§1. История открытия алюминия

Соединения алюминия были известны человеку с древних времён. Одними из них являлись вяжущие вещества, к которым относятся алюмо-калиевые квасцы КAl(SO4)2. Они находили широкое применение. Они использовались в качестве протравы и как средство, останавливающее кровь. Пропитка древесины раствором алюмокалиевых квасцов делало её негорючей. Известен интересный исторический факт, как Архелай- полководец из Рима во время войны с персами приказал намазать башни, которые служили в качестве оборонительных сооружений, квасцами. Персам так и не удалось сжечь их.

Еще одним из соединений алюминия были природные глины, в состав которых входит оксид алюминия Al2O3.

Первые попытки получить алюминий только в середине XIX века. Попытка предпринятая датским учёным Х.К.Эрстедом увенчалась успехом. Для получения он использовал амальгированный калий в качестве восстановителя алюминия из оксида. Но что за металл был получен тогда выяснить так и не удалось. Через некоторое время, через два года, алюминий был получен немецким ученым-химиком Велером, который получил алюминий, используя нагревание безводного хлорида алюминия с металлическим калием.  Многие годы труда немецкого ученого не прошли даром. За 20 лет он сумел приготовить гранулированный металл. Он оказался похожим на серебро, но был значительно легче его. Алюминий был очень дорогим металлом, и вплоть до начала XX века, его стоимость была выше стоимости золота. Поэтому многие-многие годы алюминий использовался как музейный экспонат. Около 1807 г. Дэви попытался провести электролиз глинозема, получил металл, который был назван алюмиумом (Alumium) или алюминумом (Aluminum), что в переводе с латинского - квасцы. 

Получение алюминия из глин интересовало не только ученых-химиков, но и промышленников. Алюминий очень тяжело было отделить от других веществ, это способствовало тому, что он был дороже золота. В 1886 году химиком Ч.М. Холлом был предложен способ, который позволил получать металл в больших количествах. Проводя исследования, он в расплаве криолита AlF3•nNaF растворил оксид алюминия. Полученную смесь поместил в гранитный сосуд и пропустил через расплав постоянный электрический ток. Он был очень удивлен, когда через некоторое время на дне сосуда он обнаружил бляшки чистого алюминия. Этот способ и в настоящее время является основным для производства алюминия в промышленных масштабах. Полученный металл всем был хорош, кроме прочности, которая была необходима для промышленности. И эта проблема была решена. Немецкий химик Альфред Вильм сплавил алюминий с другими металлами: медью, марганцем и магнием. Получился сплав, который был значительно прочнее алюминия.

§2. Способы получения

Изобретение относится к способу получения алюминия путем электролитического выделения его из водных растворов одновременно с водородом. В способе используют жидкометаллический катод, например галлиевый. Содержание алюминия в металле повышают до 6 мас.%, выводят сплав из электролизера, охлаждают его в диапазоне от 98 до 26°С и выделяют алюминий кристаллизацией, получая первичный насыщенный твердый раствор с содержанием алюминия около 80 мас.%. Маточный раствор-сплав эвтектического состава возвращают на электролиз в качестве катодного металла, а первичный твердый раствор расплавляют и подвергают перекристаллизации при температурах ниже 660°С, отделяя последовательно вторичный, третичный и т.д. твердые растворы от жидкости до получения из них алюминия технической чистоты. Альтернативные методы производства алюминия - карботермический процесс, процесс Тодта, процесс Кувахара электролиз хлоридов, восстановление алюминия натрием - не обнаружили преимуществ перед методом Эру-Холла. Прототипом настоящего изобретения является наше предыдущее предложение того же названия, под N Получение алюминия из водных растворов одновременно с водородом, составляющее сущность этого изобретения, исключительно заманчиво, но его не удается реализовать из-за процессов пассивирования твердого алюминиевого катода оксидно-гидроксидными пленками переменного состава. Наши попытки реализации процесса в щелочеалюминатных, сернокислых, солянокислых и азотнокислых растворах в равной мере оказались безуспешными. В связи с этим мы предлагаем получать алюминий и водород на проточном жидкометаллическом катоде, на пример, на галлиевом или состоящем из сплава галлия с алюминием. Могут применяться при этом и другие легкоплавкие сплавы. Катода. В результате электролиз осуществляется легко и, в первом приближении, просто с гарантированным выделением алюминия в катодный сплав.

В промышленности алюминий получают электролизом Al2O3  в расплаве криолита Na3[AlF6] при температуре 950

2Al2O3 = 4Al(3+) + 6O(2-) = 2Al + 3O2

Основные реакции процессов:

CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4 (15.з)

SiO2 + 6HF →H2SiF6 + 2H2

HF и H2SiF6 — газообразные продукты, улавливаемые водой. Для обескремнивания полученного раствора в него вначале вводят расчетное количество соды:

H2SiF6 + Na2CO3 → Na2SiF6 + CO2 + H2O (15.и)

Трудно растворимый Na2SiF6 отделяют, а оставшийся раствор плавиковой кислоты нейтрализуют избытком соды и гидроксидом алюминия с получением криолита:

12HF + 3Na2CO3 + 2Al(OH)3 → 2(3NaF·AlF3) + 3CO2 + 9H2O (15.к)

Таким же путем могут быть раздельно получены NaF и AlF3, если обескремненный раствор плавиковой кислоты нейтрализовать рассчитанным количеством Na2CO3 или Al(OH)3.