Cryolite

Meera Senthilingam

Den här veckan handlar det om fiktiva skurkar och krigsflygplan. Lars Öhrström förklarar den förening som kopplar samman de två:

Lars Öhrström

Populära fiktiva skurkar tillhör ofta ondskefulla organisationer med obskyra namn, och ett av de mer gåtfulla exemplen är Cryolite Corporation of Denmark, som dyker upp i Peter Høegs bästsäljande roman Fröken Smillas känsla för snö från 1992.

Hur som helst, förutom Høegs huvudperson Smilla Jaspersen, har icke-fiktiva hjältar också kopplingar till den mycket verkliga och viktiga kemikalien som heter kryolit, med formeln Na3AlF6. Till exempel Vernon Jones som landar sin fläckhuggna, bensinläckande Flying Fortress på en mosse i sydvästra Sverige 1943, och Henry Larsen, befälhavare på St Roch under en resa genom Nordvästpassagen 1940, vars verkliga syfte inte avslöjades förrän 50 år senare.

Kryolit, även känd som natriumhexafluoroaluminat, är en färglös förening som bildar kubliknande kristaller som består av aluminium 3+-kationer som binder sex fluorid F-anjoner, vilket bildar oktaeder som AlF63-, med mindre natrium+joner som balanserar laddningen.

Kanske har du rätt gissat att betydelsen av kryolit är relaterad till aluminium, och att kopplingen till andra världskriget har att göra med flygplanstillverkning. Men om du tror att kryolit är en viktig källa till aluminium, tänk om. Aluminiumhalten i kryolit är endast 13 procent, jämfört med cirka 50 procent i bauxit, den viktigaste källan till aluminium sedan den industriella produktionen inleddes i slutet av 1800-talet. Förutom den låga aluminiumhalten är kryolit extremt sällsynt, möjligen det enda mineral på jorden som någonsin har brutits till utrotning

Bauxit är å andra sidan relativt vanligt, men att locka ut metallen ur mineralen i industriell skala visade sig vara knepigt. Tre elektroner måste läggas till Al3+-jonerna för att göra dem neutrala och metalliska, och även om man tidigt insåg att det bästa sättet att göra detta var att låta en elektrisk ström passera genom en lösning av jonerna – det vi kallar elektrolys – tog det cirka 50 år av experiment innan man lyckades med detta.

Problemet är att man inte kan elektrolysera aluminium i vatten, eftersom elektronerna skulle kombinera sig med H+-joner och producera vätgas. Om vi kringgår problemet genom att smälta aluminiumoxid direkt, visar sig den mycket höga smältpunkten, 2072°C, vara oöverkomligt dyr. Det är här kryolit kommer in i bilden. År 1886 upptäckte både Charles Hall i Ohio, USA, och Paul Héroult i Normandie, Frankrike, att smält kryolit, med en måttlig smälttemperatur på endast 1012ºC, lätt löser upp aluminiumoxid. Därmed föddes Hall-Héroult-processen, som fortfarande används idag.

Namnet kryolit kommer från de grekiska orden för kyla, ”cryo”, och sten, ”lithos”, och detta för oss till polarhjälten Henry Larsens roll i denna historia. Aluminium började bli ett viktigt material för flygplanskonstruktion på 1930-talet, och Tysklands ockupation av Danmark 1940 gjorde britterna och deras allierade nervösa, eftersom kryolit endast fanns på ett ställe på jorden – Ivittuu-gruvan på södra Grönland. Under täckmantel av en resa genom Nordvästpassagen gav sig det enda kanadensiska regeringsfartyget som kunde navigera i de isiga grönländska vattnen, St. Roch under befäl av Henry Larsen från den kungliga kanadensiska bergspolisen, iväg från Vancouver för att kartlägga situationen, eftersom man var rädd för en tysk invasion.

I samband med USA:s inträde i kriget löstes kryolitfrågan genom att Grönland tillfälligt blev ett amerikanskt protektorat, och produktionen i Ivittuu-gruvan ökade avsevärt. Huruvida det någonsin fanns en verklig tysk plan att erövra kryolitgruvan, vilket antyds i Peter H?egs roman, vet jag inte, men det enda nedtecknade nazistiska försöket på Grönland var ett försök att etablera en väderstation med en blygsam invasionsstyrka på 17 personer som snart upptäcktes av den danska Hound Sledge Patrol.

Istället inrättade tyskarna en fabrik för att tillverka syntetisk kryolit intill aluminiumfabriken i Her?ya i södra Norge. Denna process var ganska ny på den tiden, men Nordische Aluminium såg aldrig någon fullskalig produktion eftersom den var målet för ett lyckat bombningsuppdrag. Det var inte bara fabrikerna som förstördes: av de 180 B17-flygplan som skickades ut på morgonen den 24 juli 1943 förlorades bara ett. Tack vare skicklig navigering och styrning av det skadade flygplanet Georgia Rebel landade dock förste pilot Jones och hans besättning säkert på neutral mark. Detta var den första av över 200 sådana nödlandningar av US Air Force i Sverige under andra världskriget.

Ivittuu-gruvan utplånades 1987 och i dag används endast syntetisk kryolit vid tillverkning av aluminium. Oftast framställs denna konstgjorda kryolit av kalciumfluorid, även känd som mineralen flusspat, natriumkarbonat och aluminiumhydroxid i en process i flera steg.

Man kan fråga sig om kemisterna hade varit smarta nog att framställa det ändå om man inte hade upptäckt denna gruva och det sällsynta mineralet, om man inte hade varit smarta nog att framställa det och utformat Hall-Héroult-processen, eller om det fortfarande skulle finnas aluminiumtallrikar och -bestick på franska statsmiddagar, precis som på Napols tid.på III när aluminium var värt mer än sin vikt i guld.

Meera Senthilingam

Oavsett om den är naturlig eller syntetisk har denna kalla sten av en förening visat sig vara användbar under hela kriget och fram till i dag. Det var Lars Öhrström från Chalmers tekniska h?gskola i Sverige. Nu, nästa vecka, en förening som kan betraktas som ett tveeggat svärd.

Brian Clegg

Explosiva ämnen är de dåliga pojkarnas användningsområden för salpetersyra, men en av dessa föreningar, nitrocellulosa, hade mycket mer konstruktiva användningsområden: den användes för att framställa det filmmaterial som användes vid inspelning av filmer fram till omkring 1950. Sådana gamla filmer måste hanteras ytterst försiktigt, eftersom den mjukgjorda föreningen lätt kan bli flammig.

Meera Senthilingam

Och du kan ta reda på vilken kemi som orsakar dessa flammor genom att följa med Brian Clegg i nästa veckas avsnitt av ”Chemistry in it’s element”. Till dess tackar vi er för att ni lyssnade. Jag heter Meera Senthilingam.