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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
eletrólise de alumínio. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor A vida moderna não pode ser imaginada sem alumínio. Este metal leve brilhante, excelente condutor de eletricidade, tem sido amplamente utilizado em diversas indústrias nas últimas décadas. Entretanto, sabe-se que o alumínio não ocorre na natureza de forma livre e, até o século XIX, a ciência nem sabia de sua existência. Somente no último quartel do século XIX foi resolvido o problema da produção industrial de alumínio metálico em forma livre. Esta foi uma das maiores conquistas da ciência e tecnologia deste período, cujo significado, talvez, ainda não tenhamos apreciado totalmente.
Em termos de conteúdo na crosta terrestre, o alumínio ocupa o primeiro lugar entre os metais e o terceiro entre os outros elementos (depois do oxigênio e do silício). A crosta terrestre é 8% de alumínio (observamos para comparação que o teor de ferro é de 8%, cobre - 4% e ouro - 2%). No entanto, este metal reativo não pode existir em estado livre e é encontrado apenas na forma de compostos diversos e muito diversos. Sua massa é contabilizada pelo óxido de alumínio (Al0O003). Cada um de nós já encontrou esse composto mais de uma vez - na vida cotidiana, é chamado de alumina, ou simplesmente argila. A argila é cerca de um terço do óxido de alumínio e é uma matéria-prima potencial para sua produção. Toda a dificuldade é restaurar o alumínio (retirar o oxigênio dele). É extremamente difícil conseguir isso quimicamente, pois a ligação entre os dois elementos é muito forte aqui. Já o primeiro contato com o alumínio demonstrou claramente todas as dificuldades que os cientistas esperavam ao longo do caminho. Em 1825, o físico dinamarquês Hans Oersted foi o primeiro a obter alumínio metálico em estado livre de seu óxido. Para fazer isso, Oersted primeiro misturou alumina com carvão, aqueceu essa mistura e passou cloro por ela. O resultado é cloreto de alumínio (AlCl3). Naquela época, já se sabia que metais quimicamente mais ativos eram capazes de deslocar os menos ativos de seus sais. Oersted expôs o cloreto de alumínio à ação do potássio dissolvido em mercúrio (amálgama de potássio) e obteve amálgama de alumínio (por aquecimento rápido de cloreto de alumínio com amálgama de potássio, formou-se cloreto de potássio, enquanto o alumínio foi dissolvido). Submetendo essa mistura à destilação, Oersted isolou pequenos lingotes de alumínio. De maneira um pouco diferente, o alumínio foi obtido em 1827 pelo químico alemão Wöhler, que passou um par de cloreto de alumínio sobre o potássio metálico (neste caso, como na reação de Oersted quimicamente, o potássio mais ativo deslocou o alumínio e ele próprio combinado com o cloro). ). Mas ambos os métodos não podiam ser usados na indústria, pois o potássio muito caro era usado aqui para reduzir o alumínio. Mais tarde, o físico francês Saint-Clair-Deville desenvolveu outro processo químico para a obtenção do alumínio, substituindo o potássio por sódio mais barato, mas ainda bastante caro. (A essência desse método era que o cloreto de alumínio era aquecido com sódio, que deslocava o alumínio do sal, fazendo com que ele se destacasse na forma de pequenas contas.) Por várias décadas, o alumínio foi obtido dessa maneira.
Investigando as propriedades do alumínio, Deville chegou à conclusão de que poderia ser de grande importância para a tecnologia no futuro. Em seu relatório para a Academia Francesa de Ciências, ele escreveu: “Este metal, branco e brilhante como a prata, não escurece no ar, pode ser derretido, forjado e desenhado, e tem uma leveza notável, pode ser muito útil se você pode encontrar uma maneira simples de se lembrarmos ainda que este metal é extremamente comum, que seu minério é argila, então só podemos desejar que ele encontre ampla aplicação. Os primeiros lingotes de alumínio obtidos por Deville foram demonstrados na exposição mundial de Paris em 1855 e despertaram o maior interesse. Em 1856, na fábrica dos irmãos Tissier em Rouen, Deville organizou a primeira empresa industrial para a produção de alumínio. Ao mesmo tempo, o custo de 1 kg de alumínio era inicialmente igual a 300 francos. Alguns anos depois, o preço de venda foi reduzido para 200 francos por 1 kg, mas ainda assim permaneceu excepcionalmente alto. O alumínio naquela época era usado como metal semiprecioso para a produção de várias bugigangas e, dessa forma, ganhou alguma popularidade por causa de sua cor branca e brilho agradável. No entanto, à medida que os métodos químicos de extração de alumínio melhoraram, seu preço caiu ao longo dos anos. Por exemplo, uma fábrica em Albury (Inglaterra) em meados dos anos 80. produzia até 250 kg de alumínio por dia e o vendia ao preço de 30 xelins por kg, ou seja, seu preço caiu 30 vezes em 25 anos. Já em meados do século XIX, alguns químicos apontavam que o alumínio poderia ser obtido por eletrólise. Em 1854, Bunsen obteve alumínio por eletrólise de um cloreto de alumínio fundido. Quase simultaneamente com Bunsen, Deville recebeu alumínio eletroliticamente. O aparelho de Deville consistia em um cadinho de porcelana P inserido em um cadinho de barro poroso H e provido de uma tampa D, que possuía uma fenda para a inserção de um eletrodo de platina K e uma grande abertura para um vaso de barro poroso R. uma haste de carbono A, que era o eletrodo positivo. O cadinho e o vaso de barro foram preenchidos no mesmo nível com cloreto duplo de alumínio e sódio fundidos (o cloreto duplo foi obtido pela mistura de duas partes de cloreto de alumínio seco e sal comum). Após a imersão dos eletrodos, mesmo em baixa corrente, iniciou-se a decomposição do cloreto duplo no fundido, e o alumínio metálico precipitou na placa de platina. No entanto, naquela época era impossível sequer pensar em manter os compostos em estado fundido, usando apenas aquecimento durante a passagem da corrente. Era necessário manter a temperatura necessária de outra maneira do lado de fora. Essa circunstância, bem como o fato de a eletricidade ser muito cara naqueles anos, impediu a disseminação desse método de produção de alumínio. As condições para sua distribuição surgiram somente após o aparecimento de poderosos geradores DC. Em 1878, a Siemens inventou o forno elétrico a arco, usado principalmente na fundição de ferro. Consistia em um cadinho de carbono ou grafite, que era um pólo. O segundo pólo era um eletrodo de carbono localizado na parte superior, que se movia dentro do cadinho em um plano vertical para controlar o regime elétrico. Ao encher o cadinho com uma carga, ele foi aquecido e derretido por um arco elétrico ou devido à resistência da própria carga quando uma corrente passou por ela. Não foram necessárias fontes externas de calor para o forno Siemens. A criação deste forno foi um evento importante não só para os ferrosos, mas também para a metalurgia não ferrosa. Agora estavam reunidas todas as condições para o método eletrolítico de produção de alumínio. Coube ao desenvolvimento da tecnologia de processo. De um modo geral, o alumínio pode ser obtido diretamente da alumina, mas a dificuldade era que o óxido de alumínio é um composto muito refratário, que se torna líquido a uma temperatura de cerca de 2050 graus. Para aquecer a alumina a essa temperatura e mantê-la durante a reação, era necessária uma enorme quantidade de eletricidade. Naquela época, esse método parecia excessivamente caro. Os químicos estavam procurando uma maneira diferente, tentando isolar o alumínio de alguma outra substância menos refratária. Em 1885, este problema foi resolvido de forma independente pelo francês Héroux e pelo American Hall. É curioso que ambos, na época em que fizeram sua notável descoberta, tivessem 22 anos (ambos nasceram em 1863). Eru, desde os 15 anos, depois de conhecer o livro de Deville, pensava constantemente em alumínio. Ele desenvolveu os princípios básicos da eletrólise quando ainda era estudante, aos 20 anos. Em 1885, após a morte de seu pai, Héroux herdou uma pequena fábrica de couro perto de Paris e imediatamente começou a trabalhar. Ele comprou um gerador elétrico Gramma e primeiro tentou decompor soluções aquosas de sais de alumínio com uma corrente elétrica. Tendo falhado nesse caminho, ele decidiu eletrolisar a criolita fundida - um mineral que inclui alumínio (a fórmula química da criolita é Na3AlF6). Eru começou seus experimentos em um cadinho de ferro, que servia como cátodo, e o ânodo era uma barra de carvão mergulhada no fundido. No início, nada prometia sucesso. Quando a corrente passou, o ferro do cadinho reagiu com a criolita, formando uma liga fusível. O cadinho derreteu e seu conteúdo se derramou. Eru não obteve nenhum alumínio dessa maneira. No entanto, a criolita era uma matéria-prima muito tentadora, pois derretia a uma temperatura de apenas 950 graus. Eru teve a ideia de que a fusão desse mineral poderia ser usada para dissolver mais sais de alumínio refratários. Foi uma ideia muito frutífera. Mas que tipo de sal escolher para experimentos? Eru decidiu começar com um que há muito servia como matéria-prima para a produção química de alumínio - com cloreto de alumínio duplo e sódio. E então, durante o experimento, ocorreu um erro, que o levou a uma descoberta notável. Depois de derreter a criolita e adicionar cloreto duplo de alumínio e sódio a ela, Eru de repente percebeu que o ânodo de carbono começou a queimar rapidamente. Só pode haver uma explicação para isso - durante a eletrólise, o oxigênio começou a ser liberado no ânodo, que reagiu com o carbono. Mas de onde poderia vir o oxigênio? Eru examinou cuidadosamente todos os reagentes adquiridos e então descobriu que o cloreto duplo se decompõe sob a influência da umidade e se transforma em alumina. Então tudo o que havia acontecido ficou claro para ele: óxido de alumínio (alumina) dissolvido em criolita fundida e a molécula de Al2O3 decomposta em íons de alumínio e oxigênio. Além disso, no curso da eletrólise, íons de oxigênio carregados negativamente doaram seus elétrons para o ânodo e foram reduzidos a oxigênio químico. Mas neste caso, qual substância foi reduzida no cátodo? Só pode ser alumínio. Percebendo isso, Eru já havia deliberadamente adicionado alumina ao fundido de criolita e, assim, obtido contas de alumínio metálico no fundo do cadinho. Assim, foi descoberto um método de obtenção de alumínio a partir de alumina dissolvida em criolita, que é utilizado até hoje. (A criolita não participa de uma reação química, sua quantidade não diminui durante a eletrólise - é usada aqui apenas como solvente. O processo ocorre da seguinte forma: a alumina é adicionada periodicamente à fusão da criolita em porções; como resultado da eletrólise, o oxigênio é liberado no ânodo e o alumínio no cátodo. ) Dois meses depois, exatamente o mesmo método de produção de alumínio foi descoberto pelo American Hall.
Eru recebeu a primeira patente de sua invenção em abril de 1886. Nela, ele ainda não abandonou o aquecimento externo do banho eletrolítico para manter a temperatura desejada do fundido. Mas no ano seguinte, ele obteve uma segunda patente para um método de produção de bronze de alumínio, no qual recusou aquecimento externo e escreveu que "uma corrente elétrica produz calor suficiente para manter a alumina em estado fundido".
Como ninguém na França estava interessado em descobri-lo, Héroux partiu para a Suíça. Em 1887, a empresa Sons of Neger assinou um contrato com ele para implementar sua invenção. Logo foi fundada a Sociedade Metalúrgica Suíça, que na fábrica de Neuhausen iniciou a produção de bronze de alumínio e depois alumínio puro. A planta industrial para eletrólise do alumínio, assim como toda a tecnologia de produção, foi desenvolvida pela Eru. A fornalha era uma caixa de ferro, isolada no chão. A superfície do banho era coberta por dentro com grossas placas de carbono, que eram o eletrodo negativo (cátodo). De cima, um eletrodo positivo (ânodo) foi abaixado no banho, que era um pacote de barras de carbono. A eletrólise ocorreu em uma corrente muito forte (cerca de 4000 amperes), mas em baixa tensão (apenas 12-15 volts). Uma grande corrente, como já mencionado em capítulos anteriores, levou a um aumento significativo da temperatura. A criolita derreteu rapidamente e uma reação de redução eletroquímica começou, durante a qual o metal de alumínio foi coletado no piso de carvão do banho. Já em 1890, a fábrica de Neuhausen recebia mais de 40 toneladas de alumínio, e logo começou a produzir 450 toneladas de alumínio por ano. O sucesso dos suíços inspirou os industriais franceses. Em Paris, uma sociedade elétrica foi formada, que em 1889 ofereceu a Eru para se tornar o diretor da fábrica de alumínio recém-fundada. Alguns anos depois, Héroux fundou várias outras fábricas de alumínio em diferentes partes da França, onde havia energia elétrica barata. Os preços do alumínio caíram gradualmente dezenas de vezes. Lenta mas firmemente, esse maravilhoso metal começou a ganhar seu lugar na vida humana, logo se tornando tão necessário quanto o ferro e o cobre, conhecidos desde os tempos antigos. Autor: Ryzhov K.V.
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