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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
electrólisis de aluminio. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. No se puede imaginar la vida moderna sin aluminio. Este metal ligero y brillante, excelente conductor de electricidad, ha sido ampliamente utilizado en diversas industrias en las últimas décadas. Mientras tanto, se sabe que el aluminio no se presenta en la naturaleza en forma libre, y hasta el siglo XIX, la ciencia ni siquiera sabía de su existencia. Solo en el último cuarto del siglo XIX se resolvió el problema de la producción industrial de aluminio metálico en forma libre. Este fue uno de los mayores logros de la ciencia y la tecnología de este período, cuya importancia, tal vez, aún no hemos apreciado por completo.
En términos de contenido en la corteza terrestre, el aluminio ocupa el primer lugar entre los metales y el tercero entre otros elementos (después del oxígeno y el silicio). La corteza terrestre tiene un 8 % de aluminio (observamos, a modo de comparación, que el contenido de hierro es del 8 %, cobre: 4 % y oro: 2 %). Sin embargo, este metal reactivo no puede existir en estado libre y sólo se encuentra en forma de varios y muy diversos compuestos. Su mayor parte corresponde al óxido de aluminio (Al0O003). Cada uno de nosotros se ha encontrado con este compuesto más de una vez: en la vida cotidiana se llama alúmina o simplemente arcilla. La arcilla es aproximadamente un tercio del óxido de aluminio y es una materia prima potencial para su producción. Toda la dificultad es restaurar el aluminio (quitarle oxígeno). Es extremadamente difícil lograr esto químicamente, ya que el enlace entre los dos elementos es aquí muy fuerte. Ya el primer contacto con el aluminio demostró claramente todas las dificultades que los científicos esperaban en el camino. En 1825, el físico danés Hans Oersted fue el primero en obtener aluminio metálico en estado libre a partir de su óxido. Para hacer esto, Oersted primero mezcló alúmina con carbón, calentó esta mezcla y pasó cloro a través de ella. El resultado es cloruro de aluminio (AlCl3). En ese momento, ya se sabía que los metales químicamente más activos podían desplazar a los menos activos de sus sales. Oersted sometió el cloruro de aluminio a la acción del potasio disuelto en mercurio (amalgama de potasio) y obtuvo la amalgama de aluminio (al calentar rápidamente el cloruro de aluminio con la amalgama de potasio, se formó el cloruro de potasio, mientras que el aluminio se disuelve). Sometiendo esta mezcla a destilación, Oersted aisló pequeños lingotes de aluminio. De una manera ligeramente diferente, el aluminio fue obtenido en 1827 por el químico alemán Wöhler, quien pasó un vapor de cloruro de aluminio sobre potasio metálico (en este caso, como en la reacción de Oersted químicamente, el potasio más activo desplazó al aluminio y se combinó con cloro). ). Pero ambos métodos no podían usarse en la industria, ya que aquí se usaba potasio muy caro para reducir el aluminio. Más tarde, el físico francés Saint-Clair-Deville desarrolló otro proceso químico para obtener aluminio, reemplazando el potasio con sodio más barato, pero aún bastante caro. (La esencia de este método era que el cloruro de aluminio se calentaba con sodio, lo que desplazaba el aluminio de la sal, haciendo que sobresaliera en forma de pequeñas perlas). Durante varias décadas, el aluminio se obtuvo de esta manera.
Investigando las propiedades del aluminio, Deville llegó a la conclusión de que podría ser de gran importancia para la tecnología en el futuro. En su informe a la Academia de Ciencias de Francia, escribió: “Este metal, blanco y brillante como la plata, no se ennegrece al aire, se puede fundir, forjar y estirar, y además tiene una ligereza notable, puede ser muy útil si puede encontrar una manera simple de Si recordamos además que este metal es extremadamente común, que su mineral es arcilla, entonces uno solo puede desear que encuentre una amplia aplicación. Los primeros lingotes de aluminio obtenidos por Deville se demostraron en la exposición mundial de París en 1855 y despertaron el mayor interés. En 1856, en la fábrica de los hermanos Tissier en Rouen, Deville organizó la primera empresa industrial para la producción de aluminio. Al mismo tiempo, el costo de 1 kg de aluminio fue inicialmente igual a 300 francos. Unos años más tarde, el precio de venta se redujo a 200 francos por 1 kg, pero seguía siendo excepcionalmente alto. El aluminio en ese momento se usaba como un metal semiprecioso para la producción de varias baratijas, y de esta forma incluso ganó cierta popularidad debido a su color blanco y brillo agradable. Sin embargo, a medida que mejoraron los métodos químicos para extraer aluminio, su precio cayó con los años. Por ejemplo, una planta en Albury (Inglaterra) a mediados de los 80. producía hasta 250 kg de aluminio por día y lo vendía a un precio de 30 chelines por kg, es decir, su precio se redujo 30 veces en 25 años. Ya a mediados del siglo XIX, algunos químicos señalaron que el aluminio podía obtenerse por electrólisis. En 1854, Bunsen obtuvo aluminio por electrólisis de una masa fundida de cloruro de aluminio. Casi simultáneamente con Bunsen, Deville recibió aluminio electrolíticamente. El aparato de Deville consistía en un crisol de porcelana P insertado en un crisol de arcilla porosa H y provisto de una tapa D, que tenía una ranura para la inserción de un electrodo de platino K y una gran abertura para un recipiente de barro poroso R. En este último se colocó una varilla de carbono A, que era el electrodo positivo. El crisol y la vasija de barro se llenaron hasta el mismo nivel con cloruro doble de aluminio y sodio fundido (el cloruro doble se obtuvo mezclando dos partes de cloruro de aluminio seco y sal común). Después de sumergir los electrodos, incluso a baja corriente, comenzó la descomposición del cloruro doble en la masa fundida y el aluminio metálico precipitó sobre la placa de platino. Sin embargo, en ese momento era imposible siquiera pensar en mantener los compuestos en estado fundido, usando solo calentamiento durante el paso de la corriente. Era necesario mantener la temperatura requerida de otra manera desde el exterior. Esta circunstancia, sumada a que la electricidad era muy cara en aquellos años, impidió la difusión de este método de producción de aluminio. Las condiciones para su distribución surgieron solo después de la aparición de potentes generadores de CC. En 1878, Siemens inventó el horno de arco eléctrico, utilizado principalmente en la fundición de hierro. Consistía en un crisol de carbón o grafito, que era un polo. El segundo polo era un electrodo de carbón ubicado en la parte superior, que se movía dentro del crisol en un plano vertical para controlar el régimen eléctrico. Al llenar el crisol con una carga, esta se calentaba y fundía ya sea por un arco eléctrico o por la resistencia de la propia carga cuando pasaba una corriente a través de ella. No se requirieron fuentes de calor externas para el horno Siemens. La creación de este horno fue un evento importante no solo para la metalurgia ferrosa, sino también para la metalurgia no ferrosa. Ahora estaban dadas todas las condiciones para el método electrolítico de producción de aluminio. Quedaba pendiente el desarrollo de la tecnología de procesos. En términos generales, el aluminio se puede obtener directamente de la alúmina, pero la dificultad radica en que el óxido de aluminio es un compuesto muy refractario, que se vuelve líquido a una temperatura de unos 2050 grados. Para calentar la alúmina a esta temperatura y luego mantenerla durante la reacción, se requería una gran cantidad de electricidad. En ese momento, este método parecía excesivamente caro. Los químicos estaban buscando una forma diferente, tratando de aislar el aluminio de alguna otra sustancia menos refractaria. En 1885, este problema fue resuelto de forma independiente por el francés Héroux y el American Hall. Es curioso que ambos, en el momento en que hicieron su destacado descubrimiento, tuvieran 22 años (ambos nacieron en 1863). Eru, desde los 15 años, después de conocer el libro de Deville, pensaba constantemente en el aluminio. Desarrolló los principios básicos de la electrólisis cuando aún era estudiante a la edad de 20 años. En 1885, tras la muerte de su padre, Héroux heredó una pequeña fábrica de cuero cerca de París e inmediatamente se puso a trabajar. Compró un generador eléctrico Gramma y primero trató de descomponer soluciones acuosas de sales de aluminio con una corriente eléctrica. Habiendo fracasado en este camino, decidió electrolizar criolita fundida, un mineral que incluye aluminio (la fórmula química de la criolita es Na3AlF6). Eru comenzó sus experimentos en un crisol de hierro, que servía como cátodo, y el ánodo era una barra de carbón sumergida en la masa fundida. Al principio, nada prometía el éxito. Cuando pasaba la corriente, el hierro del crisol reaccionaba con la criolita, formando una aleación fusible. El crisol se derritió y su contenido se derramó. Eru no obtuvo aluminio de esta manera. Sin embargo, la criolita era una materia prima muy tentadora, ya que se fundía a una temperatura de tan solo 950 grados. A Eru se le ocurrió la idea de que la fusión de este mineral podría usarse para disolver más sales de aluminio refractario. Fue una idea muy fructífera. Pero, ¿qué tipo de sal elegir para los experimentos? Eru decidió comenzar con uno que había servido durante mucho tiempo como materia prima para la producción química de aluminio, con doble cloruro de aluminio y sodio. Y luego, durante el experimento, ocurrió un error que lo llevó a un descubrimiento notable. Después de derretir la criolita y agregarle aluminio y doble cloruro de sodio, Eru de repente notó que el ánodo de carbono comenzó a quemarse rápidamente. Solo podría haber una explicación para esto: durante la electrólisis, el oxígeno comenzó a liberarse en el ánodo, que reaccionó con el carbono. Pero, ¿de dónde podría venir el oxígeno? Eru examinó cuidadosamente todos los reactivos comprados y luego descubrió que el doble cloruro se descomponía bajo la influencia de la humedad y se convertía en alúmina. Entonces le quedó claro todo lo que había sucedido: óxido de aluminio (alúmina) disuelto en criolita fundida y la molécula de Al2O3 descompuesta en iones de aluminio y oxígeno. Además, en el curso de la electrólisis, los iones de oxígeno cargados negativamente donaron sus electrones al ánodo y se redujeron a oxígeno químico. Pero en este caso, ¿qué sustancia se redujo en el cátodo? Solo puede ser de aluminio. Al darse cuenta de esto, Eru ya había agregado deliberadamente alúmina a la criolita fundida y, por lo tanto, obtuvo perlas de aluminio metálico en el fondo del crisol. Así, se descubrió un método de obtención de aluminio a partir de alúmina disuelta en criolita, que se utiliza hasta el día de hoy. (La criolita no participa en una reacción química, su cantidad no disminuye durante la electrólisis; aquí se usa solo como solvente. El proceso se desarrolla de la siguiente manera: la alúmina se agrega periódicamente a la criolita fundida en porciones; como resultado de la electrólisis, se libera oxígeno en el ánodo y aluminio en el cátodo.) Dos meses más tarde, el American Hall descubrió exactamente el mismo método de producción de aluminio.
Eru recibió la primera patente de su invención en abril de 1886. En él, aún no ha abandonado el calentamiento externo del baño electrolítico para mantener la temperatura requerida de la masa fundida. Pero al año siguiente, obtuvo una segunda patente para un método para producir bronce de aluminio, en el que rechazó el calentamiento externo y escribió que "una corriente eléctrica produce suficiente calor para mantener la alúmina en estado fundido".
Como nadie en Francia estaba interesado en descubrirlo, Héroux se fue a Suiza. En 1887, la empresa Sons of Neger firmó un contrato con él para implementar su invento. Pronto se fundó la Sociedad Metalúrgica Suiza, que en la planta de Neuhausen lanzó la producción primero de bronce al aluminio y luego de aluminio puro. La planta industrial para la electrólisis del aluminio, así como toda la tecnología de producción, fue desarrollada por Eru. El horno era una caja de hierro, aislada en el suelo. La superficie del baño estaba cubierta desde el interior con gruesas placas de carbón, que eran el electrodo negativo (cátodo). Desde arriba, se bajaba un electrodo positivo (ánodo) al baño, que era un paquete de varillas de carbono. La electrólisis tuvo lugar con una corriente muy fuerte (alrededor de 4000 amperios), pero con un voltaje bajo (solo 12-15 voltios). Una gran corriente, como ya se mencionó en capítulos anteriores, provocó un aumento significativo de la temperatura. La criolita se derritió rápidamente y comenzó una reacción de reducción electroquímica, durante la cual se recogió metal de aluminio en el suelo de carbón del baño. Ya en 1890, la planta de Neuhausen recibió más de 40 toneladas de aluminio y pronto comenzó a producir 450 toneladas de aluminio por año. El éxito de los suizos inspiró a los industriales franceses. En París, se formó una sociedad eléctrica, que en 1889 le ofreció a Eru convertirse en el director de la planta de aluminio recién fundada. Unos años más tarde, Héroux fundó varias plantas de aluminio más en diferentes partes de Francia, donde había energía eléctrica barata. Los precios del aluminio cayeron gradualmente docenas de veces. De manera lenta pero constante, este maravilloso metal comenzó a ganar su lugar en la vida humana, y pronto se volvió tan necesario como el hierro y el cobre, conocidos desde la antigüedad. Autor: Ryzhov K.V.
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