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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
알루미늄 전기 분해. 발명과 생산의 역사
현대 생활은 알루미늄 없이는 상상할 수 없습니다. 이 반짝이는 경금속은 우수한 전기 전도체로서 최근 수십 년 동안 다양한 산업 분야에서 널리 사용되었습니다. 한편, 알루미늄은 자연계에서 자유로운 형태로 발생하지 않는 것으로 알려져 있으며, XNUMX세기까지 과학은 알루미늄의 존재조차 알지 못했다. XNUMX세기 후반에 와서야 자유 형태의 알루미늄 금속 산업 생산 문제가 해결되었습니다. 이것은 이 시대의 과학 기술의 가장 큰 업적 중 하나였으며, 아마도 우리가 아직 충분히 인식하지 못한 중요성일 것입니다.
지각의 함량 측면에서 알루미늄은 금속 중에서 8위, 다른 원소 중에서 8위(산소 및 규소 다음)입니다. 지구의 지각은 4% 알루미늄입니다(비교를 위해 철 함량은 2%, 구리는 0%, 금은 003%임). 그러나 이 반응성 금속은 자유 상태로 존재할 수 없으며 다양하고 매우 다양한 화합물의 형태로만 발견된다. 이들의 벌크는 산화알루미늄(Al0O000005)으로 설명됩니다. 우리 각자는이 화합물을 두 번 이상 만났습니다. 일상 생활에서는 알루미나 또는 단순히 점토라고합니다. 점토는 산화알루미늄의 약 XNUMX/XNUMX이며 생산을 위한 잠재적인 원료입니다. 전체적인 어려움은 알루미늄을 복원하는 것입니다 (산소 제거). 여기에서 두 요소 사이의 결합이 매우 강하기 때문에 이것을 화학적으로 달성하는 것은 극히 어렵습니다. 이미 알루미늄에 대한 첫 번째 지인은 과학자들이 그 과정에서 예상했던 모든 어려움을 분명히 보여주었습니다. 1825년 덴마크의 물리학자 Hans Oersted는 산화물로부터 자유 상태의 금속 알루미늄을 처음으로 얻었습니다. 이를 위해 Oersted는 우선 알루미나를 석탄과 혼합하고 이 혼합물을 가열하고 염소를 통과시켰습니다. 결과는 염화알루미늄(AlCl3)입니다. 그 당시에는 화학적으로 더 활성이 높은 금속이 염에서 덜 활성인 금속을 대체할 수 있다는 것이 이미 알려져 있었습니다. Oersted는 염화알루미늄을 수은(아말감칼륨)에 용해된 칼륨의 작용에 노출시켜 알루미늄 아말감을 얻었다(염화알루미늄을 아말감칼륨으로 빠르게 가열하면 염화칼륨이 형성되고 알루미늄은 용액이 됨). 이 혼합물을 증류하여 외르스테드는 작은 알루미늄 주괴를 분리했습니다. 약간 다른 방식으로, 알루미늄은 1827년 독일 화학자 Wöhler에 의해 얻어졌는데, 그는 한 쌍의 염화알루미늄을 금속 칼륨 위에 통과시켰습니다. ). 그러나 알루미늄을 줄이기 위해 여기에서 매우 비싼 칼륨이 사용 되었기 때문에 두 가지 방법 모두 산업에서 사용할 수 없습니다. 나중에 프랑스 물리학자인 Saint-Clair-Deville은 칼륨을 저렴하지만 여전히 상당히 비싼 나트륨으로 대체하여 알루미늄을 얻는 또 다른 화학 공정을 개발했습니다. (이 방법의 핵심은 염화알루미늄을 나트륨으로 가열하여 소금에서 알루미늄을 대체하여 작은 구슬 형태로 두드러지게 만드는 것입니다.) 이러한 방식으로 수십 년 동안 알루미늄을 얻었습니다.
알루미늄의 특성을 조사한 Deville은 알루미늄이 미래의 기술에 매우 중요할 수 있다는 결론에 도달했습니다. 프랑스 과학 아카데미에 제출한 보고서에서 그는 이렇게 썼습니다. 간단한 방법을 찾을 수 있다면 이 금속이 매우 일반적이고 그 광석이 점토라는 것을 더 기억한다면 널리 사용되기를 바랄 뿐입니다. Deville이 입수한 최초의 알루미늄 잉곳은 1855년 파리에서 열린 세계 박람회에서 시연되었으며 가장 활발한 관심을 불러일으켰습니다. 1856년 루앙에 있는 티시에 형제의 공장에서 드빌은 알루미늄 생산을 위한 최초의 산업 기업을 조직했습니다. 동시에 알루미늄 1kg의 비용은 처음에는 300프랑이었습니다. 몇 년 후 판매 가격은 200kg당 1프랑으로 떨어졌지만 여전히 유난히 높은 가격을 유지했습니다. 당시 알루미늄은 다양한 장신구를 만드는 준귀금속으로 사용되었으며, 이러한 형태로 흰색과 기분 좋은 광택으로 인해 어느 정도 인기를 얻었습니다. 그러나 알루미늄을 추출하는 화학적 방법이 개선됨에 따라 알루미늄 가격은 수년에 걸쳐 하락했습니다. 예를 들어, 80년대 중반 Albury(영국)의 한 공장. 하루 최대 250kg의 알루미늄을 생산하여 kg당 30실링의 가격에 판매했습니다. 즉, 30년 동안 가격이 25배나 떨어졌습니다. 이미 1854세기 중반에 일부 화학자들은 알루미늄을 전기분해로 얻을 수 있다고 지적했습니다. XNUMX년 분젠은 용융된 염화알루미늄을 전기분해하여 알루미늄을 얻었다. Bunsen과 거의 동시에 Deville은 알루미늄을 전기분해 방식으로 받았습니다. Deville의 장치는 다공성 점토 도가니 H에 삽입되고 백금 전극 K의 삽입을 위한 슬릿이 있는 뚜껑 D와 다공성 토기 용기 R을 위한 큰 구멍이 있는 도자기 도가니 P로 구성되었습니다. 양극인 탄소 막대 A. 도가니와 질그릇에 알루미늄과 나트륨의 용융 이중 염화물을 동일한 높이로 채웠다(건조 염화 알루미늄과 식염 두 부분을 혼합하여 이중 염화물을 얻었다). 전극을 담근 후 낮은 전류에서도 용융물에서 이중 염화물의 분해가 시작되었고 금속성 알루미늄이 백금 플레이트에 침전되었습니다. 그러나 그 당시에는 전류가 흐르는 동안 가열만을 사용하여 화합물을 용융 상태로 유지하는 것은 생각조차 할 수 없었습니다. 외부에서 다른 방법으로 필요한 온도를 유지해야 했습니다. 이러한 상황과 그 당시 전기가 매우 비쌌다는 사실은 이러한 알루미늄 생산 방법의 확산을 막았습니다. 배포 조건은 강력한 DC 발전기가 나타난 후에야 발생했습니다. 1878년 Siemens는 주로 철 제련에 사용되는 전기로를 발명했습니다. 그것은 하나의 극인 탄소 또는 흑연 도가니로 구성되었습니다. 두 번째 극은 상부에 위치한 탄소 전극으로, 수직면에서 도가니 내부로 이동하여 전기 체제를 제어합니다. 도가니에 충전물을 채울 때 전기 아크 또는 전류가 통과할 때 충전물 자체의 저항으로 인해 가열되고 녹았습니다. Siemens 퍼니스에는 외부 열원이 필요하지 않았습니다. 이 용광로의 제작은 철뿐만 아니라 비철 야금에도 중요한 사건이었습니다. 이제 알루미늄 생산의 전기 분해 방법에 대한 모든 조건이 마련되었습니다. 공정기술의 발전에 달렸다. 일반적으로 알루미늄은 알루미나에서 직접 얻을 수 있지만 어려움은 알루미나가 약 2050도의 온도에서 액체가 되는 매우 내화성인 화합물이라는 점이었습니다. 알루미나를 이 온도로 가열한 다음 반응 중에 유지하기 위해서는 엄청난 양의 전기가 필요했습니다. 당시에는 이 방법이 터무니없이 비싸 보였다. 화학자들은 내화성이 낮은 다른 물질로부터 알루미늄을 분리하는 다른 방법을 찾고 있었습니다. 1885년에 프랑스인 Héroux와 American Hall이 이 문제를 독립적으로 해결했습니다. 그들이 놀라운 발견을 했을 때 둘 다 22세(둘 다 1863년에 태어났다)라는 것이 궁금하다. Eru는 15세 때부터 Deville의 책을 알게 된 후 끊임없이 알루미늄에 대해 생각했습니다. 그는 20세에 아직 학생일 때 전기 분해의 기본 원리를 개발했습니다. 1885년 아버지가 사망한 후 Héroux는 파리 근처의 작은 가죽 공장을 물려받고 즉시 작업에 착수했습니다. 그는 Gramma 발전기를 구입하고 먼저 전류로 알루미늄 염 수용액을 분해하려고 시도했습니다. 이 경로에서 실패한 그는 알루미늄을 포함하는 광물인 녹은 빙정석(빙정석의 화학식은 Na3AlF6임)을 전기분해하기로 결정했습니다. Eru는 음극 역할을 하는 철 도가니에서 실험을 시작했으며 양극은 용융물 속으로 내려간 석탄 막대였습니다. 처음에는 어떤 것도 성공을 약속하지 않았습니다. 전류가 흐르면 도가니의 철이 빙정석과 반응하여 가용성 합금을 형성합니다. 도가니가 녹아 내용물이 쏟아졌습니다. Eru는 이런 식으로 알루미늄을 얻지 못했습니다. 그러나 빙정석은 불과 950도의 온도에서 녹기 때문에 매우 유혹적인 원료였습니다. 에루는 이 광물의 용융물이 더 내화성인 알루미늄 염을 용해하는 데 사용될 수 있다는 아이디어를 내놓았습니다. 매우 유익한 아이디어였습니다. 그러나 실험을 위해 어떤 종류의 소금을 선택해야합니까? Eru는 이중 염화알루미늄과 나트륨을 사용하여 오랫동안 알루미늄의 화학 생산을 위한 원료로 사용된 것으로 시작하기로 결정했습니다. 그러다 실험 도중 오류가 발생해 놀라운 발견을 하게 됐다. 빙정석을 녹이고 알루미늄과 이중 염화나트륨을 첨가한 후 Eru는 갑자기 탄소 양극이 빠르게 타기 시작하는 것을 발견했습니다. 이에 대한 설명은 하나뿐입니다. 전기 분해 중에 탄소와 반응하는 양극에서 산소가 방출되기 시작했습니다. 그러나 산소는 어디에서 올 수 있습니까? Eru는 구입한 모든 시약을 주의 깊게 조사한 다음 이중 염화물이 수분의 영향으로 분해되어 알루미나로 변한다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 일어난 모든 일이 그에게 분명해졌습니다. 녹은 빙정석에 용해 된 산화 알루미늄 (알루미나)과 알루미늄과 산소 이온으로 분해 된 Al2O3 분자. 또한, 전기분해 과정에서 음전하를 띤 산소 이온이 전자를 양극에 기증하고 화학적 산소로 환원되었습니다. 그런데 이 경우 음극에서 환원된 물질은 무엇인가? 알루미늄 일 수 있습니다. 이를 깨달은 Eru는 이미 일부러 빙정석 용융물에 알루미나를 추가하여 도가니 바닥에 금속 알루미늄 구슬을 얻었습니다. 그리하여 현재까지 사용되고 있는 빙정석에 용해된 알루미나로부터 알루미늄을 얻는 방법을 발견하였다. (크린올라이트는 화학 반응에 참여하지 않으며 전기 분해 중에 그 양이 감소하지 않습니다. 여기서는 용매로만 사용됩니다. 공정은 다음과 같이 진행됩니다. 알루미나는 주기적으로 빙정석 용융물에 부분적으로 첨가됩니다. 산소는 양극에서 방출되고 알루미늄은 음극에서 방출됩니다.) 두 달 후 정확히 동일한 알루미늄 생산 방법이 American Hall에서 발견되었습니다.
Eru는 1886년 XNUMX월에 그의 발명품에 대한 최초의 특허를 받았습니다. 그 안에서 그는 필요한 용융 온도를 유지하기 위해 전해질 수조의 외부 가열을 아직 포기하지 않았습니다. 그러나 바로 이듬해에 그는 알루미늄 청동을 생산하는 방법에 대한 두 번째 특허를 취득했습니다. 그는 외부 가열을 거부하고 "전류는 알루미나를 용융 상태로 유지하기에 충분한 열을 생성합니다"라고 썼습니다.
프랑스의 아무도 그것을 발견하는 데 관심이 없었기 때문에 Héroux는 스위스로 떠났습니다. 1887년 Sons of Neger 회사는 그의 발명품을 구현하기 위해 그와 계약을 체결했습니다. 곧 Swiss Metallurgical Society가 설립되어 Neuhausen 공장에서 첫 번째 알루미늄 청동 생산을 시작한 다음 순수 알루미늄 생산을 시작했습니다. Eru는 전체 생산 기술뿐만 아니라 알루미늄 전기 분해를 위한 산업 플랜트를 개발했습니다. 용광로는 땅에 고립된 철제 상자였습니다. 욕조의 표면은 내부에서 음극(음극)인 두꺼운 탄소판으로 덮여 있습니다. 위에서 양극(양극)을 탄소 막대 패키지인 욕조로 낮추었습니다. 전기분해는 매우 강한 전류(약 4000암페어)에서 발생했지만 낮은 전압(단지 12-15볼트)에서 발생했습니다. 이전 장에서 이미 언급했듯이 큰 전류로 인해 온도가 크게 상승했습니다. 빙정석은 빠르게 녹았고 전기 화학적 환원 반응이 시작되었으며, 그 동안 욕조의 석탄 바닥에 알루미늄 금속이 수집되었습니다. 이미 1890년에 Neuhausen의 공장은 40톤 이상의 알루미늄을 공급받았고 곧 연간 450톤의 알루미늄을 생산하기 시작했습니다. 스위스의 성공은 프랑스 기업가들에게 영감을 주었습니다. 파리에서 전기 사회가 결성되어 1889년 Eru가 새로 설립된 알루미늄 공장의 이사가 될 것을 제안했습니다. 몇 년 후 Héroux는 저렴한 전기 에너지가 있는 프랑스의 여러 지역에 알루미늄 공장을 몇 개 더 설립했습니다. 알루미늄 가격은 점차 수십 배 하락했습니다. 천천히 그러나 꾸준히, 이 놀라운 금속은 인간의 삶에서 그 자리를 차지하기 시작했고 곧 고대부터 알려진 철과 구리만큼 필요한 것이 되었습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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