Шляхи отримання алюмінію

Молодий екстраординарний професор вперше в Росії - на 20 років раніше, ніж у Західній Європі - почав читати курс фізичної хімії, вивчення якої він присвячує свою наукову діяльність. Уже в докторській дисертації, яка висунула його в перші ряди російських хіміків, він розглядає одну з фундаментальних проблем фізичної хімії - умови протікання хімічних реакцій в залежності від природи реагуючих речовин і зовнішніх чинників.

У 1865 році Н.Н.Бекетов зайняв кафедру хімії в Харківському університеті. У ті роки Бекетов вивчав здатність одних елементів витісняти інші з їх з'єднань. На основі своїх дослідів він склав таблиці, користуючись якими можна було точно передбачити, в якому порядку один елемент витісняє інший.

Пропускаючи водень через розчини солей різних металів, він встановив, що водень в відновному ряду займає місце після свинцю і відновлює стоять за ним метали: мідь, ртуть, срібло, паладій, золото, платину. Переходячи від досвіду до досвіду, він зауважив, що металевий алюміній при взаємодії з оксидом барію стає на його місце. Іншими словами, алюміній відновлює барій.

Цей досвід наштовхнув вченого на думку, що алюміній має відновлювати все лужні метали з їхніх сполук і оксидів.
\ "Якщо глини (так називався тоді алюміній. - Б.Р.) відновлює барій з окису, то можна було очікувати і подібного його дії на поташ \», - писав Бекетов в 1865 році.

Щоб перевірити правильність свого припущення, він виконав дуже дотепний досвід. У вигнутий рушничний стовбур було покладено кілька шматочків їдкого калі і металевого алюмінію. Стовбур нагрівався до високої температури. При нагріванні виділялися пари калію, які збиралися в холодній частині стовбура. Разом з калієм виділявся і водень. Проводив Бекетов і досліди по відновленню криолита - подвійний фтористої солі алюмінію і натрію.

Згодом вони були покладені в основу промислового способу виробництва алюмінію. Розроблений російським ученим спосіб був украй простотою. У графітовий тигель насипали подрібнений кріоліт, який тоді у великій кількості привозили з Гренландії, і шматки металевого магнію. Тигель щільно закривали кришкою і ставили в коксову піч на півтори-дві години. Коли чаша розпікався дочиста, його виймали з печі. Після охолодження тигля з нього витягували блискучі кульки алюмінію, які потім переплавляли в чушки і пластини.

Як видно з цього короткого опису, спосіб Бекетова небагато чим відрізняється від способу виробництва алюмінію, розробленого Девіль. В основі їх лежить один і той же принцип - витіснення алюмінію з його сполук більш активним металом. Але спосіб російського хіміка набагато простіше. Головна перевага методу - можливість використання природного мінералу кріоліту замість спеціально готується хлористої подвійної солі алюмінію і натрію.

У німецькому місті Гмелінгене був побудований в 1885 році завод, де за способом Бекетова за п'ять років було отримано 58 тонн алюмінію - більше чверті всього світового виробництва алюмінію хімічним шляхом в період з 1854 по 1890 рік.

І все ж отримання алюмінію хімічним способом не могли забезпечити промисловість дешевим металом. Вони були малопродуктивні, не дозволяли отримувати чистий, без домішок алюміній, а отже, і значно збільшити його виробництво.

Все це і змусило дослідників в різних країнах світу шукати нові способи, інші шляхи виробництва алюмінію в широкому промисловому масштабі.
Головне завдання полягало в \ "Я отримав його! \" ТОМ (щоб звільнити алюміній з \ "темниці \» - вирвати з чіпких обіймів кисню в його оксид А! 203 або галогенів в хлористих з'єднаннях. Потрібно було відновити алюміній, перетворити його іон А13 + у вільний метал.

Ось тут-то і прийшов на допомогу вченим електричний струм, адже найсильніший відновник - електрон. Ще в 1808 році Гемфрі Деві намагався розкласти глинозем за допомогою потужної електричної батареї, але безуспішно. Майже через півстоліття Роберт Бунзен і Анрі Сент-Клер Девіль незалежно один від одного провели електроліз суміші хлориду алюмінію і натрію. Вони були більш вдалим свого попередника і зуміли отримати маленькі крапельки рідкого металу.

{PAGEBREAK}

Однак в ті часи не було ще дешевих і досить потужних джерел електроенергії. Тому отримання алюмінію за допомогою електролізу представляло лише чисто теоретичний інтерес.

У 1867 році була винайдена динамо-машина, а незабаром електроенергію навчилися передавати на великі відстані. Електрика початок владно вторгатися в промисловість.

Багато вчених знову прагнуть використовувати електричний струм для отримання алюмінію. Ідея, яку не вдалося втілити в життя Деві, знаходить все більше прихильників.
Однак багаторазові спроби розкласти глинозем за допомогою електролізу терплять фіаско. Справа в тому, що алюміній відновлюється при температурі понад 2000 градусів, а переходить в пароподібний стан раніше, при більш низькій температурі.

Пари алюмінію негайно з'єднаються з киснем повітря і перетворяться в білу пил глинозему. І ніякі зміни умов електролізу - сили струму, напруги, матеріалу електродів - не можуть допомогти отримати чистий алюміній з глинозему.

Мимоволі напрошується висновок, що для промислового отримання алюмінію недостатньо потужного джерела струму, потрібні ще якісь інші засоби. Але які?
На це питання незабаром дав відповідь син американського провінційного Пастора Чарльз Холл. Через 22 роки після того, як Сент-Клер Девіль зробив в Паризької академії наук своє сенсаційне повідомлення про новий спосіб виробництва алюмінію, тринадцятирічний учень середньої школи в глухому містечку Оберлін знайшов, розбираючи старі книги батька, підручник хімії.

Книга була без палітурки і головної сторінки, що хоча і засмутило допитливого хлопчика, але не завадило йому детально простудіювати її. Ця знахідка багато в чому визначила всю його життя і майбутню діяльність, стала початком захоплення Чарльза хімією.

Зі старої книги Чарльз вперше дізнався про алюміній і його чудові властивості.
\ "Метал плавиться при більш високій температурі, ніж чавун, - було написано в книзі, - і в такому стані є провідником електрики; в холодному ж стані цих властивостей не може виявити \ ". Інтерес Холла ще більш посилюється з надходженням в Про берлінський коледж. У цьому навчальному закладі було добре поставлено викладання стародавніх мов, богослов'я та музики.

Але вивчення технічних дисциплін вважалося справою другорядною. Будучи студентом, Чарльз Холл як і раніше вірний своєму захопленню хімією. Він уже прочитав всі книги з цього предмету, які вдалося роздобути в рідному містечку, і своїми знаннями в цій області перевершує багатьох випускників коледжу. Серед прочитаних книг виявилася і книга Сент-Клера Девіль \ »Алюміній \». Вона не тільки справила на юнака величезне враження; вона змусила його всерйоз зайнятися розробкою способів отримання цього металу.

Які привабливі перспективи відкриються перед ним, якщо він навчиться отримувати дешевий алюміній. Адже саме цього металу уготовано таке блискуче майбутнє!
Захоплений цією ідеєю, вісімнадцятирічний юнак влаштовує в невеликій вежі, яка височіла над двоповерховим батьківською хатою, свою \ "лабораторію \». Тут він змішує глину з вугіллям, а іноді і з хлористим кальцієм і нагріває їх сумішшю деревного вугілля і рідкого палива.

\ "Звичайно, ніякого алюмінію я не отримав, - напише він згодом у своїх записках. - Тоді я ще занадто мало знав, потрібно було наполегливо вчитися \ ». А юному Холу доводилося ще й заробляти на шматок хліба: в сім'ї пастора, крім Чарльза, було шестеро дітей. Юнак не гребував ніякою роботою. Навесні і влітку він наймався до багатих городянам підстригати газони, доглядати за квітами, полоти грядки.

Взимку прибирав сніг на вулицях і у дворах. Йому довелося бути і продавцем книг ... і пічників. Але як тільки видавалася вільна хвилина, Хол втік до свою \ "лабораторію \». Там він змішував глинозем по черзі з усіма реактивами, які перебували в його розпорядженні. Отримані суміші нагрівав в печі. Але марно він квапливо, не чекаючи, поки чаша повністю охолоне, висипав його вміст на залізний лист.

Такі бажані крапельки сріблястого металу жодного разу не заблищали на дні тигля. Одного разу Чарльз спробував провести електроліз водного розчину алюмінієвої солі. Ймовірно, якби він був знайомий з роботами російського хіміка Н.Н.Бекетова, то не став би цього робити. Адже алюміній в ряді напруг коштує лівіше водню, і на катоді при проходженні струму через водний розчин солі алюмінію буде завжди виділятися водень. Те, що тепер знайоме кожному школяреві, тоді було відомо далеко не всім вченим.

{PAGEBREAK}
Невдача спонукає Холла не проводити більше дослідів наосліп, а спочатку вивчити Термохімія. Озброєний новими знаннями, він приходить до висновку, що якщо вода - нестійкий розчинник (вона сама розкладається під дією електричного струму), то її слід замінити хімічно більш стійким. Чому б не спробувати розчинити глинозем в який-небудь солі і провести електроліз розплаву?

Така сіль повинна не тільки добре розчиняти оксид алюмінію, але і різко знизити температуру його плавлення (2000 ° С). І Хол починає досліди по новому плану. Спочатку він спробував плавиковий шпат (CaF2), але нічого не вийшло; - занадто висока була у нього точка плавлення. Не вийшло з фтористим кальцієм - пробуємо з фтористим магнієм. Однак і ця сіль не підійшла з тієї ж причини.

Майже рік тривали безуспішні пошуки. Він невпинно випробовував різні фтористі солі. І чуття дослідника його не підвело. Кращим розчинником виявилася подвійна фториста сіль алюмінію і натрію - кріоліт. Саме він і є той \ "крижаний камінь \", \ "син гренландських надр \», з якого Бекетов витісняв алюміній магнієм і який Девіль додавав до своєї суміші з хлористого алюмінію і натрію. \ "Білий порошок глинозему розчиняється в розплавленому кріоліті так само легко, як цукор в гарячій воді, - писав згодом Холл. - Температура розплаву була всього близько 1000 ° С \ ».

Половина справи була зроблена. Тепер залишалося довести, що електроліз глинозему, розчиненого в кріоліті, дасть можливість отримувати дешевий алюміній. Чарльз роздобув в лабораторії Оберлінському коледжу старі непотрібні прилади. Дотепність і винахідливість допомогли йому \ "з різних чашок з шматками вугілля \" спорудити електробатареї і отримати такий струм, який був потрібен для дослідів.

І ось нарешті все готово для вирішального експерименту. У глиняному тиглі було розплавлене трохи кріоліту. Потім учений розчинив в ньому глинозем і через розплавлену масу пропускав електричний струм приблизно протягом двох годин. І коли він вилив розплавлену масу, то ... в ній зовсім не виявилося алюмінію. Невдача не зламала його, не зменшило його рішучості домагатися поставленої мети. Хол твердо вірив, що він на правильному шляху. Знову подумки він повторює досвід. Маса розплавилася, глинозему розчинилося багато, батареї працювали безперервно, У чому ж справа?

\ "Мені прийшла в голову думка, що цієї операції можуть заважати сторонні речовини, головним чином кремнезем, що виділився з глиняного тигля. Тоді я вирішив зробити тиглі з вугілля \ ", - розповідав Холл друзям.

23 лютого 1886 Чарльз Холл вбіг до кабінету свого вчителя Іветта з радісним вигуком: \ "Професор, я отримав його! \" Він простягнув вперед руку і розтиснув пальці. На долоні молодого вченого лежали дванадцять маленьких кульок алюмінію.
лось, що скоро до нього прийдуть багатство і слава - він був сповнений райдужних надій. Йому здавалося що він зможе організувати велике виробництво алюмінію в Америці. Але щоб побудувати самому завод, у нього не було грошей, а підприємці зовсім не прагнули вкладати свої капітали у виробництво маловідомого металу.

Два роки Холл оббивав пороги контор і кабінетів промислових босів в різних містах США, гаряче розписуючи переваги свого винаходу. Намагаючись зацікавити промисловців, які погодилися б його фінансувати, він обіцяв їм великі бариші. Але всі його спроби були марні. Здавалося, що вже немає ніякої надії реалізувати його винахід.

Але ось одного разу його познайомили з одним бізнесменом з Піттсбурга - Альфредом Хенто. Досвідчений ділок, він відразу розгледів, які величезні можливості таїть у собі новий спосіб отримання алюмінію. Він швидко змовився з Холом і енергійно взявся за будівництво і організацію заводу.

18 вересня 1888 року в результаті старань Хенто було зібрано двадцять тисяч доларів і заснована \ »Піттсбурзька відновна компанія \", а в листопаді завод був уже пущений і став давати по 20 кілограмів алюмінію в день. На перших порах завод не міг повністю реалізувати свою продукцію, хоча ціни все більше знижувалися. Але поступово справа пішла на лад, покупців ставало все більше.

Алюміній перестав бути напівдорогоцінним металом. Низька ціна відкрила йому дорогу в найрізноманітніші галузі промисловості і сільське господарство. З ростом виробництва алюмінію на заводі \ "Піттс-бургское відновної компанії \» ширилася слава Чарльза Холла. І, як завжди, з'явилися і заздрісники. Ними виявилися і брати Коулс, за рік до відкриття Холла організували в Локпорті виробництво алюмінієвої бронзи. У цьому сплаві міді і алюмінію останнього було не більше 10 - 20%.

Побоюючись, що виробництво алюмінію за способом Холла з часом позбавить збуту їх продукцію, вони почали випускати чистий алюміній, таємно користуючись ... винаходом Холла. У той же час, щоб \ "вбити \" свого конкурента, компанія Коулс подала на нього в суд, заявляючи про свій пріоритет на цей спосіб отримання алюмінію.

Судовий процес тривав тринадцять років, так як спритні крутії - Коулс - знаходили все нові і нові зачіпки, щоб затримати рішення суду. Але ніякі хитрощі затятих і шахраюватих ділків не змогли похитнути істини.

У рішенні, яке, зрозуміло, було винесено на користь Холла, було сказано:
\ "Процес Холла - новий винахід. Це певний крок вперед у виробництві алюмінію. Хол - піонер в цій справі, і він має право на всі переваги, що надаються законом про патенти \ ». Коулса не змогли домогтися свого, але тим не менше заподіяли Холу багато неприємностей, які сповільнили будівництво заводу в Піттсбурзі.

Але все ж пальму першості в створенні електролітичного способу отримання алюмінію Чарльзу Холу довелося розділити з французом Полем Еру. Життя цих талановитих винахідників - рідкісний приклад дивних збігів. Обидва вони народилися в одному і тому ж році - 1863-м. Еру рано виявив схильність до природничих наук. У п'ятнадцять років він, так само як і Хол, прочитав книгу Девіль \ »Алюміній \» і, подібно до нього, задумав зробити переворот в алюмінієвому виробництві.

У спадок від батька, який помер, коли Поль був ще студентом, йому дістався маленький шкіряний завод. Однак, замість того щоб зайнятися виробництвом шкір. Еру розпродає дешево обладнання.

На виручені гроші він купує динамо-машину і починає проводити досліди по електролізу глинозему. Спочатку він повторює помилки Холла, користуючись для електролізу водними розчинами алюмінієвих з'єднань. Але після багатьох невдач, наполегливих пошуків і поглибленого вивчення хімії він стає на правильний шлях ... і пропускає електричний струм через суміш глинозему і кріоліту. У 1886 році двадцятирічному студенту вдається виділити металевий алюміній.

І ще один збіг. При спробі впровадити свій спосіб в промисловості Еру стикається з тими ж труднощами, що й Холл. Алюміній нікому не потрібен в великих кількостях, тим більше у Франції - на батьківщині промислового виробництва цього металу. За порадою одного з промисловців Еру приймається за розробку способу отримання алюмінієвої бронзи, яку широко застосовували тоді для різних цілей. Отримавши патент на свій новий винахід, він продав його швейцарській фірмі, так як у Франції не знайшлося бажаючих його купити.

\ "Відклавши виробництво чистого алюмінію, я приступив до нової серії дослідів і отримав сплави алюмінію. Я звертався до промисловців і капіталістів за фінансовою підтримкою. Однак у Франції ніхто не захотів мені допомогти \ ", - писав він згодом з гіркотою.

Лише через три роки патентом Еру зацікавилися і у Франції - в 1889 році був пущений завод, директором якого став він сам. У наступні десятиліття в приальпійських областях був побудований ще ряд алюмінієвих електролізних заводів, які працювали за способом Еру і користувалися дешевою гідроенергії гірських річок.
Збулися мрії Чарьза Холла про славу та багатство.

ВІН ставши дере президентом \ "Питтсбургской відновної компании \», яка Згідно превратилась в найбільшу в мире фірму з виробництва алюмінію - АЛКОА (Алюмінієву Компанію Америки). Коли на початку дев'ятисотих років в честь приїзду прусського принца в Америку урядом США був влаштований прийом, серед ста запрошених видних промисловців був і Чарльз Мартін Холл.

Створений Холом і Еру електролітичний спосіб виробництва алюмінію дозволив в короткий термін (з 1885 по 1900 рік) Знизити ціни на алюміній в 50 разів і в багато разів збільшити його виробництво. Якщо за часів випуску алюмінію за способом Девіль - з 1855 по 1885 рік у всьому світі було вироблено близько 200 тонн металу, то через десять років після відкриття електролітичного способу тільки за один 1896 рік було вироблено понад 2000 тонн, а вже через 10 років випуск алюмінію зріс ще в 10 разів. За тридцятиріччя (з 1890 по 1920 рік) виробництво сріблястого металу збільшилася в 1650 разів. В історії металургії ніколи не було такого небаченого зростання виробництва металу.

Недарма Еру, виступаючи в 1911 році на банкеті на честь Холла, сказав: \ "Звісно ж можливим, що років через десять або п'ятнадцять споживання алюмінію зрівняється зі споживанням міді і, після століть золотого, кам'яного, бронзового і залізного настане століття алюмінієвий \».

Варто сказати і ще про одне фантастичному збігу в біографіях Холла і Еру - обидва винахідника померли в 1914 році.