Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

резервуаров, цистерн, нефтеналивных судов, бензобаков самолетов. Когда по трубам течет топливо, на концах трубопроводов возникают весьма высокие разности потенциалов, из-за которых на нефтеналивных судах случаются грандиозные пожары. Заземление трубопроводов и приемных резервуаров, к сожалению, не устраняет опасности, а способствует еще большему разделению обкладок двойного электрического слоя. Приходится добавлять в горючее вещества, увеличивающие токи утечки. Есть еще потенциалы оседания — причина грозовых разрядов в атмосфере. Но их практическое значение едва ли существенно. В основном их не используют, а стараются от них уберечься.

Крылатый металл

На Парижской выставке 1855 г. алюминий демонстрировался как самый редкий металл. Он был тогда чуть ли не в десять раз дороже золота. Даже после того как французский химик Анри Девиль (1818—1881) разработал приемлемый химический способ получения довольно чистого алюминия, стоимость его оставалась довольно высокой. Достаточно сказать, что из алюминия была сделана и торжественно преподнесена сыну Наполеона III погремушка, и только очень богатые люди могли позволить себе есть из алюминиевых тарелок. В 1883 г. его выработка во всем мире не достигла и трех тонн.

Между тем химикам уже тогда было известно, что алюминий — третий по распространенности на земле элемент и самый распространенный металл: на его долю приходится более 8 процентов земной коры. Однако в природных соединениях — глиноземах (оксидах алюминия) он прочно связан с другими элементами, и по сравнению с железом или медью его извлечение из минералов потребует очень больших затрат энергии. В этом производстве без электроэнергии не обойтись.

Сто лет назад американский студент-химик Чарлз Мартин Холл (1863—1914), услышав от своего учителя, с какими трудностями сопряжено восстановление глиноземов и как, должно быть, разбогатеет и прославится тот, кто откроет дешевый способ получения алюминия, решил заняться этим. В дровяном сарае он оборудовал лабораторию самодельными и взятыми на прокат аппаратами и довольно скоро открыл, что глинозем можно растворить в расплавленном при 950 °С минерале криолите, а получив раствор оксида, можно путем электролиза выделить и сам алюминий. Удивительно, но в том же 1885 г. французский металлург Поль Эру (1863—1914), которому в то время было столько же лет, сколько и Холлу, разработал тот же метод получения алюминия. Помимо этих совпадений, судьбе было угодно отпустить создателям нового способа восстановления алюминия одинаковое количество лет жизни.

Метод Холла — Эру сделал возможным промышленное получение алюминия. Алюминий всем теперь известен, широко распространен и стоит сравнительно дешево. Трудом многих ученых, среди которых видное место занимает Павел Павлович Федотьев (1864—1934), разработавший 116

+~ 1 —Глинозем, растворенный в расплаве криолитаРасплав алюминия Схема электролизера для получения алюминия

теорию электролитического способа получения алюминия, была создана мощная индустрия. Сейчас годовое производство алюминия в мире превышает 12 миллионов тонн, и на него расходуется 1,5 процента всей электроэнергии, производимой в мире. Это самое грандиозное электрохимическое производство. По практическому применению алюминий занимает одно из первых мест среди металлов: в нем заинтересована авиационная промышленность, электротехника, большая и малая химия, производство товаров народного потребления.

Электролитическим способом из расплавов получают 70 процентов магния, большое количество калия, лития, кальция, бария, стронция, бериллия, марганца, а также тугоплавкие металлы: титан, вольфрам, молибден, ванадий, цирконий, тантал, ниобий. Эти металлы используются в авиации, космонавтике, атомной промышленности, химической индустрии, на транспорте, в электротехнике, медицине.

Из расплавов электролизом получают и лантаноиды (они применяются как присадки к сталям и чугунам, входят в состав лаков, красок, люминофоров, катализаторов) и актиноиды (многие актиноиды являются горючим для ядерных реакторов).

Вот какие последствия имел опыт Фарадея, когда он 18 февраля 1833 г. подверг электролизу расплав хлорида серебра и получил серебряный стержень.

Завершающей стадией любого металлургического процесса является извлечение металла из его растворимого или нерастворимого соединения путем электролитического рафинирования, или электроэкстракции.

В специальных высокотемпературных электролизерах загрязненный металл поляризуют анодно; он растворяется и в чистом виде осаждается на катоде. Электрическим рафинированием очищают медь, серебро, золото, свинец, олово, висмут, никель. Другие металлы — цинк, кадмий, кобальт — после извлечения их соединений из бедных руд и отделения от примесей выделяют в чистом виде на катоде электролизера с нерастворимым анодом. Более двух третей цинка добывается таким способом. Способ хорош еще и тем, что позволяет более полно перерабатывать бедные и полиметаллические руды и извлекать из них все полезное. Цинковый завод выпускает обычно не один цинк, но и кадмий, свинец, соли меди.

Интересно, кстати, что гальванические элементы находятся буквально под нашими ногами, демонстрируя повсеместную связь химических и электрических явлений. Электроды таких элементов — это минералы горных пород, обладающие электронной проводимостью; электролиты — водные растворы, обладающие ионной проводимостью. Роль таких природных гальванических элементов в геологических процессах весьма значительна. На сформированных в глубинах земли катодах могут концентрироваться металлы. Так в течение долгих геологических эпох идет формирование месторождений многих полезных ископаемых. Даже лед при контакте с водой в зависимости от условий заряжается либо положительно, либо отрицательно, и при этом возникает довольно высокая разность потенциалов. С этими электрическими градиентами связывают распределение золота в некоторых россыпях.

Электрохимические методы помогают искать полезные ископаемые. В горном массиве бурят скважины, в скважины погружают электроды. Анализ собственных потенциалов таких электродов в горной породе позволяет выявить присутствие того или иного ископаемого. Для более детального анализа применяется метод вызванной поляризации. Через электроды пропускают электрический ток, в массиве происходят электрохимические реакции. По кривым поляризации электродов судят о составе и богатстве месторождения. Такие методы значительно увеличивают эффективность геологоразведочных работ.

Об использовании большинства руд нельзя было бы и мечтать, если бы не были разработаны процессы обогащения полезных ископаемых, а обогащению помогает электрохимия. Через барабан с размолотым минералом пропускается ток высокого напряжения. Электропроводящие осколки проводят ток через себя и отскакивают от стенок барабана. Изоляторы, наоборот, захватывают заряды и прочно прилипают к стенкам барабана. Так происходит разделение некоторых руд. Присутствие электролитов еще более помогает обогащению. Именно так происходит сепарация алмазов. Растворы солей повышают электропроводность сопутствующих минералов — кварца и биотита. Если такую породу поместить на положительный электрод, то возникший у кварца и биотита отрицательный заряд нейтрализуется, и они, зарядившись положительно, отскакивают от электрода. Алмаз как диэлектрик, оставаясь электрически нейтральным, от электрода не отталкивается.

Электрохимическая обработка пульп особенно эффективна при обогащении минералов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Благодаря ей удается извлекать ценные компоненты из руд почти без остатка. Фрумкин доказал в свое время, что наибольшая адсорбция веществ на электроде бывает при определенном потенциале.