电解法制铝的发明

时间:2017-08-06 09:15:01

分类:发明的故事

史前时代,人类已经会使用含铝化合物的黏土制作陶器。铝在地壳中的分布量在所有化学元素中仅次于氧和硅,占第3位,在全部金属元素中占第1位。但是由于铝化合物的氧化性弱,铝不易从其他化合物中被还原出来,因而迟迟不能分离出金属铝。最早认识铝从17员苑 世纪开始,德国化学家施塔尔首先察觉到明矾里含有一种与普通金属迥然不同的物质。他的学生马格拉夫在1754年年从明矾中分离出矾土,即氧化铝,确定它和氧化钙不同。

意大利物理学家伏打创造电池后,1808-1810年间英国化学家戴维和瑞典化学家贝齐里乌斯都曾试图利用电流从矾土中分离出金属铝,但没有成功。贝齐里乌斯却给这个未能取得的金属先起了一个名字叫alumien。这是从拉丁文alumen而来的。。在中世纪的欧洲,这个词是对具有收敛性的矾的总称。铝今天的拉丁名称alumien正是从贝齐里乌斯的命名转变而来的。我们从它的第二音节音译为铝。

到1825年,丹麦化学家厄斯泰兹利用钾的化学活动性比铝强,试图将铝从它的氯化物中置换出来。他将氯气通过烧红的木炭和氧化铝的混合物,获得无水氯化铝),然后将氯化铝与钾汞齐(合金)混合加热,得到氯化钾和铝汞齐。再将铝汞齐在隔绝空气的情况下蒸馏,除去汞,得到具有金属光泽的、与锡相似的金属。尽管产物中含有杂质,但是金属铝毕竟诞生了。

1827年,德国化学家韦勒重复了厄斯泰兹的实验,制得无水氯化铝后将氯化铝和金属钾混合放在铂制的坩埚中,严密封盖后加热,发生激烈反应,获得灰色粉末状的铝。

1854年,法国化学家德维尔利用钠代替钾还原氯化铝,制得金属铝并铸成铝锭。在这以后的一段时期里,铝是珠宝店里的名贵商品,是帝王贵族们享用的珍宝。法国皇帝拿破仑三世在宴会上用过铝制的叉子;泰国国王用过铝制的表链。1855年在巴黎举行的世界商品展览会上,有一小块铝放在最珍贵的珠宝旁边,它的标签上注明:来自黏土的白银。直到1884年,美国第一任总统华盛顿的纪念碑建立完成,碑的顶端竖立一个6磅重的装饰用的角锥体,就是用铝制成的。1889年,俄罗斯化学家门捷列夫还曾得到伦敦化学会赠送的铝和金制成的花瓶和杯子。1886年,两位青年化学家,美国的霍尔和法国的埃鲁分别独立发明电解熔融的冰晶石和铝矾土的混合物而制得铝,使铝得以大规模生产,奠定了今天世界各国电解铝的工业方法。冰晶石学名氟铝酸钠,存在自然界中,但通常用氢氧化铝、碳酸钠、和氢氟酸制取。它在电解氧化铝中起、作用。由于氧化铝很稳定,直接熔融电解需要2050℃以上的高温但在氧化铝中加入冰晶石后,只要在950℃左右就能溶化电解。

电解法制铝

霍尔进行的实验是在1884-1886年间。当时他是美国俄亥俄州奥柏林城奥伯林学院化学系的学生。霍尔的成功得到他的老师、化学和矿物学教授朱伊特和他的姐姐朱莉亚·霍尔的鼓励和帮助。朱伊特曾赴德国跟从韦勒学习化学,韦勒在讲课时提到制取铝的试验,鼓励学生们寻找一种廉价的还原铝的方法,并指导霍尔进行化学试验。朱莉亚·霍尔先她的弟弟毕业于奥柏林学院化学系,协助霍尔在他们的家中建立起简陋的实验室,帮助霍尔进行化学实验,还保存了霍尔的实验笔记。显然,霍尔坚持不懈地进行试验和不屈不挠的精神是他取得成功的关键。

霍尔最初也曾重复试验了前人制取铝的方法,失败后才考虑到利用电使铝从它的化合物中被还原出来。他没有选用氧化铝,他知道它很难熔融。在电解实验中,首先需要电池。员怨 世纪愿园 年代,在美国奥柏林这样的小城市中也不得不自己动手组装电池。他首先电解氟化铝的水溶液,得到的是氢气和氢氧化铝,没有任何铝的踪迹。他选择氟化铝,不用前人所用的氯化铝,是一种创新。制取氟化铝要比制取氯化铝困难,要用氢氟酸,这是一种剧毒并具有强烈腐蚀性的酸,能腐蚀玻璃,不能像盐酸、硫酸那样盛在玻璃瓶里,而要盛在用铅制成的容器里。他制取氟化铝获得成功,闯过了实验中的一道难关,也给了他继续进行实验的勇气。

霍尔在电解氟化铝的水溶液失败后,遂考虑电解熔融的氟化铝。他考虑到这样必须具备高温,普通的煤炭炉不能满足这种要求,于是不得不组装一个燃烧汽油的炉子。但是即使如此,他也未能维持氟化铝在熔融状态,原来氟化铝的凝固点在1291℃。要解决维持电解物质熔融状态的难题,这就迫使他找到冰晶石助熔,于是又动手制取它。1886年2月9日,,他进行了电解氧化铝和冰晶石的混合熔融体的第一次实验,第二天又进行了一次实验,没有见到效果。6天后,2月16日他再次实验,他的姐姐也在场。他用石墨棒作为电极,浸入盛有熔融氧化铝和冰晶石混合物的黏土坩埚中,接通电流后,在阴极出现灰色的沉积物,而不是闪光的金属铝。霍尔认为这种灰色沉积物是来自黏土硅酸盐中的硅。于是霍尔改用了石墨坩埚,在1886年2月23日再次试验。当电流接通数小时后,在阴极出现银色的小珠球,用盐酸检验后确认是铝。他立即将产品送给他的老师朱伊特,证实是铝,霍尔获得了成功。

霍尔在取得成功后立即给他的哥哥、一位官员乔治·霍尔寄去一封信,报告他的发现。2月24日又寄去第二封信,详细叙述了他所发现的有关的技术资料。这些信件后来成为他优先发现电解铝在法律上获得承认的证明。霍尔设法把他的发现投入工业生产中,一开始又遇到困难。直到1888年夏天,得到匹兹堡还原公司创建人、工程师亨特的一笔资金,又得到工程师戴维斯在生产技术上的帮助,更得到一座蒸汽机驱动的发电机,终于在1888年11月最后一个星期开始了小规模的工业生产。1889年4月2日日匹兹堡还原公司更名为美国制铝公司。到1907年,美国制铝公司已拥有几座生产氧化铝的矿场和三座铝厂。铝产品不断增加,铝的价格也随之不断下降。霍尔在1885年大学毕业。1890年成为美国矿业、冶金和石油工程学会会员。1911年美国化学会和化学工程学会等团体联合授予他奖章,表彰他在应用化学方面作出有价值的贡献。不幸他在1914年12月27日因白血病逝世,享年51岁。他终身不婚,留下500万美元捐赠给他的母校奥柏林学院,用这笔捐款在校园内建立一座礼堂,纪念他的母亲。现在,用铝铸成的年青的霍尔全身塑像仍竖立在奥柏林学院的校园内,留给后人景仰。

在霍尔获得成功的同时,埃鲁也获得同样的成功。当时埃鲁是法国巴黎矿业学院的学生,也从事制铝的研究,同样得到他的老师、法国化学家勒沙特列的鼓励和指导。埃鲁在1886年4月23日取得法国批准的关于制铝的专利,于是引起霍尔与埃鲁关于铝的发明专利的冲突。美国法院在1893年判决霍尔优先,因为他是在1886年2月23日发现的,比埃鲁早两个月。埃鲁旅行到美国时,适逢霍尔接受美国化学会等团体授予的奖章,应邀参加了典礼,两人相遇,互相祝贺。这是一次很值得的祝贺,正是他们两人,把这个来自黏土的“白银”从帝王贵族们的手中传到世界各地千万人的手中。在第一次世界大战期间,出现铝和铜、锰、镁的合金,应用在各种工业生产中,到1930年,飞机制造中应用了铝合金。至今各种铝壶、铝锅等铝制品已广泛地进入千家万户。据国外的统计资料表明,1995年美国人均消费铝达19.2千克,中国人均消费1.5千克,印度人均消费0.6千克。

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