙的金属开始在人类生活中占据一席之地，很快就变得像自古以来就为人所知的铁和铜一样重要。 作者：Ryzhov K.V.
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