КРЫЛАТЫЙ МЕТАЛЛ

«СЕРЕБРО ИЗ ГЛИНЫ»

Люминий находится всюду. Он лежит у нас под но­гами. Этот химический элемент настолько распро­странён в природе, что составляет примерно около трети всех металлов, встречающихся в земной коре. Но не пы­тайтесь отыскать его в чистом виде. Алюминий химически очень активен и потому он «не терпит одиночества». Его можно встретить лишь в соединении с другими элемен­тами. И таких соединений очень много; известный совет­ский геолог академик А. Е. Ферсман насчитал около 250 различных минералов, содержащих в себе алюминий. Среди них — различные сорта глин; несколько похожая на глину алюминиевая руда — боксит; криолит, прозванный за своё сходство со льдом «ледяным камнем»; драгоцен­ные минералы — красный рубин и голубой сапфир.

Конечно, ни рубин, ни сапфир не могут служить сырьём для добычи алюминия. Для этой цели используют бок­ситы. Такая алюминиевая руда была обнаружена ещё в 1894 году на Северном Урале выдающимся русским учё­ным Е. С. Фёдоровым.

Собирая коллекцию уральских минералов, Е. С. Фёдо­ров забрёл далеко на север, в окрестности глухого посе­ления Турьи. Там, у отрогов Северного Урала, он нашёл огромные залежи коричневых камней, похожих на желез­ную руду. Это были бокситы, содержащие свыше 50% окиси алюминия.

В 1916 году большое месторождение бокситов было открыто под городом Тихвином (вблизи Ленинграда).

Но все эти алюминиевые руды стали разрабатываться только после Великой Октябрьской социалистической ре­волюции. Несмотря на то, что огромные залежи бокситов имелись в распоряжении человека, глиний, как называли прежде алюминий, извлекался первое время в очень небольших количествах из соединений, приготовленных искусственно. Техника не располагала промышленным способом добычи, несмотря на то, что она уже велико­лепно освоила получение железа, меди, свинца, цинка, серебра, золота.

Алюминия можно было добывать больше, чем железа, однако долгое время он считался редким элементом. Ещё в середине прошлого столетия парижские модницы прика­лывали к своим одеждам изящные безделушки из алюми­ния, называвшегося в то время «серебром из глины», но стоившим намного дороже серебра.

Первым естественным сырьём для получения глиния стал «ледяной камень» — криолит. Освоить производство алюминия из этого минерала позволили работы про­фессора Харьковского университета Н. Н. Бекетова. В 1865 году Бекетов предложил использовать для полу­чения алюминия химическую реакцию замещения. Как известно, так называют химическое взаимодействие, при котором одна часть сложного вещества, участвующего в реакции, замещается другой. Воздействуя на химиче­ское соединение каким-нибудь активным элементом, химик может вытеснить из этого соединения другой, нуж­ный ему. В данном случае из криолита вытеснялся алюминий. Его место занимал магний.

Работы Бекетова позволили существенно изменить спо­соб получения серебристого металла. Если прежде алю­миний удавалось извлекать только из специально приго­товленных химических соединений, то способ русского учё­ного позволял использовать уже природное сырьё.

Однако, как это было со многими русскими открытиями, способ Бекетова в условиях царского самодержавия не

Нашёл применения на своей родине. Царские чиновники не признали изобретения, неизвестного за границей. Но зарубежные промышленники оказались более предприим­чивыми. Узнав о работах Бекетова, они быстро наладили производство алюминия по методу русского учёного. В не­мецком городке Гмелингене и во Франции, в Руане, были построены специальные фабрики. Способ Бекетова исполь­зовался в Германии и во Франции около 10 лет. За это время было выплавлено более 58 тысяч килограммов серебра из глины — 25% всей мировой добычи алюминия за те годы.

Работы Бекетова были важным шагом в развитии алюминиевой промышленности. Но они не могли пол­ностью решить проблему получения этого металла. Рас­пространённый в Гренландии криолит почти не встречался в других странах и его приходилось везти издалека или приготовлять искусственно. Надо было найти способ полу­чения алюминия из распространённых отечественных руд. Но сделать это оказалось очень трудно.

Основная трудность заключалась в том, чтобы на­учиться отделять окись алюминия (соединение металла с кислородом), содержащуюся в различных минералах, от окислов других металлов.

Как уже говорилось, алюминий находится всюду. Но руда считается достаточно богатой и заслуживающей пе­реработки, если она содержит не менее 20% глинозёма — окиси алюминия. Одной из таких богатых руд являются бокситы, состоящие из окислов алюминия, кремния, же­леза и воды. По внешнему виду эта руда напоминает со­бой обычную глину, но отличается от неё тем, что, взаимо­действуя с водой, не даёт пластичной массы. Больше всего в бокситах окиси алюминия — глинозёма — и окиси железа.

Химик К. И. Байер, работавший в конце XIX века на заводах Петербурга и Елабуги (у реки Камы), занялся разделением этих «соседей». Ему удалось подыскать веще­ство, способное растворить в себе глинозём, содержа­щийся в бокситах, и в то же время не растворявшее окись железа. Этим веществом оказалась натриевая щёлочь[18]), разведённая в воде. Байер установил, что если вести про­цесс в плотно закрытых сосудах при повышенном давле­нии и с подогревом, то почти весь глинозём переходит из боксита в раствор, позволяя таким образом освободиться от окиси железа, а также и от окиси кремния.

Была решена и последующая задача освобождения глинозёма от щёлочи, в которой он растворялся. Чтобы понять, как это осуществляется, вспомним простой опыт.

Если разводить в горячей воде поваренную соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться, отделить нераст - ворившийся осадок и затем бросить в раствор несколько крупинок (кристаллов) соли, то они начнут быстро расти. Кристаллы, попавшие в насыщенный раствор, ускоряют выделение из него твёрдого вещества.

Таким же путём можно выделить из раствора щёлочи и глинозём.

Однако кристаллы, выпавшие из раствора — это ещё не чистый глинозём. К нему присоединились молекулы воды, поэтому, чтобы избавиться от влаги, кристаллы прокали­вают.

Так просто и остроумно разрешил Байер задачу выде­ления чистого глинозёма из бокситов. Вскрытие бокситов, то-есть получение из них чистого глинозёма, являлось од­ной из труднейших проблем, которую необходимо было ре­шить, чтобы научиться извлекать из природного сырья лёгкий металл.

Работы Байера как бы подготовили фундамент для здания молодой алюминиевой промышленности. Дальней­шее развитие её связано прежде всего с работами осново­положника электрометаллургии цветных металлов Павла Павловича Федотьева.

В то время, когда Федотьев приступил к своим иссле­дованиям, физикам были уже хорошо известны законы прохождения электрического тока через жидкости. Учёные знали, что если погрузить в раствор соли или кислоты электроды — металлические или угольные пластины,— со­единённые с источником тока, то между ними потечёт ток. Причина этого — вот в чём. Молекула любого вещества состоит из атомов, а каждый атом представляет собой электрическую систему — положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него отрицательные частицы — электроны. Достаточно атому потерять один из электро­нов, чтобы его электрическое равновесие нарушилось. Он будет иметь избыток положительного электричества. Та­кая же картина произойдёт и в том случае, когда атом, наоборот, приобретёт лишний электрон. Тогда он будет заряжен отрицательно. Атомы и группы атомов, несущие на себе электрический заряд (и положительный и отри­цательный), называются ионами[19]). Молекулы соли или кислоты в растворе и распадаются на ионы. Когда замы­кается цепь тока, подключённого к электродам, то ионы, содержащиеся в растворе, приходят в движение. Поло­жительные стремятся к отрицательно заряженной пла­стине — катоду, а отрицательные — к положительной пла­стине — аноду. Этот процесс называется электролизом, и

Если раствор состоит из солей металла, то при этом на катоде выделяются частицы чистого металла, входившего раньше в состав сложного вещества.

Именно электролиз и решил П. П. Федотьев поставить на службу алюминиевой промышленности. Было известно, что глинозём хорошо растворяется в расплавленном крио­лите. Такой криолито-глинозёмный расплав Федотьев и подвергал электролизу.

П. П. Федотьев глубоко и подробно изучил этот про­цесс: он описал, как проходит электролиз для криолито­глинозёмного расплава, установил растворимость глино­зёма в криолите, создал теорию переноса тока в распла­вленных солях.

Растворённый в расплавленном криолите глинозём распадается на ионы. Под действием тока отрицательно заряженные ионы кислорода уходят к аноду, отдавая ему лишние электроны и превращаясь в нейтральные атомы. На катоде положительные ионы алюминия превращаются в нейтральные атомы этого металла.

Работы Федотьева привели к тому, что алюминий из редкого металла стал одним из самых применяемых.

Электролиз криолито-глинозёмного раствора был более выгоден по сравнению со способом Бекетова, так как в каждой молекуле глинозёма содержится в 4 раза больше алюминия, чем в криолите; кроме того, глинозём, выделяющий на электродах основную массу металла, бо­лее дёшев, чем криолит (хотя для электролиза прихо­дится искусственно приготовлять и тот и другой).

П. П. Федотьев был учёным нового типа. Все теорети­ческие выводы он проверял на практике и, обогащённый опытом, смело исправлял теорию.

Работы русского учёного явились настоящим открове­нием для иностранных электрометаллургов. Зарубежные исследователи Теребези, Андрие и другие считали, что криолит в расплавленном состоянии представляет собой смесь солей, а не химическое соединение. Федотьев опро­верг эту точку зрения, и его выводы, выдержав ответст­венное испытание временем, теперь признаны всеми.

Особенно плодотворно работал учёный после Великой Октябрьской социалистической революции. В 1929 году он получил первые 8 килограммов советского алюминия.

Капитальный труд П. П. Федотьева «Электрометал­лургия», вышедший в 1921 и 1923 годах, и книга «Элек­тролиз в металлургии», опубликованная в 1933 и 1934 го­дах, являются до сих пор научными руководствами для инженеров всех стран.

Одновременно с П. П. Федотьевым изучением электро­лиза криолито-глинозёмных расплавов занималась группа русских исследователей во главе с профессором Петер­бургского электротехнического института Николаем Анто­новичем Путиным. Они поставили себе целью — добиться получения алюминия из отечественного сырья. Их совмест­ный труд, вышедший в 1914 году, так и был озаглавлен: «О получении алюминия из русских минералов». Вместо боксита, месторождение которого не было известно этим исследователям, они использовали уральский минерал — соймонит, содержащий в своём составе глинозём.

Подобно Федотьеву, Н. А. Пушин и его помощники проделали весь трудный путь, начиная от извлечения из соймонита окиси алюминия и кончая процессом электро­лиза в специально сконструированной ванне.

Далеко не все сорта бокситов, этих наиболее распро­странённых алюминиевых руд, одинаковы по содержа­нию глинозёма. Некоторые содержат его свыше 60%, но такие месторождения довольно редки. Обычно количество глинозёма в бокситах не превосходит 35—50%. Профессор А. Н. Кузнецов и Е. И. Жуковский в 1915 году разрабо­тали способ, позволяющий получать чистый глинозём не только из таких руд, но даже из простых глин, в которых глинозёма имеется всего лишь 20—30%. Запасы простых глин на земле огромны, поэтому метод Кузнецова—Жуков­ского имеет большое значение. Сущность способа чрез­вычайно проста. Боксит или глина, смешанная с окисью кальция и углём, расплавляется в электрической или доменной печи. Глинозём, содержащийся в глине, при этом соединяется с окисью кальция и всплывает в виде шлака над дышащей огнём массой. Обычно при производстве металла шлак представляет собой побоч­ный продукт. Здесь же именно он идёт в дальнейшую обработку. Получившееся в шлаке соединение глинозёма с окисью кальция легко растворяется в водном растворе соды, из которого осаждают водный глинозём. Разъедине­ние глинозёма и воды осуществляется тем же путём, что и в методе Байера.

Выдающимся русским химиком А. А. Яковкиным в 20-х и 30-х годах нашего столетия был разработан ещё один способ получения глинозёма из низкосортных бокситов. Этот способ носит название сухого щелочного способа и заключается в том, что боксит, смешанный с известняком и содой, подвергается нагреванию (спеканию) в больших цилиндрических вращающихся печах. Под влиянием высо­кой температуры глинозём боксита взаимодействует с со­дой, образуя в продуктах реакции химическое соедине­ние — алюминат натрия, хорошо растворимый в воде. Другие составные части спекшейся массы в воде не рас­творимы. Это даёт возможность отделить алюминий от примесей в виде раствора алюмината. Из раствора алю­мината выделяют затем кристаллы водного глинозёма, ко­торые после прокаливания (для удаления влаги) и идут для получения металлического алюминия. Способ, разра­ботанный А. А. Яковкиным, имел огромное значение для развития советской алюминиевой промышленности.