Nhôm từng quý hơn vàng: điện phân Hall – Héroult năm 1886

Nhôm từng quý ngang hoặc hơn vàng vào giữa thế kỷ 19 vì chưa ai biết cách tách nó khỏi ôxy với chi phí thấp: nhôm bám ôxy cực chặt, than không khử nổi, chỉ có thể dùng natri kim loại đắt đỏ. Năm 1886, Charles Martin Hall (Mỹ) và Paul Héroult (Pháp), độc lập với nhau, tìm ra cách điện phân alumin hoà tan trong criolit nóng chảy. Chỉ trong vài thập kỷ, nhôm từ món đồ trưng bày của hoàng gia trở thành vật liệu của nồi niêu, dây điện và máy bay.

Vì sao nhôm nhiều nhất trong vỏ Trái Đất mà lại khó lấy ra đến vậy?

Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 8% khối lượng — nhiều hơn cả sắt. Nó có trong đất sét, trong đá granit, trong đất đỏ. Nhưng nhôm không bao giờ tồn tại ở dạng kim loại trong tự nhiên; nó luôn gắn với ôxy, và gắn rất chặt.

Với sắt hay đồng, chỉ cần nung quặng với than: cacbon giành lấy ôxy, để lại kim loại. Với nhôm, cacbon không đủ sức — ở nhiệt độ lò thông thường, nhôm giữ ôxy chặt hơn cacbon. Muốn giật ôxy ra khỏi nhôm, phải dùng thứ còn "ham" ôxy hơn nữa, hoặc dùng dòng điện.

Thêm một trở ngại: alumin (nhôm ôxit, Al₂O₃) chảy ở khoảng 2.072 °C, quá cao để nấu chảy rồi điện phân trực tiếp một cách kinh tế. Trong khi đó chính nhôm kim loại lại chảy ở chỉ khoảng 660 °C.

Nhôm được tách ra lần đầu như thế nào?

Phương pháp Deville cho ra nhôm thật, nhưng ít và rất đắt vì natri kim loại cũng khó làm. Nhôm thời này được trưng bày tại Triển lãm Thế giới Paris năm 1855 bên cạnh đồ trang sức. Có một chuyện kể quen thuộc: Hoàng đế Napoléon III dùng bộ dao nĩa bằng nhôm cho những vị khách quý nhất, còn khách thường dùng dao nĩa vàng. Chuyện này được nhắc rất nhiều, nhưng chi tiết khó kiểm chứng — nên đọc như giai thoại cho thấy nhôm khi ấy hiếm thế nào.

Vì sao đỉnh tượng đài Washington lại bằng nhôm?

Năm 1884, khi hoàn thành tượng đài Washington ở thủ đô nước Mỹ, người ta gắn lên đỉnh một khối chóp nhỏ bằng nhôm, nặng khoảng 2,8 kg (100 ounce). Lúc đó, đây là một trong những khối nhôm đúc lớn nhất từng được làm. Nhôm được chọn vì sáng, không gỉ, dẫn điện tốt để làm đầu thu sét — và vì nó quý.

Trước khi lắp, khối chóp được trưng bày ở New York, và có người đã bước qua nó để sau này kể rằng mình "từng bước qua đỉnh tượng đài Washington". Chỉ vài năm sau, phát minh năm 1886 khiến nhôm rẻ đi nhanh chóng; khối chóp ấy mất dần vẻ "quý hiếm" nhưng vẫn ở trên đỉnh tượng đài tới nay.

Hall và Héroult đã tìm ra điều gì vào năm 1886?

Ý tưởng then chốt là dùng criolit (natri nhôm florua, Na₃AlF₆) làm dung môi. Criolit nóng chảy ở khoảng 1.000 °C, và khi đã lỏng, nó hoà tan được alumin. Hỗn hợp này dẫn điện. Cho dòng điện một chiều chạy qua:

• Nhôm kim loại được giải phóng ở cực âm (đáy bể), chảy thành lớp lỏng vì nhiệt độ bể cao hơn nhiều so với điểm chảy 660 °C của nhôm.
• Ôxy kết hợp với cực dương bằng cacbon thành CO₂; cực dương bị "ăn" dần và phải thay định kỳ.
• Nhôm lỏng nặng hơn dung dịch criolit nên nằm dưới đáy, được hút ra định kỳ.

Bể điện phân hiện đại chạy ở khoảng 950–970 °C — thấp hơn điểm chảy của alumin hơn một nghìn độ. Đó là toàn bộ bí quyết: không nấu chảy alumin, mà hoà tan nó.

Hai nhà phát minh cùng tuổi

Hall và Héroult đều sinh năm 1863 và đều mất năm 1914. Hall làm thí nghiệm trong nhà kho sau nhà ở Oberlin (bang Ohio) và thành công tháng 2 năm 1886, khi mới 22 tuổi. Héroult ở Pháp nộp đơn sáng chế tháng 4 cùng năm. Hai người không biết về nhau. Sau một thời gian tranh chấp, mỗi người giữ quyền sáng chế ở nước mình, và phương pháp mang tên cả hai: Hall – Héroult.

Quy trình Bayer làm gì trong chuỗi sản xuất nhôm?

Điện phân cần alumin sạch. Nhưng quặng nhôm chính, bô-xít, là đất đá chứa nhôm hyđrôxit lẫn sắt ôxit, silic, titan. Năm 1888, nhà hoá học người Áo Carl Josef Bayer, khi làm việc ở Nga, tìm ra cách tách alumin tinh khiết:

1. Nghiền bô-xít, hoà với dung dịch xút nóng dưới áp suất. Nhôm tan vào dung dịch.
2. Lọc bỏ phần không tan — chủ yếu ôxit sắt, gọi là bùn đỏ.
3. Làm nguội dung dịch, cho mầm tinh thể vào để nhôm hyđrôxit kết tủa.
4. Nung kết tủa ở trên 1.000 °C thành bột alumin trắng.

Hai quy trình Bayer và Hall – Héroult, cùng ra đời trong vòng hai năm, đến nay vẫn là con đường chính làm ra gần như toàn bộ nhôm nguyên sinh trên thế giới. Thông thường cần khoảng 4–5 tấn bô-xít để ra khoảng 2 tấn alumin, rồi ra khoảng 1 tấn nhôm (con số thay đổi theo chất lượng quặng). Bùn đỏ là bài toán môi trường lớn của ngành; ở Việt Nam, chuyện này gắn với các nhà máy alumin ở Lâm Đồng, được bàn ở danh mục Mỏ & luyện kim Việt Nam.

Vì sao luyện nhôm tốn điện đến thế?

Tách nhôm khỏi ôxy cần rất nhiều năng lượng, và trong quy trình Hall – Héroult, phần năng lượng đó đến từ dòng điện. Một tấn nhôm nguyên sinh hiện nay cần khoảng 13–15 nghìn kWh điện, tuỳ công nghệ bể — đủ cho một hộ gia đình bình thường dùng trong nhiều năm.

Hệ quả là nhà máy luyện nhôm thường đặt gần nguồn điện lớn và ổn định: thuỷ điện ở Na Uy, Iceland, Canada; điện than ở nhiều nơi khác. Ngành nhôm thế kỷ 20 lớn lên cùng các đập thuỷ điện. Cũng vì thế, nấu lại nhôm phế liệu tiết kiệm được phần lớn năng lượng so với làm nhôm từ quặng (thường được dẫn khoảng 95%) — lý do lon nhôm là thứ đáng tái chế bậc nhất, chuyện được bàn ở danh mục Tái chế kim loại.

Từ "kim loại hoàng gia" thành vật liệu đại chúng: nhìn lại hôm nay

Trong khoảng hai mươi năm sau 1886, nhôm rẻ đi hàng chục lần. Nó lần lượt vào nồi niêu, rồi dây điện (nhẹ hơn đồng nhiều), rồi khung máy bay từ đầu thế kỷ 20 nhờ các hợp kim nhôm được hoá bền. Hôm nay, nhôm có mặt từ vỏ lon, khung cửa, mâm xe tới cáp điện cao thế.

Những điều có thể làm tiếp:

• Xem khối chóp nhôm trên tượng đài Washington qua ảnh tư liệu của Cơ quan Công viên Quốc gia Mỹ — nó vẫn đứng đó, nhỏ hơn nhiều so với tưởng tượng.
• Đọc lại bài Nhôm trong sách giáo khoa Hoá học 12, phần điện phân nóng chảy — giờ sẽ thấy vì sao phải thêm criolit.
• Để ý mọi đồ nhôm quanh nhà: mỗi món đều từng đi qua một bể điện phân gần 1.000 °C.

Lưu ý an toàn: bể điện phân nhôm là môi trường của muối florua nóng chảy, dòng điện cực lớn và khí độc — không có phiên bản "làm thử" nào an toàn ngoài nhà máy.