7.3.6. Производство алюминия

Если олово и свинец – это металлы, известные человечеству еще в древности (наряду с Ag, Au, Cu, Hg и Fe), то металлический алюминий получен только в 19 веке. Впервые его выделил в 1825 году Эрнстед. Пропустив хлор через раскаленную смесь глинозема и угля, он синтезировал хлорид алюминия, из которого восстановил Al амальгамой калия; а затем полученную амальгаму алюминия разложил, отогнав ртуть нагреванием.

Этот способ был очень дорогим и вредным, да и продукт оказывался сильно загрязненным. Достаточно чистый и блестящий металл выделил Девиль в 1855 году, восстановив его натрием из смеси NaCl и хлорида алюминия, полученного сложным способом из глинозема. И этот метод был столь дорог, что Al ценился дороже золота.

Перелом в истории производства алюминия наступил в 1886 году, когда стали применять электролиз расплава смеси Al₂O₃ с гексафтороалюминатом натрия (Na₃ AlF₆). Последний назвали криолитом (от греческого слова «криос» – холод), т.к. при добавлении его к глинозему (в соотношении 12:1) температура плавления снижается с 2050°С до 960°С. Это резко удешевило синтез алюминия и открыло ему дорогу в технику. И сейчас он один из наиболее используемых металлов.

Аналогично Al получают и на современных предприятиях, но для повышения электропроводности расплава смеси глинозема и криолита добавляют еще CaF₂ и другие соли. Суть электролиза условно можно представить следующими процессами:

– диссоциация в расплаве:

,

– окисление кислорода аниона на угольном аноде:

,

– восстановление алюминия на катоде (дно электролитической ванны):

.

При этом затраты на 1 т Al: 2 т Al₂O₃, 40-60 кг криолита, 20-30 кг фторида кальция, 600 кг угля (чтобы наращивать анод, который выгорает под действием выделяющегося на нем кислорода) и 18 тыс. кВт-часов электроэнергии, т.е. производство достаточно дорогое. А выпускают ежегодно более десяти млн. тонн алюминия. Поэтому очень актуально использование вторсырья, что снижает затраты в 10 раз.

Особо подчеркнем, что получение Al из вторсырья экологически безопасно, в то время, как выделение его из бокситов связано с выбросами в атмосферу многих очень вредных веществ: HF, токсичного органического вещества бенз(а)пирена и др., которые необходимо улавливать. Например, HF можно связать, пропуская отходящие газы через щелочной раствор.

Отметим, что описанным выше способом получается т.н. технический алюминий, который содержит 0,3% примесей. А в сверхчистом Al, синтезированном с помощью дополнительных операций, примеси составляют лишь 10^-4%. И такой алюминий не тускнеет со временем (ибо оксидная пленка, образующаяся на нем, очень тонкая, но в то же время плотная и равномерная). Он идет, в частности, на изготовление зубных коронок, т.к. пластичен, а после добавления микроколичеств стронция становиться сверхтвердым материалом, при обработке которого «летят» токарные

резцы.

16. Углерод и кремний

6.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение

К p-элементам IV группы относятся углерод, кремний, германий, олово и свинец. Причем C – довольно распространенный элемент на Земле (0,14%), а кремний (16,7%) занимает второе место после кислорода. Аналогов кремния несопоставимо меньше (примерно по 10^-4%).

Атомы элементов данной группы в невозбужденном состоянии имеют электронную конфигурацию валентного слоя s²p²,а при возбуждении s¹p³. Как следствие, они образуют соединения в степенях окисления +2, +4 и –4. Но только углерод достаточно устойчив в ст.ок. –4, чтобы находиться в ней в природе – в виде углеводородов (поскольку лишь он имеет сравнительно высокое значение ЭО, равное 2,5, а у остальных – 1,9 и ниже).

Кроме того, С встречается на Земле и в виде простых веществ (в частности, в составе углей¹¹). Природные же соединения аналогов углерода –сложные вещества, например: SnO₂ (минерал касситерит) и PbS (т.н. свинцовый блеск).

Подчеркнем, что, хотя C и назван (в 1797 году) углеродом (углерождающим), но основные его природные запасы – не угли, а карбонаты (известняк, мрамор, мел и т.п.).

Кремний представлен на земле кислородными соединениями, которые составляют 58,3% земной коры. Это кремнеземы SiO₂ (песок, кварц¹², топаз, аметист),силикаты (асбест MgSiO₃, слюда, полевой шпат и другие. А также граниты, сиениты¹³, т.е. спрессованные природой смеси песка, слюды и полевого шпата. В качестве микроэлемента кремний находится также в человеческом организме и играет важную биологическую роль, причем чем старше человек, тем меньше в немSi.

Технический (т.е. сравнительно грязный) кремний в промышленности получают из природного оксида карботермически , как и его аналоги, но PbS предварительно обжигом переводят в PbO.