สาระน่ารู้ : กว่าจะเป็นอะลูมิเนียม(ตอนที่1)

ภาพวาดบนแจกันสมัยกรีกโบราณแสดงการเผาเหล็ก

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่น่าสนใจมากชนิดหนึ่ง หลายท่านคงไม่ทราบว่านี่เป็นโลหะที่มีมากที่สุดในชั้นเปลือกโลก และเป็นธาตุที่พบมากที่สุดในเปลือกโลกเป็นลำดับที่สามรองจากธาตุออกซิเจน และธาตุซิลิกอน โดยเปลือกโลกประกอบด้วยอะลูมิเนียมประมาณร้อยละ 8.13 ของน้ำหนัก

              เมื่อพูดถึงอะลูมิเนียม สิ่งแรกที่คนทั่วไปมักนึกถึงคือ โลหะที่มีน้ำหนักเบา (เพราะมีความหนาแน่นน้อย) ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่โลหะชนิดนี้ถูกนำมาประยุกต์ใช้งานหลายอย่างตั้งแต่สิ่งของที่ใช้ในชีวิตประจำวันจนถึงอากาศยานสุดไฮเทคชนิดต่างๆ แต่จากบันทึกเอกสารทางวิทยาศาสตร์พบว่า นักวิทยาศาสตร์เพิ่งสามารถหาวิธีแยกอะลูมิเนียมออกมาจากสินแร่ได้สำเร็จเมื่อร้อยกว่าปีก่อนหน้านี้เอง...!

ประวัติศาสตร์ของโลหะบางชนิด

              ระยะเวลาร้อยกว่าปีอาจเป็นเวลานานโขสำหรับประวัติการเกิด และการพัฒนาของสิ่งประดิษฐ์ชนิดหนึ่ง แต่หากนำมาเทียบกับประวัติศาสตร์การใช้โลหะอันยาวนานของมนุษย์แล้ว ช่วงเวลา 100 ปีนับว่าสั้นมาก

              มนุษย์รู้จักใช้โลหะหลายชนิดตั้งแต่เมื่อหลายพันปีก่อนแล้ว โลหะกลุ่มแรกๆ ที่มนุษย์รู้จักใช้ในอดีตเป็นกลุ่มโลหะที่พบเห็นได้ง่ายในชีวิตยุคปัจจุบัน เช่น

   
จากซ้ายไปขวาเซอร์ฮัมฟรีย์ เดวีย์,  ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด, ฟรีดริช โวเลอร์, อองรี แซงต์ แคลร์ เดอวีล

      ขณะที่อะลูมิเนียม ซึ่งมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์เพิ่งหาทางแยกออกมาเป็นโลหะสำเร็จเมื่อปี ค.ศ. 1825

ความพยายามแยกอะลูมิเนียม

              มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์จากสารประกอบอะลูมิเนียมตั้งแต่สมัยโบราณแล้ว โดยชาวกรีก-โรมันโบราณนำสารส้ม (alum) มาใช้เป็นสารช่วยย้อมเพื่อให้สีติดเนื้อผ้า และใช้เป็นสารช่วยสมานบาดแผล ส่วนชาวอียิปต์โบราณจะนำสารอะลูมินาซึ่งเป็นสารประกอบอีกชนิดของอะลูมิเนียมมาเป็นส่วนประกอบยา แต่หากจะกล่าวถึงการทดลองแยกอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ออกมานั้น พบว่าเริ่มมีการทดลองกันในปี ค.ศ. 1807 โดยเซอร์ฮัมฟรีย์ เดวีย์ (Sir Humphry Davy) นักเคมีชาวอังกฤษเป็นคนแรกที่พยายามทดลองแยกอะลูมิเนียมออกจากสารอะลูมินาด้วยวิธีการต่างๆ รวมถึงการแยกโดยใช้กระแสไฟฟ้า แต่การทดลองทั้งหมดของเขาไม่ประสบผลแต่อย่างใด แม้กระนั้นก็ตามเซอร์ฮัมฟรีย์ก็ยังมั่นใจมากว่า สารอะลูมินาจะต้องมีโลหะเป็นองค์ประกอบแน่นอน เขาจึงตั้งชื่อโลหะปริศนาตัวนี้ล่วงหน้าว่า อะลูมินัม (aluminum) ซึ่งในเวลาต่อมาเขาได้เปลี่ยนชื่อโลหะนี้เป็นอะลูมิเนียม (aluminium)

              จนถึงปี ค.ศ. 1825 นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อ ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) ก็สามารถแยกโลหะอะลูมิเนียมออกมาได้ โดยใช้วิธีให้ความร้อนแก่สารอะลูมิเนียมคลอไรด์ (aluminium chloride) รวมกับโพแทสเซียมอะมัลกัม (potassium amalgum) วิธีนี้แม้จะแยกอะลูมิเนียมออกมาได้ แต่ก็ยังไม่สามารถใช้แยกอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ได้

              ต่อมา ฟรีดริช โวเลอร์ (Friedrich Wohler) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันนำวิธีการของฮันส์มาพัฒนาต่อในช่วงปี ค.ศ.1827-1845 และทำให้ฟรีดริชเป็นบุคคลแรกที่สามารถแยกโลหะอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ออกมาได้สำเร็จ แต่วิธีแยกอะลูมิเนียมของฟรีดริชก็ไม่สามารถนำมาใช้ผลิตอะลูมิเนียมจริงในเชิงอุตสาหกรรมได้

              อองรี แซงต์ แคลร์ เดอวีล (Henri Sainte-Claire Deville) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสนำวิธีแยกอะลูมิเนียมของฟรีดริชมาพัฒนาต่อและประสบผลสำเร็จในปี ค.ศ. 1854 ทั้งนี้เขาเปลี่ยนจากการใช้โพแทสเซียมอะมัลกัมที่มีราคาแพงมาใช้เป็นสารโซเดียม (sodium) แทนและเปลี่ยนจากการใช้สารอะลูมิเนียมคลอไรด์เป็นสารโซเดียมอะลูมิเนียมคลอไรด์ (sodium aluminium chloride) ซึ่งวิธีการของอองรีถูกนำมาใช้ผลิตอะลูมิเนียมในเชิงพาณิชย์ แต่เนื่องจากต้นทุนของกระบวนการที่ใช้แยกมีราคาสูงมาก ทำให้ในยุคนั้นอะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีราคาแพงกว่าทองคำอีก

 
ชาร์ลส มาร์ติน ฮอลล์ และ ปอล ลุยส์ ตูส์แซนต์ แอรูลต์

   ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการพัฒนากระบวนการผลิตโลหะอะลูมิเนียมเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1866 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ 2 คนจาก 2 ทวีปคือ ชาร์ลส มาร์ติน ฮอลล์ (Charles Martin Hall) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันกับ ปอล ลุยส์ ตูส์แซนต์ แอรูลต์ (Paul Louis Toussaint Hèroult) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ทั้งคู่มีอายุ 22 ปีเท่ากัน ต่างทำงานโดยไม่ได้ข้องเกี่ยวกัน แต่ได้พัฒนาวิธีแยกอะลูมิเนียมที่เหมือนกันออกมาอย่างน่าประหลาด ซึ่งวิธีการแยกอะลูมิเนียมที่ทั้งคู่พัฒนาขึ้นมาคือ การนำสารอะลูมินามาละลายในสารไครโอไลต์ (cryolite, สารประกอบของโซเดียมอะลูมิเนียมฟลูออไรด์ (Na₃AlF₆)) หลอมเหลว และใช้กระแสไฟฟ้าในการแยกอะลูมิเนียมออกมา ดังนั้นกระบวนการแยกอะลูมิเนียมของทั้งคู่จึงถูกเรียกว่า "กระบวนการของฮอลล์-แอรูลต์" (Hall-Héroult process) การค้นพบกระบวนการแยกอะลูมิเนียมวิธีนี้เอง ทำให้ต้นทุนการผลิตอะลูมิเนียมถูกลงอย่างมโหฬาร อะลูมิเนียมจึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่างๆ มากขึ้น และกระบวนการของฮอลล์-เฮรูลต์ก็ยังคงถูกใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตอะลูมิเนียมอยู่จนถึงทุกวันนี้

หมายเหตุ : นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่นิยมใช้คำว่าอะลูมิเนียม ยกเว้นนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันที่นิยมใช้คำว่าอะลูมินัม

http://www.mtec.or.th

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

• http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium
• http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/PDF/Aluminum.pdf
• http://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_process
• http://www.madehow.com/Volume-1/Aluminum-Foil.html
• http://nautilus.fis.uc.pt/st2.5/scenes-e/elem/e01310.html