Lockheed Lounge por Marc Newson
Agora onipresente e vital para a vida moderna, o alumínio foi uma vez mais caro do que o ouro, preso em seu minério sem um método comercialmente viável para liberá-lo.
Em meados do século XIX, o alumínio era mais valioso que o ouro. Os convidados mais importantes de Napoleão III recebiam talheres de alumínio, enquanto os menos dignos jantavam com mera prata; mulheres elegantes e ricas usavam jóias feitas de alumínio. Hoje, o alumínio é um componente essencial da vida moderna, encontrado em aviões, automóveis, latas de refrigerantes, materiais de construção, equipamentos de cozinha, grades de proteção e inúmeros outros produtos. A diferença entre a escassez e a abundância (e entre a obscuridade e a onipresença) desse metal dependia unicamente da capacidade dos cientistas de encontrar um meio de liberá-lo de seu minério – o terceiro elemento mais comum na crosta terrestre estava peso.
A história mais familiar da primeira extração de alumínio é que o jovem de Ohio Charles Martin Hall desenvolveu o processo de extração eletrolítica de alumínio no galpão de sua família em 1886, patenteou a invenção, ajudou a fundar a empresa que mais tarde se tornaria a Alcoa e morreu rico. Uma versão mais complicada revela que Paul Héroult desenvolveu um processo semelhante na França ao mesmo tempo. Na realidade, Héroult e Hall participaram de um programa muito maior de pesquisa com alumínio que começou na década de 1850 e durou até 1903, quando a última grande disputa de patentes foi resolvida. A essa altura, a Alcoa era a líder mundial indiscutível na produção de alumínio, e o próprio Hall era multimilionário. Mas nem Hall nem Héroult operavam em um vácuo – a descoberta quase simultânea de um processo de extração de alumínio baseado em várias décadas de eletroquímica e, na verdade, séculos de conhecimento sobre a natureza dos metais.
História antiga
Embora o metal de alumínio seja uma descoberta recente, seus compostos eram bastante comuns em vários setores ao longo da história. Alum (sulfato de potássio de alumínio, KAl (SO4)2), era mais conhecido como fixador de corante (ou mordente) desenvolvido pela primeira vez no Egito há mais de 5 mil anos, e argilas contendo silicatos de alumínio parecem ter sido favorecidas por ceramistas persas contemporâneos pela sua resistência. O sulfato de alumínio anidro (Al2(SO 4)3) foi usado pelos antigos gregos como um adstringente para estancar feridas – um uso que continua até hoje em lápis anti-hemorrágicos.
A eletrólise, um processo central para a história moderna do alumínio, tem suas raízes no início do século XIX. Em 1800, o italiano Alessandro Volta inventou a pilha, que fornecia a fonte de energia armazenada que os ingleses pioneiros William Nicholson e Anthony Carlisle usavam para quebrar um composto (água) em seus elementos constitutivos através de um processo conhecido como eletrólise. Definindo geralmente, o processo envolve a aplicação de eletrodos ligados a um líquido contendo o composto a ser eletrolisado. O eletrodo negativo na eletrólise, o cátodo, naturalmente atrai íons positivos, que absorvem elétrons; o eletrodo positivo, o ânodo, atrai íons carregados negativamente. Quando a água é submetida à eletrólise, o gás hidrogênio é produzido no cátodo e o oxigênio é liberado no ânodo.
O extraordinário químico da Cornualha, Humphry Davy, também iniciou experimentos em eletrólise em 1800. Ele lutou para isolar metais, colocando uma corrente através de soluções de seus sais alcalinos, o que fez nada mais do que hidrogênio livre. Mas ele encontrou resultados muito melhores quando começou a eletrolisar compostos derretidos, primeiro isolando o potássio da potassa e do sódio do sal de mesa em 1807. No ano seguinte, Davy usou eletrólise para produzir cálcio elementar, estrôncio, bário e magnésio, antes de concluir sua notável seqüência de sucesso com a identificação e nomeação do alumínio. Na verdade, ele não isolou o alumínio; em vez disso, como Norman C. Craig, professor emérito de química do Oberlin College, explica: “Davy havia aprendido o suficiente sobre compostos de outros metais para concluir a partir da composição de compostos de alumínio que eles continham um novo metal, alumínio”. Ele chamou pela primeira vez o metal alumium, embora tenha evoluído para o aluminium[alumínio] na maioria dos países de língua inglesa e para o aluminum nos Estados Unidos. Um dos primeiros grandes gênios da química, Davy foi nomeado cavaleiro e recebeu um baronato em 1812 e se tornou presidente da Royal Society em 1820. (A sociedade concede anualmente uma “Medalha Davy” em sua homenagem desde 1877.) No entanto, suas repetidas tentativas de isolar o metal de alumínio não tiveram sucesso antes de sua morte, em 1829.
A honra de produzir primeiro alumínio elementar foi para Hans Christian Ørsted, professor da Universidade de Copenhague, que em 1825 produziu uma pequena quantidade de metal aquecendo rapidamente o cloreto de alumínio (AlCl3) com amálgama de potássio (uma liga de potássio e mercúrio) e depois destilando o mercúrio. Infelizmente, o processo de Ørsted produziu muito pouco alumínio para executar até mesmo a análise mais básica, e seu experimento foi difícil de reproduzir. O químico alemão Friedrich Wöhler tentou novamente em 1827, um ano antes de ser pioneiro no campo da química orgânica, sintetizando a ureia. Enquanto o seu experimento de alumínio não produziu o pedaço de metal que ele desejava, ele obteve um pó de alumínio impuro depois de substituir o potássio metálico pelo amálgama de potássio de Ørsted. E aí o assunto ficou em suspenso até 1845, quando Wöhler produziu “pó metálico cinza”… [com] pequenos glóbulos brancos-estanhados [de alumínio], alguns tão grandes quanto cabeças de alfinetes, ”aquecendo potássio e cloreto de alumínio juntos em um sistema fechado, excluindo assim a umidade que pertencia ao alumínio em hidróxido de alumínio (Al(OH)3).
Para eletrólise e vice-versa
Em meados da década de 1850, a tecnologia das baterias melhorou em termos de produção e confiabilidade, a ponto de possibilitar a primeira produção eletrolítica de alumínio. Ajudada por esse avanço, e prenunciando a descoberta conjunta e simultânea de Hall e Héroult, 32 anos depois, a primeira eletrólise do alumínio também foi desenvolvida independentemente por duas partes.
O primeiro pesquisador que afirmava produzir alumínio elementar por eletrólise foi o alemão Robert Wilhelm von Bunsen, que coincidentemente ocupara o lugar de Wöhler como professor de química na Escola Superior Politécnica de Kassel, em 1836. Um homem de interesses amplos, Bunsen tornou-se famoso por desenvolver o espectroscópio e pelo uso de hidrato de óxido de ferro como um antídoto para o envenenamento por arsênio. (Curiosamente, ele não inventou o queimador que leva seu nome; esse foi o trabalho de seu assistente, Peter Desaga, que aprimorou um projeto de Michael Faraday.) Em 1841, Bunsen aprimorou o projeto de uma bateria de 1839 por William Robert Grove, que alguns anos depois também produziu a primeira célula a combustível de oxigênio-hidrogênio. Bunsen reduziu o custo da bateria de Grove substituindo o cátodo de platina por um de carbono mais econômico dentro da própria bateria. Com essas baterias ele começou a experimentar eletrólise, produzindo cromo puro, magnésio, manganês, sódio, bário, cálcio e lítio, além de quantidades muito pequenas do que ele acreditava ser alumínio em 1854. Mas ele então passou para outras áreas de interesse, publicando seu importante artigo sobre espectroscopia de emissão em 1860.
A segunda pessoa a reduzir experimentalmente os íons de alumínio ao metal por eletrólise foi o francês Henri Sainte-Claire Deville, nascido em Antilhas, que apresentou suas descobertas sobre a produção eletrolítica à Academia Francesa de Ciências em 1854, uma semana depois que Bunsen publicou seus resultados. Seu trabalho atraiu a atenção de Napoleão III, então intitulado “Imperador dos franceses”, que estava interessado no metal como uma fonte de armadura militar. Com o mandato de Napoleão III, Deville rapidamente percebeu que o custo do zinco para ânodos nas células de Bunsen que ele usava era muito alto para produzir eficientemente alumínio por eletrólise. Em vez disso, ele reduziu o custo retornando a métodos químicos, substituindo o potássio de Wöhler por sódio – isto é, AlCl3 + 3Na → Al + 3NaCl. Através deste processo, ele foi capaz de obter alumínio suficiente para produzir pedaços do tamanho de bolas de gude. Em 1855, ele exibiu um lingote de alumínio comparativamente puro na Feira Mundial de Paris, com grande interesse popular. De forma que o processo Deville foi considerado “bom o suficiente”, a maioria dos cientistas montou experimentos sobre a produção eletrolítica de alumínio.
Deville fez bom uso do dinheiro de Napoleão III nos anos seguintes, fundando uma fábrica de produção de alumínio em Paris em 1856, antes de transferi-la para Nanterre em 1857. Em 1858, ele patenteou um método para tornar mais econômica a extração de alumina (Al2O3) de bauxita mineral. Esses esforços introduziram o alumínio ao mundo, baixando seu preço a um nível que permitia às pessoas comuns comprar jóias de alumínio. (O preço de 1859 por meio quilo de alumínio estava em torno de US$ 17, quase o mesmo que a prata.) Seu livro de 1859, De l’Aluminium, ses Propriétés, sa Fabrication et ses Applications (Sobre o alumínio, suas propriedades, sua produção e suas aplicações), foi o primeiro a descrever o metal completamente, provocando a pesquisa que levaria às famosas descobertas de Hall e Héroult.
O alumínio permaneceu em grande parte uma curiosidade pelos próximos 20 anos, em parte porque o metal produzido pelo processo Deville era notoriamente difícil de se trabalhar. A amostra típica era apenas cerca de 97% pura, com pelo menos 1% de ferro e silício introduzidos por impurezas no aparelho e nos materiais de partida. Com baixa demanda, havia pouca razão econômica para construir usinas de alumínio. A produção mundial em 1869 foi de apenas cerca de 2 toneladas. Quinze anos depois, quando uma ponta de alumínio de 6 quilos foi colocada no Monumento a Washington, a produção mundial aumentou para apenas 3,6 toneladas – em comparação com as 2.834 toneladas de prata produzidas naquele ano. Apenas 112 quillos de alumínio foram produzidos nos Estados Unidos, praticamente todos por um imigrante da Filadélfia chamado William Frishmuth, que estudou com Wöhler na Alemanha. A maior parte do restante veio da França, Alemanha e Inglaterra.
Um grande obstáculo para alcançar uma produção de alumínio de custo mais baixo foi a falta de uma boa fonte de energia. Mesmo que alguém desenvolvesse uma reação eletroquímica vantajosa, ela precisava ser suficientemente forte, sustentável e econômica. O crescimento de dínamos elétricos confiáveis e comerciais no último terço do século XIX significou que a energia elétrica confiável estaria disponível onde quer que a energia mecânica existisse, e voltou a atenção para as possibilidades de um processo eletrolítico econômico para o alumínio. As melhorias demonstradas por Zénobe Gramme em 1871 aumentaram a voltagem do dínamo e tornaram a corrente mais consistente e previsível.
Este foi o mundo em que Charles Hall entrou em seu segundo ano no Oberlin College e o francês Paul Louis-Toussaint Héroult começou a escola preparatória antes de ingressar na faculdade de mineração. Ambos tinham 18 anos em 1881. Embora eles compartilhassem a mesma ideia, os dois não poderiam ter sido mais diferentes.
Charles Martin Hall
Charles Martin Hall nasceu em 6 de dezembro de 1863, em Thompson, Ohio, onde seu pai era um ministro da Congregação. Quando ele tinha nove anos, eles se mudaram 120 quilômetros para Oberlin, Ohio, uma cidade conhecida por sua faculdade, conservatório de música e status como um terminal da Underground Railroad. Sua mãe e seu pai se formaram no Oberlin College, e ele e seus seis irmãos também se formaram.
Hall havia tido um interesse precoce em química, passando sua adolescência experimentando minerais e produtos químicos na casa de sua família e, eventualmente, indo para a faculdade para continuar seus estudos. Seu professor de química era Frank Jewett, que, como estudante na Alemanha no início da década de 1870, havia se interessado pelo alumínio a partir de discussões com Friedrich Wöhler. Diz a lenda que Jewett, que foi nomeada professora de química e mineralogia em Oberlin em 1880, passou um pedaço de alumínio pela sala de aula, afirmando que “qualquer pessoa que descubra um processo pelo qual o alumínio possa ser feito em escala comercial irá abençoar humanidade e fazer uma fortuna para si mesmo. ” Hall, que já tinha interesse em alumínio antes de entrar na faculdade, supostamente disse a um colega de classe: “Eu vou conseguir esse metal”.
Hall cumpriu essa promessa logo depois de se formar, trabalhando parcialmente no laboratório da faculdade de Jewett e em parte no barracão de sua família. Como muitos cientistas do século XIX, ele fabricou grande parte de seu próprio equipamento e sintetizou alguns de seus próprios produtos químicos. Quando suas primeiras tentativas de criar um processo químico melhorado para extrair alumínio falharam, Hall precisou usar numerosas baterias de Bunsen com cátodos de carbono para efetuar a eletrólise. Mas primeiro ele teve que encontrar materiais de partida apropriados.
Para uma fonte de alumínio, ele precipitou alumina misturando a produtos de uso doméstico comum como alúmen com carbonato de sódio (carbonato de sódio, Na2CO3) e secando os resultados filtrados. Encontrar um solvente que liquefaria a mistura e a tornasse mais receptiva à eletrólise revelou-se um pouco mais difícil. Hall tentou usar flúor (fluoreto de cálcio), fluoreto de potássio, fluoreto de sódio, fluoreto de magnésio e fluoreto de alumínio, tudo sem sucesso. Então, em 9 de fevereiro de 1886, Hall descobriu que criolita (hexafluoroaluminato de sódio, Na3AlF6), uma vez aquecida além de seu ponto de fusão de 1.000ºC com seu forno a gasolina, dissolvia alumina como açúcar no café.
A partir daí, os experimentos foram efetuados em um ritmo rápido como um relâmpago. Uma semana após as primeiras tentativas eletrolíticas de Hall falharem (provavelmente devido à contaminação por silicatos no cadinho de argila), ele produziu suas primeiras peças de alumínio metálico em 23 de fevereiro de 1886 e pediu patente em 9 de julho, usando a seguinte reação:
.
Paul Héroult
O homólogo francês de Hall, Paul Louis-Toussaint Héroult, nasceu em 10 de abril de 1863 na pequena cidade de Thury-Harcourt, na Normandia. De fato, os dois eram um contraste perfeito. Considerando que Hall era filho de pais eruditos, com formação universitária, o pai de Héroult cuidava de um curtume e já fora trabalhador de uma fábrica de alumínio de processo Deville; enquanto Hall era conhecido como uma criança calma, obediente e estudiosa, Héroult foi enviado para uma série de internatos, possivelmente em parte para domar sua rebeldia. Ele leu o famoso livro de Deville sobre o alumínio na Academia Sainte-Barbe em Gentilly (perto de Paris) e ficou obcecado com o assunto.
Em 1882, Héroult entrou na École des Mines em Paris. Mas lá ele aparentemente negligenciou seus outros estudos enquanto perseguia seus sonhos de alumínio, pois estava falhando em seus cursos e foi convidado a sair depois de apenas alguns meses. (O próprio Héroult mais tarde afirmou que foi expulso porque jogou uma esponja molhada que atingiu o reitor). Assim, enquanto Hall continuava seus estudos com o professor Jewett, Héroult se viu no exército até sua honrosa alta em 1884.
O pai de Héroult morreu repentinamente em 1885, deixando Paul, de 22 anos, de posse do curtume da família, incluindo seu motor a vapor. Paul aproveitou a oportunidade para continuar seus experimentos com o alumínio e persuadiu alguns amigos da École des Mines a se juntarem a ele. Mas primeiro ele convenceu sua mãe a lhe dar 50 mil francos por um dínamo de 400 ampères e 30 volts – não era pouco na época, sendo que um quilo de carne custava 2 francos e o vinho tinto custava meio franco por litro. Como Hall, ele finalmente decidiu fundir a criolita como solvente e fez sua primeira extração em uma data não registrada. Mas duas datas são certas: Héroult precedeu Hall na apresentação de sua patente em 23 de abril de 1886 na França e em 22 de maio de 1886 nos Estados Unidos.
Compartilhando uma conquista
Felizmente, os dois inovadores conseguiram chegar a um entendimento amigável; Héroult detinha a patente anterior, mas sendo que Hall havia demonstrado seu processo em fevereiro de 1886 em Oberlin, o trabalho de Hall prevalecia. Hoje sua invenção é conhecida como o processo Hall-Héroult, e eles foram amigáveis o suficiente para Héroult fazer um discurso caloroso sobre as contribuições de Hall na cerimônia em que este recebeu sua Medalha Perkin em 1911.
No final, foi o espírito empreendedor de Charles Hall, juntamente com a persistência e algumas pitadas de sorte, que fizeram dele o grande vencedor no jogo de alumínio. Suas primeiras tentativas malsucedidas de comercializar seu processo incluíram uma atividade na planta de Lockport, Nova York, da Cowles Electric Smelting and Aluminum Company, que mais tarde levaria a uma controversa disputa de patentes. Eventualmente, Hall encontrou um patrocinador no capitão Alfred Epher Hunt (que não tem relação com o fundador da Bethlehem Steel Corporation, Alfred Hunt), que com co-investimento forneceu US$ 20 mil para construir uma fábrica piloto em Pittsburgh. Essa parceria levaria à formação da Pittsburgh Reduction Company, que em 1907 tornou-se a Aluminium Company of America e, sob o nome atual de Alcoa, é a maior produtora mundial de alumínio.
A vida de Héroult após a descoberta continuou a contrastar com a de Hall. Enquanto Hall dedicou-se decididamente à indústria do alumínio, a Héroult interessou-se mais pelas ligas de alumínio e acabou por mudar-se para outras indústrias. Ao contrário de Hall, que permaneceu solteiro e sem filhos até a sua morte, Héroult se casou duas vezes e teve cinco filhos. Enquanto os principais prazeres de Hall fora do laboratório era ler, tocar piano, sua família e a faculdade de Oberlin, Héroult gostava de supervisionar grandes empreitadas de engenharia. As demais patentes da Hall estavam firmemente no campo da produção de alumínio, mas a Héroult desenvolveu várias invenções não relacionadas ao alumínio, como um protótipo de helicóptero e o “hydroslip, uma espécie de barco de corrida, levantado por quatro pás propulsoras”, projetado com o inventor americano Cooper Hewitt Hoje ele é talvez o mais famoso por inventar o forno elétrico a arco, ainda em uso para reciclagem de aço. Hall morreu de leucemia na Flórida; Héroult morreu de febre tifoide e cirrose pouco depois de se mudar para um iate de 30 metros no Mediterrâneo. E assim como eles compartilharam um ano de nascimento e um ano de descoberta, eles se uniram no ano de sua morte – 1914. Héroult viveu apenas oito dias a mais do que Hall.
Legado da Inovação do Alumínio
Na época da inovação de Hall e Héroult, o preço do alumínio havia caído para menos de US$ 6 por libra, graças em parte ao processo eletrolítico aprimorado de Hamilton Castner em 1884 para produzir sódio, necessário para o processo Deville. Mas, a esse preço, o alumínio ainda era muito caro para ser considerado para os usos que agora conhecemos. A empresa que Hall ajudou a fundar fez o preço cair para menos de US$ 1 por libra em 1891, e quando um leve cárter de alumínio para motor permitiu que os irmãos Wright fizessem seu famoso primeiro voo, o metal custava US$ 0,30 por libra.
A história do alumínio destaca como um refinamento científico possibilita outro, o que possibilita outro, continuando em uma cadeia até que uma descoberta como o processo Hall-Héroult se torne inevitável. Bunsen poderia ter usado eletrólise com sucesso para produzir alumínio mais de 40 anos antes; afinal de contas, Hall usava a mesma fonte de energia básica que Bunsen tinha. Mas até o processo químico de Deville provar que o mercado e os dínamos elétricos forneciam um caminho para a comercialização, economicamente falando, a produção de alumínio parecia uma loucura. O fato de que a criolita dissolve a alumina foi realmente descoberta por Deville em 1859, mas outros detalhes sobre, por exemplo, aquecimento de mistura e construção do eletrodo reativo vieram mais tarde.
Pode-se apenas imaginar que pedaço que está faltando na panóplia de tecnologias e materiais do mundo abrirá a próxima bonança – e aqueles que acreditam que não existem tais riquezas precisam apenas olhar para o recente exemplo do titânio para provar o contrário: o metal foi primeiro extraído em 1910, comercializado em 1946, e só difundido através de um processo desenvolvido em 1996. A partir do exemplo do sucesso do alumínio, é importante notar que Hall e Héroult não são gênios solitários, tanto quanto essa imagem é popular. Em vez disso, a história do alumínio nos ensina que o sucesso depende dos fracassos e que idéias descartadas anteriormente podem levar a novas descobertas – como o chumbo em ouro.
O autor deseja agradecer a Norman C. Craig por sua assistência com este artigo.
Texto escrito por Tom Geller.
Traduzido por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ) do texto ‘Aluminum: Common Metal, Uncommon Past’ originalmente publicado na revista Distillation Magazine. A tradução foi gentilmente autorizada pelos detentores dos direitos. Texto revisado por: Natanna Antunes.
Original (English) content from Science History Institute (https://www.sciencehistory.org/). Content translated with permission, but portuguese text not reviewed by the original author. Please do not distribute beyond this site without permission. [[Conteúdo original (inglês) do Science History Institute (https://www.sciencehistory.org/) . Conteúdo traduzido com permissão, mas o texto em português não foi revisado pelo autor do original. Por favor, não distribua o conteúdo sem permissão.]]