Kryoliitti

Meera Senthilingam

Tällä viikolla fiktiivisiä roistoja ja sota-ajan lentokoneita. Näitä kahta yhdistävän yhdisteen selittää Lars Öhrström:

Lars Öhrström

Populaaristen fiktiokirjojen konnat kuuluvat usein hämäräperäisiin järjestöihin, joilla on hämäräperäisiä nimiä, ja yksi arvoituksellisimmista esimerkeistä on tanskalainen Cryolite Corporation, joka esiintyy Peter Høegin vuonna 1992 ilmestyneessä bestseller-romaanissa Neiti Smillan lumituntemukset.

Høegin päähenkilön Smilla Jaspersenin lisäksi myös ei-fiktiivisillä sankareilla on kuitenkin yhteyksiä hyvin todelliseen ja tärkeään kemikaaliin nimeltä kryoliitti, jonka kaava on Na3AlF6. Esimerkkeinä mainittakoon Vernon Jones, joka laskeutui hiutaleisiin osuneella, bensiiniä vuotavalla Flying Fortressillaan Lounais-Ruotsin suolle vuonna 1943, ja Henry Larsen, St Roch -aluksen komentaja Luoteisväylän matkalla vuonna 1940, jonka todellinen tarkoitus paljastui vasta 50 vuotta myöhemmin.

Kryoliitti, joka tunnetaan myös nimellä natriumheksafluoroaluminaatti, on väritön yhdiste, joka muodostaa kuutiomaisia kiteitä, jotka koostuvat alumiinin 3+ -kationeista, jotka sitovat kuusi fluoridi F- -anionia muodostaen oktaedrisen kaltaisen AlF63-:n. Pienemmät natrium+ -ionit tasapainottavat varausta.

Olette ehkä arvanneet oikein, että kryoliitin merkitys liittyy alumiiniin ja että toisen maailmansodan yhteys liittyy lentokoneiden valmistukseen. Mutta jos luulet, että kryoliitti on tärkeä alumiinin lähde, mieti uudelleen. Kryoliitin alumiinipitoisuus on vain 13 prosenttia, kun taas bauksiitin alumiinipitoisuus on noin 50 prosenttia. Bauksiitti on tärkein alumiinin lähde siitä lähtien, kun teollinen tuotanto alkoi 1800-luvun lopulla. Alhaisen alumiinipitoisuuden lisäksi kryoliitti on äärimmäisen harvinainen, mahdollisesti ainoa mineraali maapallolla, jota on koskaan louhittu sukupuuttoon

Boksiitti sen sijaan on suhteellisen yleinen, mutta metallin houkutteleminen mineraalista teollisessa mittakaavassa osoittautui hankalaksi. Al3+-ioneihin on lisättävä kolme elektronia, jotta niistä tulisi neutraaleja ja metallisia, ja vaikka jo varhain tiedettiin, että tämä onnistuu johtamalla sähkövirta ioniliuoksen läpi – mitä kutsumme elektrolyysiksi – kesti noin 50 vuotta kokeiluja, ennen kuin tämä onnistui.

Ongelmana on, että alumiinia ei voi elektrolysoida vedessä, koska elektronit yhdistyisivät H+-ionien kanssa tuottaen vetykaasua. Jos kiertää ongelman sulattamalla alumiinioksidia suoraan, erittäin korkea sulamispiste, 2072 °C, osoittautuu kohtuuttoman kalliiksi. Tässä kohtaa tulee kyseeseen kryoliitti. Vuonna 1886 sekä Charles Hall Ohiossa Yhdysvalloissa että Paul Héroult Normandiassa Ranskassa havaitsivat, että sula kryoliitti, jonka sulamislämpötila on vain 1012 ºC, liuottaa helposti alumiinioksidia. Näin syntyi Hall-Héroult-prosessi, joka on edelleen käytössä.

Nimi kryoliitti juontaa juurensa kreikankielisistä sanoista, jotka tarkoittavat kylmää, ”kryo”, ja kiveä, ”lithos”, ja tästä pääsemmekin napasankari Henry Larsenin rooliin tässä tarinassa. Alumiinista alkoi tulla tärkeä materiaali lentokoneiden rakentamisessa 1930-luvulla, ja Tanskan miehitys Saksan toimesta vuonna 1940 sai britit ja niiden liittolaiset hermostumaan, sillä kryoliittia löytyi vain yhdestä ainoasta paikasta maapallolla – Ivittuun kaivoksesta Etelä-Grönlannissa. Ainoa Kanadan hallituksen alus, joka pystyi navigoimaan Grönlannin jäisillä vesillä, Kanadan kuninkaallisen ratsupoliisin Henry Larsenin komennossa oleva St Roch lähti Luoteisväylän matkan varjolla Vancouverista kartoittamaan tilannetta, sillä Saksan hyökkäystä pelättiin.

Yhdysvaltojen tultua sotaan kryoliittikysymys ratkaistiin siten, että Grönlannista tuli tilapäisesti USA:n protektoraatti, ja Ivittuun kaivoksen tuotanto lisääntyi huomattavasti. Sitä, oliko saksalaisilla koskaan ollut todellista suunnitelmaa kryoliitinkaivoksen valtaamiseksi, kuten Peter H?egin romaanissa vihjataan, en tiedä, mutta ainoa kirjattu natsien yritys hyökätä Grönlantiin oli 17 hengen vaatimattomalla maihinnousujoukolla toteutettu sääaseman perustamisyritys, jonka tanskalainen koiran kelkkailupartio löysi pian.

Sen sijaan saksalaiset perustivat synteettisen kryoliitin tuotantolaitoksen Etelä-Norjaan sijaitsevan alumiinitehtaan viereen Her?yaan. Tämä prosessi oli tuolloin melko uusi, mutta Nordische Aluminium ei koskaan nähnyt täysimittaista tuotantoa, koska se joutui onnistuneen pommituskohteen kohteeksi. Tehdas tuhoutui: 24. heinäkuuta 1943 aamulla lähetetyistä 180 B17-koneesta menetettiin vain yksi. Vaurioituneen lentokoneen taitava navigointi ja ohjaus Georgia Rebel laskeutti kuitenkin 1. lentäjä Jonesin ja hänen miehistönsä turvallisesti puolueettomalle maaperälle. Tämä oli ensimmäinen yli 200 vastaavasta Yhdysvaltain ilmavoimien hätälaskusta Ruotsiin toisen maailmansodan aikana.

Ivittuun kaivos tyhjennettiin vuonna 1987, ja nykyään alumiinin valmistuksessa käytetään vain synteettistä kryoliittia. Tavallisimmin tämä keinotekoinen kryoliitti saadaan kalsiumfluoridista, joka tunnetaan myös fluorisälvänä, natriumkarbonaatista ja alumiinihydroksidista monivaiheisessa prosessissa.

Voi miettiä, jos tätä kaivosta ja harvinaista mineraalia ei olisi löydetty, olisivatko kemistit olleet tarpeeksi nokkelia valmistamaan sitä joka tapauksessa ja keksimään Hall-Héroult’n prosessin, vai olisiko ranskalaisilla valtiollisilla aterioilla yhä alumiinisia lautasia ja ruokailuvälineitä, aivan kuten Napolin aikoina?III:lla, jolloin alumiini oli arvokkaampaa kuin sen paino kullassa.

Meera Senthilingam

Olipa se sitten luonnollista tai synteettistä, tämä yhdisteen kylmä kivi osoittautui varmasti hyödylliseksi koko sodan ajan ja aina nykypäivään asti. Se oli Lars Öhrström Chalmersin teknisestä korkeakoulusta Ruotsista. Nyt, ensi viikolla, yhdiste, jota voidaan pitää kaksiteräisenä miekkana.

Brian Clegg

Räjähdysaineet ovat typpihapon pahoja sovelluksia, mutta yhdellä näistä yhdisteistä, nitroselluloosalla, oli paljon rakentavampiakin käyttökohteita: siitä valmistettiin filmimateriaalia, jota käytettiin elokuvien kuvaamiseen noin vuoteen 1950 asti. Tällaisia vanhoja filmejä on käsiteltävä äärimmäisen varovasti, sillä pehmitetty yhdiste voi helposti leimahtaa liekkeihin.

Meera Senthilingam

Ja voit selvittää näitä liekkejä aiheuttavan kemian, kun seuraat Brian Cleggin ensi viikolla ilmestyvää Kemia elementissään -ohjelmaa. Siihen asti kiitos kuuntelemisesta. Olen Meera Senthilingam.