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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Aluminiumelektrolyse. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Aluminium ist aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Dieses glänzende Leichtmetall, ein hervorragender Stromleiter, hat in den letzten Jahrzehnten in verschiedenen Branchen breite Anwendung gefunden. Mittlerweile ist bekannt, dass Aluminium in der Natur nicht in freier Form vorkommt und die Wissenschaft bis ins XNUMX. Jahrhundert nicht einmal von seiner Existenz wusste. Erst im letzten Viertel des XNUMX. Jahrhunderts wurde das Problem der industriellen Produktion von Aluminiummetall in freier Form gelöst. Dies war eine der größten Errungenschaften von Wissenschaft und Technologie dieser Zeit, deren Bedeutung wir vielleicht noch nicht vollständig erkannt haben.
Hinsichtlich des Gehalts in der Erdkruste steht Aluminium unter den Metallen an erster Stelle und unter anderen Elementen an dritter Stelle (nach Sauerstoff und Silizium). Die Erdkruste besteht zu 8% aus Aluminium (wir stellen zum Vergleich fest, dass der Eisengehalt darin 8%, Kupfer - 4% und Gold - 2% beträgt). Dieses reaktive Metall kann jedoch nicht in freiem Zustand existieren und kommt nur in Form verschiedener und sehr unterschiedlicher Verbindungen vor. Ihren Großteil macht Aluminiumoxid (Al0O003) aus. Jeder von uns ist dieser Verbindung mehr als einmal begegnet – im Alltag nennt man sie Tonerde oder einfach Ton. Ton besteht zu etwa einem Drittel aus Aluminiumoxid und ist ein potenzieller Rohstoff für dessen Herstellung. Die ganze Schwierigkeit besteht darin, Aluminium wiederherzustellen (sauerstoff davon zu entfernen). Dies ist chemisch äußerst schwierig zu erreichen, da hier die Bindung zwischen den beiden Elementen sehr stark ist. Bereits die erste Bekanntschaft mit Aluminium zeigte deutlich alle Schwierigkeiten, die die Wissenschaftler auf dem Weg erwarteten. 1825 gelang es dem dänischen Physiker Hans Oersted als erster, aus seinem Oxid metallisches Aluminium in freiem Zustand zu gewinnen. Dazu mischte Oersted zunächst Tonerde mit Kohle, erhitzte diese Mischung und leitete Chlor hindurch. Das Ergebnis ist Aluminiumchlorid (AlCl3). Schon damals war bekannt, dass chemisch aktivere Metalle weniger aktive aus ihren Salzen verdrängen konnten. Oersted setzte Aluminiumchlorid der Einwirkung von in Quecksilber gelöstem Kalium (Kaliumamalgam) aus und erhielt Aluminiumamalgam (durch schnelles Erhitzen von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam wurde Kaliumchlorid gebildet, während Aluminium in Lösung ging). Indem er diese Mischung einer Destillation unterzog, isolierte Oersted kleine Aluminiumbarren. Auf etwas andere Weise wurde Aluminium 1827 von dem deutschen Chemiker Wöhler erhalten, der ein Paar Aluminiumchlorid über metallisches Kalium leitete (in diesem Fall, wie bei der Oersted-Reaktion, verdrängte das aktivere Kalium chemisch Aluminium und verband sich selbst mit Chlor ). Beide Methoden konnten jedoch nicht in der Industrie eingesetzt werden, da hier sehr teures Kalium zur Reduktion von Aluminium verwendet wurde. Später entwickelte der französische Physiker Saint-Clair-Deville ein weiteres chemisches Verfahren zur Gewinnung von Aluminium, bei dem Kalium durch billigeres, aber immer noch recht teures Natrium ersetzt wurde. (Das Wesen dieser Methode bestand darin, dass Aluminiumchlorid mit Natrium erhitzt wurde, wodurch Aluminium aus dem Salz verdrängt wurde und es in Form kleiner Kügelchen hervortrat.) Mehrere Jahrzehnte lang wurde Aluminium auf diese Weise gewonnen.
Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Aluminium kam Deville zu dem Schluss, dass es für die Technik der Zukunft von großer Bedeutung sein könnte. In seinem Bericht an die Französische Akademie der Wissenschaften schrieb er: „Dieses Metall, weiß und glänzend wie Silber, wird an der Luft nicht schwarz, kann eingeschmolzen, geschmiedet und gezogen werden und hat außerdem eine bemerkenswerte Leichtigkeit und kann sehr nützlich sein wenn Sie einen einfachen Weg finden können, wenn wir uns ferner daran erinnern, dass dieses Metall sehr verbreitet ist, dass sein Erz Ton ist, dann kann man nur wünschen, dass es breite Anwendung findet. Die ersten von Deville beschafften Aluminiumbarren wurden 1855 auf der Weltausstellung in Paris vorgeführt und erregten reges Interesse. 1856 organisierte Deville in der Fabrik der Gebrüder Tissier in Rouen das erste Industrieunternehmen zur Herstellung von Aluminium. Gleichzeitig kostete 1 kg Aluminium zunächst 300 Franken. Wenige Jahre später wurde der Verkaufspreis auf 200 Franken pro 1 kg gesenkt, blieb aber immer noch ausserordentlich hoch. Aluminium wurde damals als Halbedelmetall zur Herstellung verschiedener Schmuckstücke verwendet und erlangte in dieser Form aufgrund seiner weißen Farbe und des angenehmen Glanzes sogar eine gewisse Popularität. Als sich jedoch die chemischen Methoden zur Gewinnung von Aluminium verbesserten, sank der Preis im Laufe der Jahre. Zum Beispiel ein Werk in Albury (England) Mitte der 80er Jahre. produzierte bis zu 250 kg Aluminium pro Tag und verkaufte es zu einem Preis von 30 Schilling pro kg, das heißt, sein Preis sank in 30 Jahren um das 25-fache. Bereits Mitte des 1854. Jahrhunderts wiesen einige Chemiker darauf hin, dass Aluminium durch Elektrolyse gewonnen werden könne. XNUMX gewann Bunsen Aluminium durch Elektrolyse eines geschmolzenen Aluminiumchlorids. Fast gleichzeitig mit Bunsen erhielt Deville Aluminium elektrolytisch. Der Apparat von Deville bestand aus einem Porzellantiegel P, der in einen porösen Tontiegel H eingesetzt und mit einem Deckel D versehen war, der einen Schlitz zum Einsetzen einer Platinelektrode K und eine große Öffnung für ein poröses Erdgefäß R hatte. In letzteres wurde gestellt ein Kohlenstoffstab A, der die positive Elektrode war. Der Tiegel und das Steingutgefäß wurden bis zur gleichen Höhe mit geschmolzenem Doppelchlorid aus Aluminium und Natrium gefüllt (Doppelchlorid wurde durch Mischen von zwei Teilen trockenem Aluminiumchlorid und Kochsalz erhalten). Nach dem Eintauchen der Elektroden, auch bei schwachem Strom, begann in der Schmelze die Zersetzung von Doppelchlorid, und metallisches Aluminium schied sich auf der Platinplatte aus. Damals war jedoch nicht einmal daran zu denken, die Verbindungen in einem geschmolzenen Zustand zu halten, indem nur während des Stromdurchgangs erhitzt wurde. Es war notwendig, die erforderliche Temperatur auf andere Weise von außen aufrechtzuerhalten. Dieser Umstand, sowie die Tatsache, dass Strom in jenen Jahren sehr teuer war, verhinderte die Verbreitung dieser Methode der Aluminiumherstellung. Die Bedingungen für seine Verbreitung entstanden erst nach dem Erscheinen leistungsstarker Gleichstromgeneratoren. 1878 erfand Siemens den Elektrolichtbogenofen, der hauptsächlich zum Schmelzen von Eisen verwendet wurde. Es bestand aus einem Kohlenstoff- oder Graphittiegel, der einpolig war. Der zweite Pol war eine oben angeordnete Kohleelektrode, die sich in einer vertikalen Ebene im Inneren des Tiegels bewegte, um das elektrische Regime zu steuern. Beim Füllen des Tiegels mit einer Ladung wurde dieser entweder durch einen Lichtbogen oder aufgrund des Widerstands der Ladung selbst erhitzt und geschmolzen, wenn ein Strom durch ihn hindurchfloss. Für den Siemens-Ofen waren keine externen Wärmequellen erforderlich. Die Schaffung dieses Ofens war ein wichtiges Ereignis nicht nur für die Eisen-, sondern auch für die Nichteisenmetallurgie. Nun waren alle Voraussetzungen für das elektrolytische Verfahren der Aluminiumherstellung gegeben. Es lag an der Entwicklung der Verfahrenstechnik. Im Allgemeinen kann Aluminium direkt aus Aluminiumoxid gewonnen werden, aber die Schwierigkeit bestand darin, dass Aluminiumoxid eine sehr feuerfeste Verbindung ist, die bei einer Temperatur von etwa 2050 Grad flüssig wird. Um Aluminiumoxid auf diese Temperatur zu erhitzen und sie dann während der Reaktion zu halten, war eine enorme Menge an Strom erforderlich. Damals schien diese Methode unangemessen teuer. Chemiker suchten nach einem anderen Weg und versuchten, Aluminium von einer anderen, weniger feuerfesten Substanz zu isolieren. 1885 wurde dieses Problem unabhängig vom Franzosen Héroux und der American Hall gelöst. Es ist merkwürdig, dass beide zu dem Zeitpunkt, als sie ihre herausragende Entdeckung machten, 22 Jahre alt waren (beide wurden 1863 geboren). Eru dachte seit seinem 15. Lebensjahr, nachdem er das Buch von Deville kennengelernt hatte, ständig über Aluminium nach. Bereits als Student im Alter von 20 Jahren entwickelte er die Grundlagen der Elektrolyse. 1885, nach dem Tod seines Vaters, erbte Héroux eine kleine Lederfabrik in der Nähe von Paris und machte sich sofort an die Arbeit. Er kaufte einen Gramma-Elektrogenerator und versuchte zunächst, wässrige Lösungen von Aluminiumsalzen mit elektrischem Strom zu zersetzen. Nachdem er auf diesem Weg gescheitert war, beschloss er, geschmolzenen Kryolith zu elektrolysieren – ein Mineral, das Aluminium enthält (die chemische Formel von Kryolith ist Na3AlF6). Eru begann seine Experimente in einem Eisentiegel, der als Kathode diente, und die Anode war ein Kohlestab, der in die Schmelze abgesenkt wurde. Zunächst versprach nichts Erfolg. Beim Durchleiten des Stroms reagierte das Eisen des Tiegels mit Kryolith und bildete eine schmelzbare Legierung. Der Tiegel schmolz und sein Inhalt ergoss sich. Eru hat auf diese Weise kein Aluminium erhalten. Kryolith war jedoch ein sehr verlockender Rohstoff, da es bei einer Temperatur von nur 950 Grad schmolz. Eru hatte die Idee, dass die Schmelze dieses Minerals verwendet werden könnte, um mehr feuerfeste Aluminiumsalze aufzulösen. Es war eine sehr fruchtbare Idee. Aber welche Art von Salz soll man für Experimente wählen? Eru beschloss, mit einem zu beginnen, das lange als Rohstoff für die chemische Herstellung von Aluminium diente – mit doppeltem Aluminiumchlorid und Natrium. Und dann passierte während des Experiments ein Fehler, der ihn zu einer bemerkenswerten Entdeckung führte. Nachdem er den Kryolith geschmolzen und Aluminium und Natriumdoppelchlorid hinzugefügt hatte, bemerkte Eru plötzlich, dass die Kohlenstoffanode schnell zu brennen begann. Dafür konnte es nur eine Erklärung geben: Während der Elektrolyse begann an der Anode Sauerstoff freigesetzt zu werden, der mit Kohlenstoff reagierte. Aber wo könnte Sauerstoff herkommen? Eru untersuchte sorgfältig alle gekauften Reagenzien und entdeckte dann, dass sich das Doppelchlorid unter dem Einfluss von Feuchtigkeit zersetzte und sich in Aluminiumoxid verwandelte. Dann wurde ihm alles klar, was passiert war: Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) löste sich in geschmolzenem Kryolith und das Al2O3-Molekül zerfiel in Aluminium- und Sauerstoffionen. Außerdem geben negativ geladene Sauerstoffionen im Zuge der Elektrolyse ihre Elektronen an die Anode ab und werden zu chemischem Sauerstoff reduziert. Aber welcher Stoff wurde in diesem Fall an der Kathode reduziert? Es kann nur Aluminium sein. Als Eru dies erkannte, hatte er der Kryolithschmelze bereits absichtlich Aluminiumoxid hinzugefügt und so metallische Aluminiumperlen am Boden des Tiegels erhalten. So wurde ein bis heute angewandtes Verfahren zur Gewinnung von Aluminium aus in Kryolith gelöstem Aluminiumoxid entdeckt. (Kryolith nimmt an keiner chemischen Reaktion teil, seine Menge nimmt während der Elektrolyse nicht ab - es wird hier nur als Lösungsmittel verwendet. Der Prozess läuft wie folgt ab: Der Kryolithschmelze wird periodisch portionsweise Tonerde zugesetzt; als Ergebnis der Elektrolyse wird Sauerstoff wird an der Anode und Aluminium an der Kathode freigesetzt.) Zwei Monate später wurde genau dieselbe Methode der Aluminiumherstellung von der American Hall entdeckt.
Eru erhielt das erste Patent für seine Erfindung im April 1886. Dabei verzichtet er noch nicht auf die externe Beheizung des Elektrolytbades zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur der Schmelze. Aber schon im nächsten Jahr meldete er ein zweites Patent für ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumbronze an, in dem er eine externe Erwärmung ablehnte und schrieb, dass "ein elektrischer Strom genug Wärme erzeugt, um das Aluminiumoxid in einem geschmolzenen Zustand zu halten".
Da niemand in Frankreich daran interessiert war, es zu entdecken, reiste Héroux in die Schweiz ab. 1887 unterzeichnete die Firma Sons of Neger mit ihm einen Vertrag zur Umsetzung seiner Erfindung. Bald wurde die Schweizerische Metallurgische Gesellschaft gegründet, die im Werk in Neuhausen zunächst die Produktion von Aluminiumbronze, dann von Reinaluminium aufnahm. Die Industrieanlage zur Elektrolyse von Aluminium sowie die gesamte Produktionstechnik wurde von Eru entwickelt. Der Ofen war ein Eisenkasten, isoliert auf dem Boden. Die Oberfläche des Bades war von innen mit dicken Kohlenstoffplatten bedeckt, die die negative Elektrode (Kathode) bildeten. Von oben wurde eine positive Elektrode (Anode) in das Bad abgesenkt, bei der es sich um ein Paket aus Kohlenstoffstäben handelte. Die Elektrolyse fand bei sehr starkem Strom (ca. 4000 Ampere), aber bei niedriger Spannung (nur 12-15 Volt) statt. Eine große Strömung, wie bereits in den vorangegangenen Kapiteln erwähnt, führte zu einem deutlichen Temperaturanstieg. Der Kryolith schmolz schnell und eine elektrochemische Reduktionsreaktion begann, während der sich Aluminiummetall auf dem Kohleboden des Bades sammelte. Bereits 1890 erhielt das Werk in Neuhausen über 40 Tonnen Aluminium und begann bald mit der Produktion von 450 Tonnen Aluminium pro Jahr. Der Erfolg der Schweizer inspirierte die französischen Industriellen. In Paris wurde eine Elektrogesellschaft gegründet, die Eru 1889 anbot, Direktor der neu gegründeten Aluminiumfabrik zu werden. Einige Jahre später gründete Héroux mehrere weitere Aluminiumfabriken in verschiedenen Teilen Frankreichs, wo es billige elektrische Energie gab. Die Aluminiumpreise fielen nach und nach dutzende Male. Langsam aber stetig eroberte dieses wunderbare Metall seinen Platz im menschlichen Leben und wurde bald so notwendig wie Eisen und Kupfer, die aus alten Zeiten bekannt waren. Autor: Ryzhov K.V.
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