Выплавка алюминия

Метод электролитического получения алюминия был разработан независимо и практически одновременно в 1886 году американским химиком Чарльзом Мартином Холлом и французским инженером Полем Эру^[1][2]. Холл получил патент США 9 июля 1886 года, а Эру — французский патент 23 апреля 1886 года^[2].

Промышленное производство началось в 1888 году, когда была основана Pittsburgh Reduction Company (впоследствии Alcoa)^[1]. Первый коммерческий алюминий был получен в пилотном цехе на Смоллман-стрит в Питтсбурге^[1].

В России первая промышленная партия алюминия была получена 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом заводе. Эта дата считается днём рождения алюминиевой промышленности России^[3][4][5]. Для обеспечения завода электроэнергией в 1926 году была построена Волховская ГЭС, крупнейшая в Европе на тот момент^[3].

Основным сырьём для производства алюминия служат бокситы, содержащие 50—60 % глинозёма (Al₂O₃), а также примеси SiO₂ и Fe₂O₃^[6]. Производственная цепочка включает три основных этапа: добыча бокситов, переработка их в глинозём и электролиз глинозёма для получения чистого металла. Из 4—5 тонн бокситов получают 2 тонны глинозёма, из которых производят 1 тонну алюминия.

Производство алюминия связано со значительными выбросами парниковых газов из-за сгорания угольных анодов. В процессе электролиза выделяется углекислый газ и фтористые соединения, которые улавливаются системами газоочистки. Разрабатываются технологии с использованием инертных (нерасходуемых) анодов, при которых выделяется кислород, что позволяет снизить углеродный след производства^[8].

Алюминий и его сплавы широко используются в различных отраслях промышленности благодаря лёгкости, прочности и коррозионной стойкости. Основные потребители — авиастроение и автомобилестроение. Алюминий применяется в электротехнике для изготовления проводов, в строительстве для отделки зданий, а также в быту для производства кухонной посуды.

⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ

Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Выплавка алюминия» необходимо усвоить, что это промышленный процесс получения чистого алюминия из его руды — боксита (Al₂O₃·nH₂O, содержащего оксид алюминия Al₂O₃ и примеси Fe₂O₃, SiO₂ и др.), который проходит две основные стадии: сначала из боксита получают чистый глинозём (Al₂O₃) по способу Байера (обработка щёлочью с последующим осаждением), а затем проводят электролиз расплавленного криолита (Na₃AlF₆) с растворённым в нём Al₂O₃ при температуре ~950–1000°C в электролизёрах с угольными анодами и катодом. На катоде восстанавливается алюминий: ${\displaystyle \mathrm {Al^{3+}+3e^{-}\rightarrow Al^{0}} }$, который собирается на дне ванны в расплавленном виде и периодически откачивается, а на аноде окисляется кислородсодержащий ион с образованием CO₂ (анод сгорает): ${\displaystyle \mathrm {2O^{2-}-4e^{-}\rightarrow O_{2}} }$, ${\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\rightarrow CO_{2}} }$ или ${\displaystyle \mathrm {2C+O_{2}\rightarrow 2CO} }$, поэтому аноды приходится постоянно заменять.

Для ЕГЭ важно знать, что на 1 тонну алюминия расходуется около 2 тонн глинозёма, 0,5 тонны анодов (угля) и около 13–15 кВт·ч электроэнергии, поэтому алюминиевое производство всегда привязано к крупным ГЭС или мощным электростанциям (фактор энергоёмкости). Также помните, что анодные газы (CO₂, CO, фториды) требуют очистки, а расплавленный алюминий осаждается на дно из-за большей плотности по сравнению с электролитом. В заданиях части 2 вас могут попросить записать уравнения электродных реакций, объяснить роль криолита, рассчитать массу алюминия по законам Фарадея (${\displaystyle m={\frac {M}{n\cdot F}}\cdot I\cdot t}$) или указать причины высокой себестоимости и экологические проблемы (выбросы CO₂ и фтористого водорода). Систематизируйте через блок «сырьё (боксит) → очистка (глинозём) → электролиз (электроды, реакции) → роль криолита → энергозатраты и экология».