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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
électrolyse de l'aluminium. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent La vie moderne ne peut être imaginée sans aluminium. Ce métal léger brillant, excellent conducteur d'électricité, a été largement utilisé dans diverses industries au cours des dernières décennies. Pendant ce temps, on sait que l'aluminium n'existe pas dans la nature sous forme libre, et jusqu'au XNUMXème siècle, la science ne connaissait même pas son existence. Ce n'est que dans le dernier quart du XIXe siècle que le problème de la production industrielle d'aluminium métallique sous forme libre a été résolu. Ce fut l'une des plus grandes réalisations de la science et de la technologie de cette période, dont nous n'avons peut-être pas encore pleinement apprécié l'importance.
En termes de teneur dans la croûte terrestre, l'aluminium se classe premier parmi les métaux et troisième parmi les autres éléments (après l'oxygène et le silicium). La croûte terrestre contient 8% d'aluminium (nous notons à titre de comparaison que la teneur en fer est de 8%, de cuivre - 4% et d'or - 2%). Cependant, ce métal réactif ne peut exister à l'état libre et ne se trouve que sous forme de composés divers et très divers. Leur masse est représentée par l'oxyde d'aluminium (Al0O003). Chacun de nous a rencontré ce composé plus d'une fois - dans la vie de tous les jours, on l'appelle alumine, ou simplement argile. L'argile représente environ un tiers de l'oxyde d'aluminium et est une matière première potentielle pour sa production. Toute la difficulté est de restaurer l'aluminium (en retirer l'oxygène). Il est extrêmement difficile d'y parvenir chimiquement, car la liaison entre les deux éléments est ici très forte. Déjà la première connaissance de l'aluminium a clairement démontré toutes les difficultés auxquelles les scientifiques s'attendaient en cours de route. En 1825, le physicien danois Hans Oersted fut le premier à obtenir de l'aluminium métallique à l'état libre à partir de son oxyde. Pour ce faire, Oersted mélange d'abord de l'alumine avec du charbon, chauffe ce mélange et y fait passer du chlore. Le résultat est le chlorure d'aluminium (AlCl3). À cette époque, on savait déjà que les métaux chimiquement plus actifs étaient capables de déplacer les moins actifs de leurs sels. Oersted a soumis le chlorure d'aluminium à l'action du potassium dissous dans du mercure (amalgame de potassium) et a obtenu de l'amalgame d'aluminium (en chauffant rapidement du chlorure d'aluminium avec de l'amalgame de potassium, du chlorure de potassium s'est formé, tandis que l'aluminium est passé en solution). Soumettant ce mélange à la distillation, Oersted isola de petits lingots d'aluminium. D'une manière légèrement différente, l'aluminium a été obtenu en 1827 par le chimiste allemand Wöhler, qui a fait passer une vapeur de chlorure d'aluminium sur du potassium métallique (dans ce cas, comme dans la réaction d'Oersted chimiquement, le potassium le plus actif a déplacé l'aluminium et s'est combiné avec du chlore ). Mais les deux méthodes ne pouvaient pas être utilisées dans l'industrie, car du potassium très coûteux était utilisé ici pour réduire l'aluminium. Plus tard, le physicien français Saint-Clair-Deville a développé un autre procédé chimique pour obtenir de l'aluminium, remplaçant le potassium par du sodium moins cher, mais toujours assez cher. (L'essence de cette méthode était que le chlorure d'aluminium était chauffé avec du sodium, ce qui déplaçait l'aluminium du sel, le faisant ressortir sous la forme de petites perles.) Pendant plusieurs décennies, l'aluminium a été obtenu de cette manière.
En étudiant les propriétés de l'aluminium, Deville est arrivé à la conclusion qu'il pourrait être d'une grande importance pour la technologie à l'avenir. Dans son rapport à l'Académie des sciences, il écrit : « Ce métal, blanc et brillant comme l'argent, ne noircit pas à l'air, peut être fondu, forgé et étiré, et d'une légèreté remarquable, peut être très utile si vous pouvez trouver un moyen simple de Si l'on rappelle encore que ce métal est extrêmement commun, que son minerai est de l'argile, alors on ne peut que souhaiter qu'il trouve une large application. Les premiers lingots d'aluminium obtenus par Deville sont présentés à l'exposition universelle de Paris en 1855 et suscitent le plus vif intérêt. En 1856, à l'usine des frères Tissier à Rouen, Deville organise la première entreprise industrielle de production d'aluminium. Dans le même temps, le coût de 1 kg d'aluminium était initialement égal à 300 francs. Quelques années plus tard, le prix de vente a été réduit à 200 francs pour 1 kg, mais il est resté exceptionnellement élevé. L'aluminium à cette époque était utilisé comme métal semi-précieux pour la production de divers bibelots, et sous cette forme, il a même gagné en popularité en raison de sa couleur blanche et de son lustre agréable. Cependant, à mesure que les méthodes chimiques d'extraction de l'aluminium se sont améliorées, son prix a chuté au fil des ans. Par exemple, une usine à Albury (Angleterre) au milieu des années 80. produisait jusqu'à 250 kg d'aluminium par jour et le vendait au prix de 30 shillings le kg, autrement dit, son prix a chuté de 30 fois en 25 ans. Déjà au milieu du XIXe siècle, certains chimistes ont souligné que l'aluminium pouvait être obtenu par électrolyse. En 1854, Bunsen obtient l'aluminium par électrolyse d'un chlorure d'aluminium fondu. Presque simultanément avec Bunsen, Deville a reçu de l'aluminium par électrolyse. L'appareil de Deville se composait d'un creuset en porcelaine P inséré dans un creuset en argile poreuse H et muni d'un couvercle D, qui avait une fente pour l'insertion d'une électrode de platine K et une grande ouverture pour un récipient en terre poreuse R. Dans ce dernier a été placé une tige de carbone A, qui était l'électrode positive. Le creuset et le récipient en terre cuite ont été remplis au même niveau de chlorure double d'aluminium et de sodium fondu (le chlorure double a été obtenu en mélangeant deux parties de chlorure d'aluminium sec et de sel commun). Après l'immersion des électrodes, même à faible courant, la décomposition du chlorure double a commencé dans la masse fondue et l'aluminium métallique a précipité sur la plaque de platine. Cependant, à cette époque, il était même impossible de penser à maintenir les composés à l'état fondu, en utilisant uniquement le chauffage pendant le passage du courant. Il était nécessaire de maintenir la température requise d'une autre manière depuis l'extérieur. Cette circonstance, ainsi que le fait que l'électricité était très chère à cette époque, ont empêché la diffusion de cette méthode de production d'aluminium. Les conditions de sa distribution ne sont apparues qu'après l'apparition de puissants générateurs de courant continu. En 1878, Siemens a inventé le four à arc électrique, principalement utilisé dans la fusion du fer. Il se composait d'un creuset en carbone ou en graphite, qui était un pôle. Le deuxième pôle était une électrode de carbone située sur le dessus, qui se déplaçait à l'intérieur du creuset dans un plan vertical pour contrôler le régime électrique. Lors du remplissage du creuset avec une charge, celle-ci était chauffée et fondue soit par un arc électrique, soit en raison de la résistance de la charge elle-même lorsqu'un courant la traversait. Aucune source de chaleur externe n'était nécessaire pour le four Siemens. La création de ce four a été un événement important non seulement pour la métallurgie ferreuse, mais aussi pour la métallurgie non ferreuse. Maintenant, toutes les conditions pour la méthode électrolytique de production d'aluminium étaient en place. Cela dépendait du développement de la technologie des procédés. D'une manière générale, l'aluminium peut être obtenu directement à partir d'alumine, mais la difficulté était que l'alumine est un composé très réfractaire qui devient liquide à une température d'environ 2050 degrés. Pour chauffer l'alumine à cette température puis la maintenir pendant la réaction, une énorme quantité d'électricité était nécessaire. À cette époque, cette méthode semblait déraisonnablement coûteuse. Les chimistes cherchaient une autre voie, essayant d'isoler l'aluminium d'une autre substance moins réfractaire. En 1885, ce problème a été résolu indépendamment par le Français Héroux et l'American Hall. Il est curieux qu'au moment où ils ont fait leur découverte exceptionnelle, tous deux aient 22 ans (tous deux sont nés en 1863). Eru, depuis l'âge de 15 ans, après avoir pris connaissance du livre de Deville, a constamment pensé à l'aluminium. Il a développé les principes de base de l'électrolyse alors qu'il était encore étudiant à l'âge de 20 ans. En 1885, après la mort de son père, Héroux hérite d'une petite fabrique de cuir près de Paris et se met immédiatement au travail. Il a acheté un générateur électrique Gramma et a d'abord essayé de décomposer des solutions aqueuses de sels d'aluminium avec un courant électrique. Ayant échoué sur cette voie, il a décidé d'électrolyser la cryolite fondue - un minéral qui comprend de l'aluminium (la formule chimique de la cryolite est Na3AlF6). Eru a commencé ses expériences dans un creuset en fer, qui servait de cathode, et l'anode était une tige de carbone abaissée dans la masse fondue. Au début, rien ne promettait le succès. Au passage du courant, le fer du creuset réagissait avec la cryolithe, formant un alliage fusible. Le creuset a fondu et son contenu s'est répandu. Eru n'a pas obtenu d'aluminium de cette manière. Cependant, la cryolite était une matière première très tentante, car elle fondait à une température de seulement 950 degrés. Eru a eu l'idée que la fonte de ce minéral pourrait être utilisée pour dissoudre des sels d'aluminium plus réfractaires. C'était une idée très fructueuse. Mais quel type de sel choisir pour les expériences ? Eru a décidé de commencer par celui qui avait longtemps servi de matière première pour la production chimique d'aluminium - avec du double chlorure d'aluminium et du sodium. Et puis, au cours de l'expérience, une erreur s'est produite, ce qui l'a conduit à une découverte remarquable. Après avoir fait fondre la cryolite et y avoir ajouté du chlorure double d'aluminium et de sodium, Eru a soudainement remarqué que l'anode en carbone commençait à brûler rapidement. Il ne pouvait y avoir qu'une seule explication à cela - pendant l'électrolyse, de l'oxygène a commencé à être libéré à l'anode, qui a réagi avec le carbone. Mais d'où pourrait provenir l'oxygène ? Eru a soigneusement examiné tous les réactifs achetés et a ensuite découvert que le chlorure double se décomposait sous l'influence de l'humidité et se transformait en alumine. Puis tout ce qui s'était passé lui est devenu clair : l'oxyde d'aluminium (alumine) dissous dans de la cryolithe fondue et la molécule Al2O3 décomposée en ions aluminium et oxygène. De plus, au cours de l'électrolyse, les ions d'oxygène chargés négativement ont cédé leurs électrons à l'anode et ont été réduits en oxygène chimique. Mais dans ce cas, quelle substance a été réduite à la cathode ? Il ne pouvait s'agir que d'aluminium. Réalisant cela, Eru avait déjà délibérément ajouté de l'alumine à la masse fondue de cryolite et ainsi obtenu des billes d'aluminium métallique au fond du creuset. Ainsi, une méthode d'obtention d'aluminium à partir d'alumine dissoute dans la cryolite, qui est utilisée à ce jour, a été découverte. (La cryolite ne participe pas à une réaction chimique, sa quantité ne diminue pas pendant l'électrolyse - elle n'est utilisée ici que comme solvant. Le processus se déroule comme suit: de l'alumine est périodiquement ajoutée à la masse fondue de cryolite par portions; à la suite de l'électrolyse, de l'oxygène est libéré à l'anode et de l'aluminium à la cathode. ) Deux mois plus tard, exactement la même méthode de production d'aluminium a été découverte par l'American Hall.
Eru a reçu le premier brevet pour son invention en avril 1886. Dans celui-ci, il n'a pas encore abandonné le chauffage externe du bain d'électrolyte pour maintenir la température requise de la masse fondue. Mais dès l'année suivante, il dépose un deuxième brevet pour une méthode de production de bronze d'aluminium, dans lequel il refuse le chauffage externe et écrit qu'"un courant électrique produit suffisamment de chaleur pour maintenir l'alumine à l'état fondu".
Comme personne en France n'était intéressé à le découvrir, Héroux partit pour la Suisse. En 1887, la société Sons of Neger signe avec lui un contrat pour mettre en œuvre son invention. Bientôt, la Société suisse de la métallurgie est fondée, qui, à l'usine de Neuhausen, lance la production de bronze d'aluminium d'abord, puis d'aluminium pur. L'installation industrielle d'électrolyse de l'aluminium, ainsi que toute la technologie de production, a été développée par Eru. Le four était une boîte en fer, isolée au sol. La surface du bain était recouverte de l'intérieur de plaques de carbone épaisses, qui constituaient l'électrode négative (cathode). D'en haut, une électrode positive (anode) a été abaissée dans le bain, qui était un ensemble de tiges de carbone. L'électrolyse a eu lieu à un courant très fort (environ 4000 ampères), mais à basse tension (seulement 12-15 volts). Un courant important, comme déjà mentionné dans les chapitres précédents, a entraîné une augmentation significative de la température. La cryolite a rapidement fondu et une réaction de réduction électrochimique a commencé, au cours de laquelle de l'aluminium métallique a été collecté sur le fond de charbon du bain. Déjà en 1890, l'usine de Neuhausen recevait plus de 40 tonnes d'aluminium et commença bientôt à produire 450 tonnes d'aluminium par an. Le succès des Suisses a inspiré les industriels français. À Paris, une société électrique a été formée, qui en 1889 a proposé à Eru de devenir le directeur de la nouvelle usine d'aluminium. Quelques années plus tard, Héroux fonde plusieurs autres alumineries dans différentes régions de France, où l'énergie électrique est bon marché. Les prix de l'aluminium ont progressivement chuté des dizaines de fois. Lentement mais sûrement, ce merveilleux métal a commencé à gagner sa place dans la vie humaine, devenant bientôt aussi nécessaire que le fer et le cuivre, connus depuis les temps anciens. Auteur : Ryzhov K.V.
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