После открытия химического действия электрического тока (см. т. 1, глава 8, п. 8.8) многие ученые поспешили использовать это явление в сугубо практических целях. Электрохимическим путем впервые были получены щелочные металлы натрий и калий, а также ряд других активных металлов.

Вторая половина XIX столетия становится началом эры широкого применения новых металлов, в частности, алюминия. Как известно, алюминий — самый распространенный в природе металл, его содержание в земной коре намного выше, чем железа. Тем не менее, выделить алюминий в виде простого вещества не удалось ни ремесленникам Древнего мира, ни средневековым алхимикам[50]. Получить металлический Al смог только в 1825 г. датский физик X. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия со ртутью) хлорид алюминия AlCl₃, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути выделил серый порошок алюминия, загрязненного высоким содержанием примесей.

Однако до 1827 г., пока Ф. Велер (см. т. 1, глава 9, п. 9. 2) не выделил достаточно чистый образец алюминия электрохимическим путем, этот элемент даже не относили к металлам. Только через четверть века способ получения алюминия удалось немного модернизировать. В 1854 г. французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль предложил использовать для выделения алюминия металлический натрий и получил первые слитки нового металла из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl-AlCl₃. Стоимость Al была тогда чрезвычайно высока, и из него изготовляли ювелирные украшения. Например, из алюминия были сделаны такие «престижные» предметы, как головной убор статуи Джорджа Вашингтона и погремушка сына Наполеона III. Последний французский император прославился еще и тем, что на званых обедах его самые почетные гости пользовались алюминиевой столовой посудой, а менее почетные — золотой.

В 1885 г. на основе технологии, предложенной русским ученым Н.Н. Бекетовым, был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме. Технология Бекетова практически не отличалась от способа Сент-Клер Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом Na₃[AlF₆] и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 г. по 1890 г.

Поскольку для развития электрохимических производств было необходимо много дешевой электроэнергии, крупные предприятия возникли лишь после того, как в 1867 г. немецкий инженер Вернер Сименс создал динамо-машину^{545}. В 80-е гг. XIX столетия крупные электрохимические предприятия начали перерастать в самостоятельные отрасли индустрии. Наиболее важными технологическими процессами в те времена были электролиз растворов и расплавов щелочных металлов, а также получение перманганата калия.

В 1886 г. промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали Поль Эру (Франция) и Чарльз Холл (США). Главная идея разработанного метода заключалась в возможности растворения чрезвычайно тугоплавкого Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃[AlF₆].

Направление научных исследований Ч.М. Холла задал его преподаватель колледжа Ф.Ф. Джуэтт. Юный студент страстно увлекся идеей получить алюминий в свободном состоянии. Практически все вечера он просиживал в химической лаборатории. Продолжительные, но бесплодные эксперименты привели Холла к убеждению, что получить алюминий можно только электрохимическим путем.

^{Чарльз Мартин Холл (1863–1914)}

После окончания колледжа юный изобретатель оборудовал под лабораторию домашний сарай. Чарльзу помогала его сестра Джулия. Она сохранила все его записи и рабочие журналы. 23 февраля 1886 г.

Холл пришел к своему наставнику и предъявил ему десяток маленьких блестящих алюминиевых шариков. Позднее Ф.Ф. Джуэтт писал: «Моим главным открытием было открытие человека. В 1880 году я обратил внимание на мальчика лет шестнадцати…

Это был Чарльз М. Холл, который в возрасте 21 года открыл способ восстановления алюминия из руды и таким образом сделал алюминий тем замечательным металлом, которым теперь широко пользуются во всем мире…».

Через два месяца, 23 апреля 1886 г., француз Поль Эру запатентовал аналогичное изобретение, которое он сделал независимо от Холла. Поразительно и другое совпадение: оба ученых родились и умерли в один год.

^{Поль Луи Туссен Эру (1863–1914)} 

Метод Холла — Эру сделал алюминий настолько дешевым, что из него стали изготавливать даже кухонную посуду для самых широких слоев населения. В США производство алюминия по методу Холла было запущено в 1888 г. на заводах компании Alcoa. Годом позже получать Al в промышленных масштабах по технологии Эру стала швейцарская фирма Alkan. C тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники, производство алюминия успешно развивалось. Выплавка алюминия требует повышенного расхода электроэнергии, поэтому в больших масштабах она развернулась только в XX столетии. В 1884 г. во всем мире химическим путем было произведено всего 11 т Al, в 1913 г. — уже 66 700 т, а в 1928 г. — 240 000 т. В СССР первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 г. на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с гидроэлектростанцией. Металлургическая промышленность Советского Союза в 1939 г. производила 47 700 т алюминия, еще 2200 т импортировалось. Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 г. его общемировое производство, без учета СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 г. выросло до 1,9 млн. т. Динамика роста объемов мирового производства первичного алюминия в послевоенные годы отражена в таблице 8.1. 

Таблица 8.1

Мировое производство алюминия во второй половине XX столетия 

Годы … Масса произведенного алюминия

1956 г. … 3,4 млн. т

1965 г. … 5,4 млн. т

1980 г. … 15,2 млн. т

1990 г. … 18 млн. т 

В начале XXI в. лидерство в мировом производстве алюминия распределилось следующим образом (см. таблица 8.2). 

Таблица 8.2

Масса алюминия (млн. т), выплавленная ведущими производителями на мировом рынке

Наиболее ценными свойствами алюминия являются его малая плотность (он в три раза легче стали) и достаточно высокая электропроводность. Именно по этой причине основными потребителями алюминия выступают авиационная и электротехническая промышленность. На нужды авиастроения расходуется большая часть еще более легкого металла — магния. В 30-х годах XX столетия на практике были реализованы эффективные методы извлечения магния из его солей, растворенных в водах морей и океанов. Поэтому на сегодняшний день человечество располагает практически неисчерпаемыми запасами этого металла.

^{Тенденция увеличения мирового производства алюминия в XX столетии}

Электрохимические процессы способствовали не только развитию прикладной неорганической химии, но помогли внести важное дополнение в фундамент химической науки. Таким вкладом в основы химии явилось выделение фтора в свободном состоянии.

Соединения фтора были знакомы ремесленникам еще с глубокой древности. Наиболее известным считается флюорит, или плавиковый шпат CaF₂, который издревле использовали в металлургических процессах в качестве флюса для снижения температуры плавления. Это вещество впервые описал в своей знаменитой книге «О металлургии» Г. Агрикола(см. т. 1, глава 5, п. 5.3). Раствор, образующийся при воздействии на флюорит серной кислоты, содержит фтороводород HF. Уже в XVII в. его водный раствор применяли для вытравливания узоров на стеклянной посуде. Первой документально сохранившейся методикой получения плавиковой кислоты считают запись, оставленную в 1720 г. неизвестным английским мастером стекольного дела. В 1771 г. эту кислоту в чистом виде выделил К.В. Шееле (см. т. 1, глава 6, п. 6.6.2), а в 1810 г. ее состав предсказал французский ученый А.М. Ампер. Именно он предложил входящий в ее состав плавиковый радикал назвать фтором (от греч. «фторос» — гибель).

Выделить фтор в свободном состоянии было заветной мечтой многих поколений химиков. Одним из первых такую попытку предпринял Г. Дэви, однако проведенный им электролиз плавиковой кислоты не принес результатов. Химики, посвятившие себя вслед за Дэви проблеме выделения свободного фтора, получили тяжелые отравления, так и не достигнув желаемого. Многие из них даже не представляли себе, насколько велика окислительная активность этого газа.

Профессор Политехнической школы в Париже Эдмонд Фреми в 1854–1856 гг.; даже наблюдал, как образуются отдельные пузырьки фтора при электролизе расплавленного флюорита. Однако собрать выделяющийся газ в отдельном сосуде ему так и не удалось.

Французский химик Анри Муассан, приступая к работе по выделению свободного фтора, постарался извлечь все возможные уроки из ошибок своих предшественников.

^{Анри Муассан (1852–1907)}

^{Титульный лист работы А. Муассана «Фтор и его соединения». Париж, 1900 г.}

Во-первых, он понимал, что ему предстоит работать с чрезвычайно химически активным и ядовитым веществом. Поэтому он принял определенные меры предосторожности. Во-вторых, в своих исследованиях французский химик, по всей видимости, руководствовался Периодическим законом Д.И. Менделеева и понятием атомной аналогии. В своих экспериментах А. Муассан использовал U-образный платиновый электролизер, наполненный смесью безводной плавиковой кислоты и фторида калия. Французский химик догадывался, что фтор при обычных условиях является трудно сжижающимся газом, поэтому старался проводить процесс при низких температурах: он охлаждал экспериментальную установку до -25 °С. Выделявшийся на аноде фтор А. Муассан собирал в сильно охлажденной медной трубке. В 1886 г. долгие и опасные эксперименты французского ученого увенчались закономерным успехом: ему удалось собрать желто-зеленый газ, который был немного тяжелей воздуха и обладал поразительно высокой химической активностью. Годом позже А. Муассан смог получить фтор в жидком состоянии. Благодаря самоотверженному научному поиску нескольких поколений ученых был выделен в виде простого вещества самый активный химический элемент. Фтор, хлор, бром и иод закономерно разместились в главной подгруппе VII группы Периодической системы. Радиоактивный астат был получен только в 1940 г.