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金属铝的发展史和应用
铝
早在公元前5世纪就已有用明矾作收敛剂、煤染剂的记载。1824年,丹麦的物理化学家厄斯泰德将***气通入粘土和木炭的炽热混合物中,然后将所得的无水***化铝与钾***齐一起加热,第一个制备出不纯的金属铝。
许多人常以为铁是地壳中最多的金属,其实,地壳中最多的金属是铝,其次才是铁。铝占整个地壳总重量的%,差不多比铁多一倍。地球上到处都有铝的化合物,像最普通的泥土中,便含有许多氧化铝。我们和铝打交道可不少。衣袋里的硬币、钥匙、钢笔帽;餐桌上的调羹、饭盒、砂锅;房间里的门把手、暖瓶壳、铝制家具;天地间的飞机、汽车轮船等。衣食住行,离开铝简直寸步难行。
传统的镀银穿衣镜,正被真空镀铝镜代替;铅和锡夹层的牙膏袋,也被铝皮牙膏袋代替了;包糖果、卷烟的锡纸,早已名不副实,变成了铝箔;那金光闪闪的“金纸”——铝做的,钠银白雪亮的银粉油漆——掺的是铝粉;甚至姑娘衣衫上那黄澄澄的“铜”纽扣,廉价的“金银”首饰,都是铝做成的。
可是,在100多年以前,铝曾被人们列入稀有金属的行列,称为“银色的金子”,比黄金还要珍贵。法国皇帝拿破仑三世为了显示阔绰,将他的军旗族头上的银鹰换成了铝鹰。每逢盛大国宴,他都拿出珍藏的铝质餐具,在宾客面前炫耀一番,好像国宝一样。发现元素周期律的俄国化学家门捷列夫,曾经接受过英国皇家学会的崇高奖赏——一只普普通通的铝杯。原来,铝的发现和工业化生产历史很短,一向被称为“年轻的金属”。
化学史上,常认为德国的维勒是最先发现铝的化学家。1827年,维勒将金属钾和无水***化铝放在坩埚里一起加热,冷却后投入水中,得到银灰色的金属铝粉末。
30年后,法国化学家德维尔用金属钠还原***化铝,使铝成为工业产品。但当时金属钠价格昂贵,用金属钠生产出来的铝比黄金还要贵好几倍。铝仍然不能成为普通的商品。
当时,有人为讨好德维尔,说他制造的铝比维勒制造的强多了,德维尔才是铝的发现者。可是,德维尔却不听恭维,十分讨厌搬弄是非。他铸造了一枚铝质纪念章,上面印制了维勒的头像和名字,并特意标出“1827”——维勒发现铝的年代,赠与维勒表示敬意。两人因此成为亲密的朋友,在科学史上传为佳话。
21岁的美国大学生豪尔决心攻关,使铝的生产成本大大降低。在他的老师——维勒的学生的鼓励下,他于1886年用电解法制铝取得成功。豪尔拿到一批银亮的纽扣大小的铝球,欣喜若狂,捧着跑进老师的房间里报喜。从此,铝变成了廉价的商品。美国铝公司的展柜里,至今还陈列着豪尔制得的第一批电解铝粒。在豪尔的母校俄柏林大学的校园里矗立着青年大学生豪尔的铝铸像,全校师生引以为荣。
几乎同时,大洋彼岸21岁的法国青年大学生埃罗也成功地用电解法制得了铝。当他闻讯豪尔的成就时,毫不嫉妒,还和豪尔交流试验情况,互相切磋,成为莫逆之交。和德维尔向维勒表示敬意一样,埃罗远渡重洋到美国祝贺豪尔荣获柏琴奖章,又为后人留下一段佳话。
从厄斯泰德炼出第一块不太纯净的铝,到电解法制铝成功,铝成为普通的商品,竟然经历了60多年的时间。这以后,铝的价格一落千丈,成为日常使用的产量仅次于铁的第二大金属。这也说明,铝的化学性质比较活泼,不易提炼,所以才迟迟显露出其庐山真面目。
纯的铝很软,强度不大,有着良好的延展性,可以拉成细丝和轧成箔片,大量用于制造电线、电缆、无线电工业以及包装业。
铝的导电能力比铁大三倍,工业上常用铝制造各种热交换器、散热材料等,家庭使用的许多炊具也由铝制成。与铁相比,它还不易锈蚀,延长了使用寿命。铝粉具有银白色的光泽,常和其它物质混合用做涂料,刷在铁制品的表面,保护铁制品免受腐蚀,而且美观。由于铝在氧气中燃烧时能发出耀眼的白光并放出大量的热,又常被用来制造一些爆炸混合物,如氨铝炸药等。
铝也善于导电。铝的单位面积导电能力是铜的60%,而铝比铜轻盈的多,所以,相同重量的铝导线和铜导线比较,铝导线要比铜导线导电能力强。高压输电线以铝代铜后,电缆的重量大大减轻,节省了不少铁塔、电线杆。电机改用铝线绕制,节约了大量宝贵的铜。
冶金工业中,常用铝热剂来熔炼难溶金属。如铝粉和氧化铁粉混合,引发后即发生剧烈反应,交通上常用此来焊接钢轨。炼钢工业中铝常用作脱氧剂。光洁的铝板具有良好的光反射性能,根据这一特点,一些广播室、现代化大型建筑内的天花板等有的采用了铝。
1906年,德国冶金学家维尔姆在铝中加入少量镁、铜,制成了坚韧的铝合金,后来,这一专利被德国杜拉公司收买,所以铝又有“杜拉铝”之称,在以后几十年的发展工程中,人们根据不同的需要,研制出来许多铝合金,在许多领域起着非常重要的作用。在某些金属中加入少量铝,便可大大改善其性能。如青铜铝(含铝4%到15%),该合金具有高强度的耐蚀性,硬度与低碳钢接近,且有着不易变暗的金属光泽,常用于珠宝饰品和建筑工业中,制造机器的零件和工具。
渗铝,是钢铁化学热处理方法的一种,使普通碳钢或铸铁表面形成耐高温的氧化铝膜以保护内部的铁。铝是一种十分重要的金属,,然而,许多含铝化合物对人类的作用也是非常重大的。
有资料报道,铝盐可能导致人的记忆力丧失。澳大利亚一个私人研究团体认为:广泛使用铝盐净化水可能导致脑损伤,造成严重的记忆丧失,这是早老性痴呆症特有的症状。研究人员对老鼠的实验表明,混在饮水中的微量铝进入老鼠的脑中并在那里不断积累,给它们和一杯经铝盐处理过的水后,它们脑中的含铝量就达到可测量的水平。
世界卫生组织提出人体每天的摄铝量不应超过每千克体重1毫克。一般情况下,一个人每天摄取的铝量不会超过这个量,但是,经常和铝盐净化过的水,经常吃含铝的食物,如油条、粉丝、凉粉、油饼、铝质易拉罐装的饮料等,或是经常食用铝制炊具炒出的饭菜,都会使人的摄铝量增加,从而影响脑细胞的功能,导致记忆力下降,思维能力迟钝。
不过,铝及其化合物对人类的危害与其贡献相比是无法相提并论的,只要人们切实注意,扬长避短,铝对人类社会将会发挥更为重要的作用。
[1][J].轻金属,1994,05:61-64+54.
[2]程涛,向宇,李健,[J].轻金属,2009,08:71-75.