电解生产铝是怎么发明的?
对铝的最早认识始于17世纪。德国化学家施塔尔首先注意到明矾[k2so 4·al 2(SO4)3·24h2o]中含有一种与普通金属截然不同的物质。他的学生马格拉夫(1709 ~ 1782)在1754中从明矾中分离出氧化铝,并确定它不同于氧化钙。
意大利物理学家伏打发明电池后,在1808 ~ 1810年间,英国化学家大卫和瑞典化学家贝济里乌斯都试图用电流将金属铝从铝土矿中分离出来,但都失败了。另一方面,Bezirius首先给这种高不可攀的金属铝命名。这是拉丁校友送的。在中世纪的欧洲,这个词是聚合矾的通称。今天,铝的拉丁名称是从Bezirius的名字转化而来的。我们从它的第二个音节音译为铝。
到1825年,丹麦化学家奥斯特(H.C.Oersted,1777 ~ 1851)试图利用铝更强的化学活性来取代铝的氯化物。他将氯气通过烧红的木炭和氧化铝的混合物,得到三氯化铝(AlCl3),然后将氯化铝和钾汞齐(合金)混合,加热,得到氯化钾(KCl)和铝汞齐。然后在隔绝空气的条件下蒸馏铝汞齐,除去汞,得到类似锡的金属光泽的金属。虽然产品中含有杂质,但金属铝毕竟诞生了。
1827,德国化学家韦勒(F.W?Hler,1800 ~ 1882)重复了奥斯特的实验。制备好三氯化铝后,将氯化铝和金属钾混合,置于铂坩埚中,密封严密,加热产生激烈反应,得到灰色铝粉。
1854年,法国化学家德维尔(H.S.C.Deville,1818 ~ 1881)用钠代替钾还原氯化铝,制得金属铝,并铸成铝锭。
在随后的时期,铝是珠宝店里的贵重商品,是帝王贵族享用的宝物。法国皇帝拿破仑三世在宴会上使用铝叉;泰国国王用的是铝制表链。1855年在巴黎举行的世界商品交易会上,一小片铝被放在最珍贵的珠宝旁边,它的标签上写着:来自粘土的银。直到1884年,美国第一任总统华盛顿(1732 ~ 1799)的纪念碑落成,纪念碑顶部竖立了一个6磅重的装饰金字塔,由铝制成。在1889年,伦敦化学学会还赠送了俄罗斯化学家门捷列夫由铝和金制成的花瓶和杯子。
1886,两位年轻的化学家,美国霍尔(C.M.Hall,1863 ~ 1914)和法国埃卢(P.L.T.Héroult,1863 ~ 65438)。
冰晶石,学名氟铝酸钠,存在于自然界,但通常由氢氧化铝[Al (OH) 3]、碳酸钠(Na2CO3)和氢氟酸(HF)制成。它在电解氧化铝中起作用。因为氧化铝非常稳定,直接熔融电解需要2050℃以上的高温,但是在氧化铝中加入冰晶石后,可以在950℃左右熔融电解。
霍尔的实验在1884和1886之间进行。那时,他是俄亥俄州奥柏林的奥柏林学院化学系的学生。
霍尔的成功得到了他的老师朱厄特(一位化学和矿物学教授)和妹妹朱莉娅·霍尔的鼓励和帮助。朱厄特去了德国,和韦勒一起学习化学。韦勒在讲座中提到了制造铝的实验,鼓励学生寻找廉价的还原铝的方法,并指导霍尔进行化学实验。朱莉娅·霍尔,她的弟弟毕业于奥柏林学院化学系,帮助霍尔在他们家搭建了一个简易实验室,帮助霍尔进行化学实验,并保存霍尔的实验笔记。显然,霍尔坚持不懈的实验和不屈不挠的精神是他成功的关键。
霍尔最初重复了以前制造铝的方法,只是在失败后,他才考虑用电来还原化合物中的铝。他没有选择氧化铝,因为他知道氧化铝很难熔化。
电解实验,首先需要电池。65438+上世纪80年代,在美国奥柏林这样的小城市,我们还得自己组装电池。他先电解氟化铝(AlF3)的水溶液,得到的是氢气和氢氧化铝,没有任何铝的痕迹。他选择了氟化铝,而不是前人使用的氯化铝,这是一种创新。氟化铝比氯化铝更难制备。用的是氢氟酸,毒性大,腐蚀性强,能腐蚀玻璃。不能像盐酸、硫酸一样放在玻璃瓶里,而是放在铅做的容器里。他成功制备了氟化铝,突破了实验中的一个难点,给了他继续实验的勇气。
电解氟化铝水溶液失败后,霍尔考虑电解熔融氟化铝。考虑到这必须有很高的温度,普通的煤炉无法满足这一要求,所以他不得不组装一个烧汽油的炉子。但即便如此,他也没能让氟化铝保持熔融状态。氟化铝的原始冰点为65438±0.2965438±0℃。
为了解决维持电解物质熔融状态的问题,这迫使他寻找冰晶石来帮助熔化,于是他开始制造。1886年2月9日,他进行了第一次电解铝氧化物和冰晶石混合熔体的实验,第二天又进行了一次实验,没有看到效果。6天后,2月16日,他再次实验,他姐姐也在场。他用一根石墨棒作为电极,并把它浸入盛有熔融氧化铝和冰晶石混合物的粘土坩埚中。电流接通后,阴极上出现灰色沉积物,而不是闪光的铝。霍尔认为这种灰色沉积物来自粘土硅酸盐中的硅。于是霍尔换上石墨坩埚,于1886年2月23日再次实验。当电流接通几个小时后,阴极上出现银珠,用盐酸检验后确认是铝。他马上把产品寄给他的老师朱厄特,经证实是铝。霍尔是成功的。
成功后,霍尔立即给他当官员的哥哥乔治·霍尔写了一封信,报告了他的发现。2月24日,他发出了第二封信,详细介绍了他发现的相关技术信息。这些信件后来成为他优先考虑法律承认电解铝的证明。
霍尔试图将他的发现应用于工业生产,但起初他遇到了困难。直到1888年夏天,我从匹兹堡还原公司的创始人兼工程师A.Hunt那里拿到了一笔钱,在生产技术上我得到了A.V.Davis的帮助,我得到了蒸汽机驱动的发电机。最后在1888中得到了165438。1889年4月2日匹兹堡还原公司更名为美国铝业公司。到1907,美国铝业公司已经拥有了几个矿山和三个生产氧化铝的铝厂。随着铝产品的不断增加,铝的价格也一直在下降。
霍尔1885大学毕业。从65438年到0890年,他成为了美国采矿、冶金和石油工程学会的会员。1911年,美国化学学会和化学工程学会联合授予他一枚奖章,以表彰他对应用化学的宝贵贡献。不幸于1914 12.27因白血病去世,享年51。他从未结过婚,留下500万美元给他的母校奥柏林学院,在校园里建了一个礼堂以纪念他的母亲。现在,用铝制成的杨·霍尔全身雕像仍然矗立在奥柏林学院的校园里,留给后人欣赏。
霍尔成功了,埃卢也同样成功。当时,埃鲁是法国巴黎矿业学院的学生,也从事铝生产的研究。他还得到他的老师、法国化学家H . l . le Chatelier(1850 ~ 1936)的鼓励和指导。1886年4月23日,埃卢获得了法国批准的铝生产专利,由此引发了霍尔与埃卢铝发明专利的冲突。美国法院判决霍尔在1893享有优先权,因为他是在1886年2月23日发现的,比Eru早了两个月。埃卢前往美国时,正巧霍尔接受了美国化学学会等团体颁发的勋章,并受邀出席仪式。两人见了面,互相祝贺。这是非常值得祝贺的。正是他们两人,把这块来自泥土的“银子”从皇帝、贵族的手中,传递到了全世界千千万万人的手中。
在第一次世界大战期间,出现了铝和铜、锰和镁的合金,并用于各种工业生产。到1930,铝合金被用于飞机制造。时至今日,铝锅、铝锅等各种铝制品已广泛应用于千家万户。据国外统计,1995年美国人均铝消费量达到19.2公斤,中国为1.5公斤,印度为0.6公斤。