Чтобы получить легкие металлы в элементарном виде, химикам приходится работать с очень активными веществами и сильными соединениями. Это было невозможно до конца 1800-х годов благодаря новым технологиям в электрохимии и использованию электрического тока или щелочных металлов для восстановления веществ.
Производство алюминия, магния и др. легких металлов с помощью электролиза и высокотемпературного металлотермического восстановления основано на сходстве химического состава этих металлов. Это означает, что методы и технологии, используемые в этих процессах, очень похожи.
Легкие металлы, не говоря уже о щелочных и щелочно-земельных, имеют высокий отрицательный потенциал по отношению к водороду, что делает невозможным их выделение из водного раствора даже при больших плотностях тока, вызывающих, как известно, значительное перенапряжение выделения водорода. В этом случае водород представляет собой электроположительную примесь, что приводит к первичной потере по току металлов в ходе электролиза. Так как вода термодинамически не устойчива по отношению к легким металлам, то это вызывает их вторичные потери.
Попытки исключить воду из химической реакции вызвали электролиз солей легких металлов в органических растворителях. Этот метод не пригоден для крупномасштабного промышленного производства, но до сих пор используется в лабораториях.
Все методы электролитического производства легких металлов требуют плавления металла для получения жидкости, а затем использования электрического тока для разделения металла на его элементарные части.
Вот основные критерия для них:
- Чистота химических веществ, используемых в электролизе, высока по сравнению с более электроположительными веществами и водой.
- Стабильность соединений, используемых в качестве растворителей или корректирующих добавок, зависит от их электрохимических и термических свойств.
- Поддержание разряда ионов в расплаве важно для того, чтобы металл мог оставаться расплавленным.
- Низкая температура плавления электролита и высокая электропроводность при температуре процесса позволяют быстро и легко нагреть металл.
- Электролит имеет низкую летучесть, поэтому он не испаряется быстро. Вот почему он присутствует в батарее в более низкой концентрации, чем другие химические вещества.
- Низкая вязкость и плотный электролит батареи с расплавленной солью помогает разделять металл и электролит во время производственного процесса, в результате чего получается эффективная батарея.
- Электролит в аккумуляторе имеет низкую химическую активность, что означает, что он не вызывает такой сильной коррозии, как обычно.
Получение ряда легких металлов (Mg, Ca, Ba) металлотермическим способом удобно тем, что для облегчения процесса можно использовать вакуум. В качестве восстановителей используют Al, Si, Mg, первичные алюмосиликатные сплавы или ферросилиций. Эта технология упрощает производство легких металлов, таких как титан, цирконий, ниобий и т. д.
Углеродное восстановление Al, Mg и Be требует высоких температур и приводит к переходу значительной части металлов в газообразное состояние, что затрудняет их последующее выделение. В связи с этим восстановление Al и Be проводят в присутствии другого металла (с высокой температурой кипения), который образует соответствующие сплавы Al-Si, Cu-Be, Ni-Be. При этом снижается вероятность образования карбидов Al и Be, усложняющих процесс и ухудшающих его производительность.
В настоящее время углеродотермическое производство первичных алюминиево-кремниевых сплавов реализовано в промышленных масштабах и позволяет получать литейные алюминиевые сплавы (силумины) прямым восстановлением.