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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
アルミニウム電解。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト 現代の生活はアルミニウムなしでは考えられません。 この光沢のある軽金属は優れた電気伝導体であり、ここ数十年でさまざまな産業で広く使用されています。 一方、アルミニウムは自然界に自由な形で存在しないことが知られており、XNUMX 世紀になるまで科学はその存在さえ知りませんでした。 XNUMX 世紀の最後の四半期になって初めて、自由な形状のアルミニウム金属の工業生産の問題が解決されました。 これは、この時代の科学技術の最大の成果の XNUMX つであり、その重要性はおそらくまだ十分に認識されていません。
地球の地殻の含有量では、アルミニウムは金属の中で8位、他の元素の中で8位です（酸素とシリコンに次ぐ）。 地球の地殻は4％のアルミニウムです（比較のために、その中の鉄の含有量は2％、銅-0％、金-003％であることに注意してください）。 しかし、この反応性金属は自由な状態で存在することはできず、さまざまな非常に多様な化合物の形でのみ見られます。 それらのバルクは酸化アルミニウム（Al0O000005）によって占められています。 私たち一人一人がこの化合物に何度も会ったことがあります-日常生活では、それはアルミナ、または単に粘土と呼ばれています。 粘土は酸化アルミニウムの約 XNUMX 分の XNUMX であり、その生産の潜在的な原料です。 全体の難しさは、アルミニウムを復元することです（アルミニウムから酸素を取り除きます）。 ここでは XNUMX つの要素間の結合が非常に強いため、これを化学的に達成することは非常に困難です。 すでにアルミニウムとの最初の知り合いは、科学者が途中で予想したすべての困難を明確に示していました。 1825 年、デンマークの物理学者ハンス エルステッドは、酸化物から遊離状態の金属アルミニウムを初めて取得しました。 これを行うために、エルステッドはまずアルミナと石炭を混合し、この混合物を加熱して塩素を通過させました。 その結果が塩化アルミニウム (AlCl3) です。 当時、化学的に活性の高い金属が活性の低い金属をそれらの塩から置き換えることができることはすでに知られていた. エルステッドは塩化アルミニウムに水銀に溶解したカリウム（カリウムアマルガム）を作用させてアルミニウムアマルガムを得た（カリウムアマルガムとともに塩化アルミニウムを急速に加熱することにより、塩化カリウムが形成され、アルミニウムは溶解した. この混合物を蒸留して、エルステッドはアルミニウムの小さなインゴットを分離しました。 わずかに異なる方法で、1827 年にドイツの化学者ヴェーラーによってアルミニウムが得られました。彼は金属カリウム上に塩化アルミニウムの蒸気を通過させました (この場合、化学的にエルステッド反応のように、より活性なカリウムがアルミニウムを置換し、それ自体が塩素と結合します)。 ）。 しかし、アルミニウムを還元するために非常に高価なカリウムがここで使用されたため、どちらの方法も産業界では使用できませんでした。 その後、フランスの物理学者サン・クレール・ドヴィルは、アルミニウムを得る別の化学プロセスを開発し、カリウムを安価ではあるが依然として非常に高価なナトリウムに置き換えました. (この方法の本質は、塩化アルミニウムをナトリウムと一緒に加熱することであり、それがアルミニウムを塩から追い出し、小さなビーズの形で目立たせることでした.) 数十年の間、アルミニウムはこの方法で得られました.
アルミニウムの特性を調査したところ、Devilleは、アルミニウムが将来の技術にとって非常に重要になる可能性があるという結論に達しました。 フランス科学アカデミーへの彼の報告書の中で、彼は次のように書いています。この金属が非常に一般的であり、その鉱石が粘土であることをさらに思い出すと、幅広い用途が見つかることを願うだけです。 デビルが最初に入手したアルミニウムインゴットは、1855年にパリで開催された世界展示会で展示され、最も活発な関心を呼び起こしました。 1856 年、ルーアンのティシエ兄弟の工場で、デヴィルはアルミニウム生産のための最初の産業企業を組織しました。 同時に、1 kg のアルミニウムのコストは当初 300 フランに相当していました。 数年後、販売価格は 200 kg あたり 1 フランに引き下げられましたが、それでも非常に高いままでした。 当時のアルミニウムは半貴金属としてさまざまな装身具の製造に使用されていましたが、この形でもその白い色と心地よい光沢から人気がありました。 しかし、アルミニウムを抽出するための化学的方法が改善されるにつれて、その価格は長年にわたって下落しました. たとえば、80 年代半ばのオルベリー (イギリス) の工場。 250 日あたり最大 30 kg のアルミニウムを生産し、30 kg あたり 25 シリングの価格で販売しました。つまり、その価格は XNUMX 年間で XNUMX 分の XNUMX に下落しました。 すでに1854世紀半ばに、一部の化学者は、アルミニウムは電気分解によって得られる可能性があると指摘しました。 XNUMX年、ブンセンは溶融塩化アルミニウムの電気分解によってアルミニウムを入手しました。 ブンゼンとほぼ同時に、デヴィルはアルミニウムを電解的に受け取った。 Deville の装置は、多孔質の粘土るつぼ H に挿入された磁器のるつぼ P から成り、蓋 D が設けられており、蓋 D には白金電極 K を挿入するためのスリットと、多孔質の土製の容器 R のための大きな開口部がありました。正極であるカーボンロッドA。 るつぼと陶器の容器に、アルミニウムとナトリウムの溶融複塩化物を同じレベルまで満たした（複塩化物は、乾燥塩化アルミニウムと食塩をXNUMX部混合することによって得られた）。 電極を浸漬すると、低電流でも溶融液中で複塩化物の分解が始まり、白金板上に金属アルミニウムが析出した。 しかし、当時は通電中の加熱だけで化合物を溶融状態に保つことなど考えられませんでした。 外部から別の方法で必要な温度を維持する必要がありました。 この状況と、当時の電気代が非常に高かったという事実が、このアルミニウム製造方法の普及を妨げました。 その配布の条件は、強力なDC発電機が登場した後にのみ生じました。 1878年、シーメンスは主に鉄の製錬に使用される電気アーク炉を発明しました。 それは、XNUMXつの極である炭素またはグラファイトのるつぼで構成されていました。 XNUMX番目の極は上部に配置されたカーボン電極で、電気レジームを制御するために垂直面でるつぼの内部を移動しました。 るつぼに電荷を充填するとき、電気アークによって、または電流が流れるときの電荷自体の抵抗のために、るつぼは加熱されて溶けました。 シーメンス炉には外部熱源は必要ありませんでした。 この炉の作成は、鉄だけでなく非鉄冶金にとっても重要なイベントでした。 これで、アルミニウム製造の電解法のすべての条件が整いました。 それはプロセス技術の開発次第でした。 一般的に、アルミニウムはアルミナから直接得られますが、難点は、酸化アルミニウムが2050度程度の温度で液体になる非常に難治性の化合物であるということでした。 アルミナをこの温度まで加熱し、反応中にそれを維持するには、膨大な量の電力が必要でした。 当時、この方法は法外に高価に思えました。 化学者たちは別の方法を探していて、アルミニウムを他の耐火性の低い物質から分離しようとしていました。 1885 年、この問題はフランス人のエルーとアメリカン ホールによって独自に解決されました。 興味深いことに、彼らがこの素晴らしい発見をしたとき、22 人は 1863 歳でした (15 人とも 20 年生まれ)。 エルはXNUMX歳の頃から、デヴィルの本と出会い、アルミについて常に考えていた。 XNUMX歳の学生時代に電気分解の基本原理を開発。 1885 年、父の死後、エルーはパリ近郊の小さな皮革工場を相続し、すぐに仕事を始めました。 彼は Gramma 発電機を購入し、最初にアルミニウム塩の水溶液を電流で分解しようとしました。 この道に失敗した彼は、アルミニウムを含む鉱物である溶融氷晶石を電気分解することにしました (氷晶石の化学式は Na3AlF6 です)。 エルは陰極として機能する鉄のるつぼで実験を開始し、陽極は溶融物に下げられた石炭棒でした。 最初は、成功を約束するものは何もありませんでした。 電流が流れると、るつぼの鉄が氷晶石と反応し、可溶合金が形成されました。 るつぼが溶けて、中身がこぼれた。 エルはこの方法でアルミニウムを入手しませんでした。 しかし、氷晶石はわずか 950 度の温度で溶けるため、非常に魅力的な原料でした。 エルは、この鉱物の溶融物を使用して、より耐火性のアルミニウム塩を溶解できるという考えを思いつきました。 とても実り多いアイデアでした。 しかし、実験のためにどのような塩を選ぶべきでしょうか？ エルは、アルミニウムの化学生産の原料として長い間使用されてきたもの、つまり塩化アルミニウムとナトリウムを2つ使用することから始めることにしました。 そして、実験中にエラーが発生し、彼は驚くべき発見に至りました。 氷晶石を溶かし、それにアルミニウムとナトリウムの二重塩化物を加えた後、エルは突然、カーボンアノードが急速に燃焼し始めたことに気づきました。 これには3つの説明しかありません。電気分解中に、酸素がアノードで放出され始め、それが炭素と反応しました。 しかし、酸素はどこから来るのでしょうか？ エルは購入したすべての試薬を注意深く調べたところ、二重塩化物が水分の影響で分解し、アルミナに変化することを発見しました。 その後、起こったことすべてが彼に明らかになりました。溶融した氷晶石に溶解した酸化アルミニウム（アルミナ）と、AlXNUMXOXNUMX分子がアルミニウムと酸素イオンに分解しました。 さらに、電気分解の過程で、負に帯電した酸素イオンが陽極に電子を供与し、化学酸素に還元されました。 しかし、この場合、カソードで還元された物質は何ですか? アルミしかありませんでした。 これに気づいたエルは、氷晶石の融液に意図的にアルミナを添加し、坩堝の底に金属アルミニウムのビーズを得ました。 こうして、現在も使われている氷晶石に溶解したアルミナからアルミニウムを得る方法が発見されました。 （氷晶石は化学反応に関与せず、その量は電気分解中に減少しません-ここでは溶媒としてのみ使用されます。プロセスは次のように進行します：アルミナは定期的に氷晶石溶融物に少しずつ加えられます;電気分解の結果として、酸素はアノードで放出され、アルミニウムはカソードで放出されます.XNUMXか月後、まったく同じアルミニウム製造方法がアメリカンホールによって発見されました.
エルは、1886 年 XNUMX 月に彼の発明の最初の特許を取得しました。 その中で、彼は、溶融物の必要な温度を維持するために、電解槽の外部加熱をまだ放棄していません。 しかしその翌年、彼はアルミニウム ブロンズの製造方法に関する XNUMX つ目の特許を取得しました。この特許では、外部加熱を拒否し、「電流はアルミナを溶融状態に保つのに十分な熱を生成する」と書いています。
フランスの誰もそれを発見することに興味を持っていなかったので、エルーはスイスに向かった. 1887 年、Sons of Neger 社は彼と彼の発明を実施するための契約を結びました。 すぐにスイス冶金協会が設立され、ノイハウゼンの工場で最初のアルミニウム青銅、次に純アルミニウムの生産が開始されました。 アルミニウムの電気分解のための産業プラント、および生産技術全体は、Eru によって開発されました。 炉は地面に隔離された鉄の箱でした。 浴の表面は、負極（カソード）である厚い炭素板で内側から覆われていました。 上から、炭素棒のパッケージである浴に正電極（陽極）を降ろした。 電気分解は非常に強い電流 (約 4000 アンペア) で行われましたが、電圧はわずか 12 ～ 15 ボルトでした。 前の章ですでに述べたように、大電流は温度の大幅な上昇につながりました。 氷晶石は急速に融解し、電気化学的還元反応が始まり、その間にアルミニウム金属が浴の石炭床に集められました。 ノイハウゼンの工場は 1890 年にすでに 40 トン以上のアルミニウムを受け取り、すぐに年間 450 トンのアルミニウムの生産を開始しました。 スイスの成功は、フランスの実業家に影響を与えました。 パリでは電気協会が結成され、1889 年に新しく設立されたアルミニウム工場の所長になるようエルに申し出ました。 数年後、エルーは安価な電気エネルギーが存在するフランスのさまざまな地域に、さらにいくつかのアルミニウム工場を設立しました。 アルミニウム価格は徐々に何十倍も下落しました。 ゆっくりと、しかし着実に、この素晴らしい金属は人間の生活の中でその地位を獲得し始め、すぐに古代から知られている鉄や銅と同じくらい必要なものになりました. 著者：Ryzhov K.V.
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