Cryolite

Meera Senthilingam

W tym tygodniu fikcyjni złoczyńcy i samoloty z czasów wojny. Lars Öhrström wyjaśnia związek łączący te dwa elementy:

Lars Öhrström

Popularni złoczyńcy fikcyjni często należą do złowrogich organizacji o niejasnych nazwach, a jednym z bardziej enigmatycznych przykładów jest Cryolite Corporation of Denmark, pojawiająca się w bestsellerowej powieści Petera Høega z 1992 roku Miss Smilla’s Feeling for Snow.

Jednakże, oprócz głównej bohaterki Høega, Smilli Jaspersen, niefikcyjni bohaterowie również mają powiązania z bardzo realną i ważną substancją chemiczną o nazwie kriolit, o wzorze Na3AlF6. Na przykład, Vernon Jones lądujący swoją uderzoną płatkami, przeciekającą benzyną Latającą Fortecą na bagnach w południowo-zachodniej Szwecji w 1943 roku, oraz Henry Larsen, dowódca statku St. Roch podczas rejsu przez Przejście Północno-Zachodnie w 1940 roku, którego prawdziwy cel został ujawniony dopiero 50 lat później.

Kriolit, znany również jako heksafluoroaluminian sodu, jest bezbarwnym związkiem tworzącym sześcienne kryształy składające się z kationów glinu 3+ wiążących sześć anionów fluorkowych F-, tworzących oktaedry jak AlF63-, z mniejszymi jonami sodu + dla zrównoważenia ładunku.

Prawdopodobnie poprawnie odgadłeś, że znaczenie kriolitu jest związane z aluminium, a związek z II wojną światową ma związek z produkcją samolotów. Ale jeśli myślisz, że kriolit jest ważnym źródłem aluminium, pomyśl jeszcze raz. Zawartość aluminium w kriolicie wynosi zaledwie 13 procent, w porównaniu z około 50 procentami w boksytach, głównym źródle aluminium od czasu rozpoczęcia produkcji przemysłowej pod koniec XIX wieku. Poza niską zawartością aluminium, kriolit jest niezwykle rzadki, być może jest to jedyny minerał na Ziemi, który nigdy nie został wydobyty aż do wyginięcia

Boksyt z drugiej strony jest stosunkowo powszechny, ale wywabienie metalu z minerału na skalę przemysłową okazało się trudne. Do jonów Al3+ należy dodać trzy elektrony, aby stały się neutralne i metaliczne, i chociaż wcześnie uznano, że sposobem na to jest przepuszczenie prądu elektrycznego przez roztwór jonów – co nazywamy elektrolizą – zajęło to około 50 lat eksperymentów, zanim udało się to osiągnąć.

Problem polega na tym, że nie można elektrolizować aluminium w wodzie, ponieważ elektrony połączyłyby się z jonami H+, wytwarzając wodór. Jeśli obejdziemy ten problem poprzez bezpośrednie topienie tlenku glinu, bardzo wysoka temperatura topnienia, 2072°C, okazuje się być zaporowo droga. W tym miejscu pojawia się kriolit. W 1886 r. Charles Hall w Ohio (USA) i Paul Héroult w Normandii (Francja) odkryli, że stopiony kriolit, o umiarkowanej temperaturze topnienia wynoszącej zaledwie 1012ºC, łatwo rozpuszcza tlenek glinu. W ten sposób narodził się proces Hall-Héroult, stosowany do dziś.

Nazwa kriolitu pochodzi od greckich słów oznaczających zimno, „cryo” i kamień, „lithos”, a to prowadzi nas do roli polarnego bohatera Henry’ego Larsena w tej historii. Aluminium zaczęło stawać się głównym materiałem do budowy samolotów w latach trzydziestych, a zajęcie Danii przez Niemcy w 1940 roku sprawiło, że Brytyjczycy i ich sojusznicy zaczęli się denerwować, ponieważ kriolit znajdował się tylko w jednym miejscu na ziemi – w kopalni Ivittuu w południowej Grenlandii. Roch pod dowództwem Henry’ego Larsena z Kanadyjskiej Królewskiej Policji Konnej (Royal Canadian Mounted Police) wyruszył z Vancouver, aby zbadać sytuację pod przykrywką podróży przez Przejście Północno-Zachodnie, ponieważ obawiano się niemieckiej inwazji.

Wraz z wejściem Stanów Zjednoczonych do wojny kwestia kriolitu została rozwiązana przez Grenlandię, która tymczasowo stała się protektoratem USA, a produkcja kopalni Ivittuu znacznie wzrosła. Nie wiem, czy kiedykolwiek istniał prawdziwy niemiecki plan zdobycia kopalni kriolitu, o którym wspomina powieść Petera H.ega, ale jedyną odnotowaną próbą zdobycia Grenlandii przez nazistów była próba założenia stacji meteorologicznej przy pomocy skromnych 17-osobowych sił inwazyjnych, które zostały wkrótce odkryte przez duński patrol Hound Sledge Patrol.

Zamiast tego Niemcy założyli fabrykę produkującą syntetyczny kriolit obok fabryki aluminium w Her’ya w południowej Norwegii. Proces ten był w owym czasie dość nowy, ale Nordische Aluminium nigdy nie doczekało się produkcji na pełną skalę, ponieważ stało się celem udanej misji bombowej. Nie tylko fabryki zostały zniszczone: ze 180 samolotów B17 wysłanych rankiem 24 lipca 1943 roku stracono tylko jeden. Jednak dzięki umiejętnej nawigacji i pilotowaniu uszkodzonego samolotu Georgia Rebel, 1. pilot Jones i jego załoga bezpiecznie wylądowali na neutralnym gruncie. Było to pierwsze z ponad 200 takich awaryjnych lądowań US Air Force w Szwecji podczas II wojny światowej.

Kopalnia Ivittuu została wyczerpana w 1987 roku i dziś do produkcji aluminium używa się tylko syntetycznego kriolitu. Najczęściej ten sztuczny kriolit otrzymuje się z fluorku wapnia, znanego również jako minerał fluoryt, węglanu sodu i wodorotlenku glinu, w wieloetapowym procesie.

Można się zastanawiać, czy gdyby ta kopalnia i rzadki minerał nie zostały odkryte, chemicy byliby na tyle sprytni, aby przygotować go tak czy inaczej i opracować proces Hall-Héroult, czy też na francuskich kolacjach państwowych nadal byłyby aluminiowe talerze i sztućce, tak jak w czasach Napola?na III, kiedy aluminium było warte więcej niż jego waga w złocie.

Meera Senthilingam

Czy to naturalne, czy syntetyczne, ten zimny kamień związku z pewnością okazał się przydatny przez całą wojnę i aż do dnia dzisiejszego. To był Lars Öhrström z Chalmers tekniska h?gskola w Szwecji. Teraz, za tydzień, związek, który można uznać za miecz obosieczny.

Brian Clegg

Materiały wybuchowe to złe zastosowania kwasu azotowego, ale jeden z tych związków, nitroceluloza, miał znacznie bardziej konstruktywne zastosowania: był używany do produkcji taśmy filmowej używanej do kręcenia filmów do około 1950 roku. Z takimi starymi filmami trzeba obchodzić się niezwykle ostrożnie, ponieważ uplastyczniony związek może łatwo stanąć w płomieniach.

Meera Senthilingam

I możesz dowiedzieć się, jaka chemia powoduje te płomienie, dołączając do Briana Clegga w przyszłotygodniowej Chemii w jej żywiole. Do tego czasu, dziękuję za słuchanie. Nazywam się Meera Senthilingam.