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118个元素的故事 滥情的铝

发布时间:2019-03-02 16:23:13      来源:
"铝是一种很重要的商用金属元素,其应用小到铝制的易开罐或铝箔包,大到飞机的机翼上,都可看到铝的存在。铝在地壳中的含量排在第三位,仅次于氧和矽,也可说是地壳中含量最高的金属元素。今天,在这世界上,除了铁以外,铝是最广泛使用的金属,主要的理由是因为铝可以熔化和再利用或回收。

 




现今全世界有三大金属(铜、铁、铝),其中产量最大的钢铁已有五千多年的历史,资格最老的铜以现在的资源来说,其开采期限不长了,不少国家不得不开始利用含铜1%以下的贫矿以取得铜。只有铝是地球上储存最多的金属之一,占地壳重量的7.65%,占全部金属的三分之一,比铁还要多一倍,也比其他金属的总和还多,地球上铝矿的储存量按目前开采量估计至少还可用15万年。

在1825年时,德国化学家维勒(左图)和丹麦化学家奥斯特(右图)用还原的方法提炼出铝

 

现在铝是司空见惯的东西,可是在两百年前,当人类第一次看到铝时,把铝当做稀有的宝贝来看。在1825年时,德国化学家维勒(Friedrich Wöhler, 1800-1882)和丹麦化学家奥斯特(Hans Christian Ørsted, 1777-1851)虽然把从铝矿中用还原的方法提炼出来,但这仍没有改变铝物以稀为贵的情况。因此,那时的铝还被列入稀贵材料和艺术珍品的行列。

 

在18世纪时,铝甚至比黄金还珍贵。当时铝的售价是多少呢根据1845年巴黎有关部门的一项记载,每公斤铝的售价是6千法郎,这在当时比黄金还贵的多。因此当时人们称铝为「银色的金子」,或叫「轻银」。

 

法国的皇帝拿破仑三世(Charles Louis Napoléon Bonaparte, 1808-1873)是一位负盛名的铝品收藏家,他甚至衣着上的钮扣和怀表壳都要用来制造,借以显示他的尊贵和阔绰。他还把将军旗上的银鹰换成铝鹰,每逢盛大国宴,只有他和王室成员才能荣幸享用铝制的餐具,而且只有在招待最尊贵的客人时才肯使用,一般客人只能使用普通的金制、银制器具。

 

无独有偶,当90年前铝初次传入中国时,有许多人不识铝为何物,误以为铝是从钢中精炼出来的,因此又叫铝为「钢精」。

 

纯态的铝较软,成银白色、无磁性。前面说过,尽管铝是地壳中含量第三多的元素,但铝在自然界通常以氧化物的形式存在。铝与氧的结合十分牢固,难以用普通冶炼的方式分离,只能采用昂贵的金属钠来替换,用这种方法制得的铝当然不会便宜。这种状况一直持续到19世纪后期有了生产铝的电解法后才得以改变。

美国的霍尔(左图)和法国的海罗尔特(右图)于1886年各自独立地用电解的方法,从熔融的铝矾土中提炼出铝。

 

美国的霍尔(Charles Martin Hall, 1863-1914)和法国的海罗尔特(Paul LT Heroult, 1863-1914)于1886年各自独立地用电解的方法,从熔融的铝矾土中提炼出铝。目前,世界上几乎所有的铝都是由这种方法生产的。铝的产量因而猛增,但也正因如此,铝价一落千丈,在此之前一件价值500美元的铝制餐匙,瞬间跌到只值几美分而已。但也因为要用电解法才能大量得到铝,因而像在美国,如今生产铝所耗的电能占其国内总耗电量的5%。

铝土矿

 

铝的主要来源是铝土矿(bauxite ore),它是依据法国地名「里斯保克斯」(Les Baux)命名的,因为1821年在这地方发现铝土矿。这种矿物中含有水合氧化铝,即氧化铝分子还结合水分子。氧化铝的商品名称叫铝矾土(alumina),铝的英文名字据说就是由它衍生而来的。

 

纯氧化铝呈白色,异常坚硬,它的结晶体称为刚玉,是最坚硬的材料之一。刚玉常做为耐磨剂,用于砂纸及一系列研磨工具,也常用来制成耐火砖铺在高温壁上,以及做为绝缘材料像是摩托车火星塞。除上述用途外,刚玉还用做晶体管的表面保护层,在化妆品工业中用来制作乳脂和洗剂。刚玉晶体通常含有杂质,而呈现出多种色彩,可加工成宝石提高其价值。例如含铬的刚玉是红宝石,含铁和钛的刚玉是绿宝石。

 

铝具有不易生锈的特性(因为铝易和氧结合生成薄膜,反而可保护铝本身)。虽然纯「铝」质地比较软,但是只要与其他金属混合,就能提高硬度,因而铝以合金的型态广被运用。

 

20世纪初,德国冶金学家维尔姆(Alfred Wilm, 1869-1937)把铜、镁、锰等加入到铝中,得到了强度比铝本身高得多的合金,简称铝合金,并获得了专利。后来,德国一家公司买下了这项专利,并于1911年生产出第一批新型的铝合金。为了纪念最早工业生产铝合金的地方─杜拉市(Düren),便把这种铝合金称为「杜拉铝」,后来又称为「硬铝」。从此,铝有了硬度上的保证。于是,铝重量轻的优点便开始在航空工业中显示威力。

 

铝合金的基本特点是比重小(2.7克∕(公分)3)和比强度(抗拉强度与比重的比)高,其强度甚至已经超过了普通的钢,因此用铝合金代替钢可以大大减轻重量,增加结构钢硬度,这是铝和铝合金得以迅速发展的根本原因。铝和铝合金的开发从一开始就和航空工业发展紧密相连,这是铝在应用上的一个显著特点。比如说,一架现代飞机的铝合金用量占其全部金属的30~70%。光是铝铆钉,一架飞机就有几十万个。

 

1903年,美国的莱特兄弟(Wilbur Wright, 1867-1912;Orville Wright, 1871-1948)发明了世界上第一架飞机(发动机是12马力)。紧接着,一些国家迅速发展了一批军用飞机。但是,当时由于强度高、重量轻的铝材尚未问世,那时候的飞机主要采用木材和帆布结构。飞机的问世也促进了铝合金的诞生。

 

铝除了用于制造日用品外,主要用在交通运输和电力电器工业上。一辆小轿车用铝30公斤,一辆大轿车用铝300公斤。一架协和式飞机这样的大型飞机,用铝220公吨。德国人汉斯.雷斯涅耳开发了第一架单翼金属铝质飞机,后来在这架单翼金属飞机的基础上,才出现了震动世界的容克式、多涅耳式飞机,创造了每小时400公里飞行速度的世界纪录。

 

1903~1915年,Alfred Wilm等人先后发明和研究了铝合金的物理现象,即一种硬铝合金经淬火后,软而强度低,容易在这时制成各种形状的零件,而在室温下放置时,几昼夜之内硬度又自动地大幅度增高。这是铝合金发展史上重大的发现,各国在这基础上制作了一批硬铝合金。

 

1915年,德国首次采用这种硬铝合金制作飞机的蒙皮和骨架,生产了全金属飞机,使飞行速度增加十余倍,而载重量猛增100倍,各国因而迅速发展了多种类型的飞机。硬铝合金的使用引起了航空工业的一次飞跃。

 

最早用铝合金制造飞行器的是德国人。1914年,第一次世界大战正在法国北部激烈进行。一天拂晓,德国的「齐格林飞艇部队」(Zeppelin)疾风般掠过天空,给英法联军带来了极度的恐慌。联军司令要求高射炮部队不惜一切代价也要把飞艇击落,因为它的出现,向英法两国的科学家提出了一系列问题:为什么这种飞艇能携带那么多炸弹,又能飞得那么高、那么远制造这种飞艇用的是什么材料

 

后来,联军击落下一架飞艇。科学家对残骸的研究获得了宝贵的第一手资料:原来制造飞艇用的金属材料是铝合金。从此,铝以技压群雄的优势,一举摘取了飞行材料霸主的桂冠。

 

随着飞机工业的发展,「铝」工业呈现空前繁荣的局面。铝的产量跳跃式增加,各种新型、价廉的铝材应运而生。目前,一架现代化超音速飞机中,铝合金的重量占到总重量的70%左右。

 

同样地,在航空飞行器中,铝合金也有广泛的应用。苏联第一颗人造卫星的外壳就是用铝合金制造的;美国的阿波罗11号太空船用的金属材料中,铝合金占了75%。铝还可以用来制造航空装置的零件,如支架、紧固件、框架壳体等。难怪人们把铝称做「飞行金属」。

 

飞弹若用铝合金可减重约10~50%。美国的战斧式巡航飞弹号称轻重量的铝飞弹,为了获得最大的飞行速度,其主要结构几乎铝合金化了。

 

铝合金没有钢的低温脆性,当温度降到摄氏零下196度时,有的钢甚至脆如玻璃,而铝合金的强度和韧性不仅没有降低,还有所提高(至少韧性不降低)。因此,它是便宜而轻巧的低温材料,可用作火箭的液氢、液氧储箱等零件。

 

从地球上发射的人造卫星已有数万个(包括已坠毁的七千多个),据估计,一颗人造卫星若能减轻一公斤,就可以节省发射费用几万元,因此人造卫星都使用了铝合金。

 

铝合金材料在空中飞行的同时,也在地上忙碌地飞奔着。20世纪50年代,科学家们经由铝装甲材料与钢装甲防护性能的实验得出结论:在相同重量的情况下,对榴弹破片的防护能力,铝装甲优于钢装甲。而且,铝合金具有强、硬、韧的特点,与同等防护能力的钢装甲相比,重量可减少60%以上。于是世界各国纷纷在轻型坦克、步兵战车中使用铝装甲,并随之推广到坦克的其他零件。坦克重要部位的铝化大大减轻了重量,提高了速度并节约了能耗。

 

同样地,在运输领域,铝在汽车工业上的应用也席卷全世界。各国都千方百计地增加铝在汽车中的比率,以减轻重量、提高速度,并降低能耗。比如说,1975年美国平均每辆汽车用铝仅25公斤,到了1985年,则增加到了200公斤左右。世界名牌─德国的保时捷小汽车,每辆用铝可高达236公斤!

 

1983年,英国工程师诺贝尔(Richard James Anthony Noble, 1946-)设计的「雪茄型火箭赛车」装有喷气式发动机,创下了时速一千多公里的世界纪录。这赛车的车轮就是铝制的,汽车内的大部分零件也是铝制的。由这些实例,可见金属的铝材料正在向21世纪「飞奔」!

 

发展最快、最有前途的特种铝合金是「铝基纤」的复合材料。它是仿照混凝土里加钢筋的方式,把弹性模量高十倍的难熔金属、半金属、非金属及化合物的晶体或纤维加入铝合金,使其强度比一般铝合金提高10~100倍,其比强度、比刚度(正弹性模量与比重的比)分别是纯「铝」的二、三倍,并有很高的耐热性,可用于摄氏500度以上的飞机耐热零件,且它的质量比钛合金还轻。

 

泡沫铝合金是仿照制作馒头的工艺,把发泡剂(如氢化钛、氢化锆等)与熔融的或固态粉末状的铝合金混合,在一定温度下,发泡剂分解出气体使铝像馒头一样发起来。它的比重只有0.16~0.5克∕(公分)3,比木材还轻,可以浮在水上,并有很大的刚硬性、吸音性、抗冲击性,而有广泛的用途。

 

常用铝合金的可塑性有限,其延伸性只有1~20%。但含某些成分的铝合金,例如混有一定成分的铝─锌、铝─铜─锆等合金,在晶粒很细、变形速度很低、变形温度在材料熔点一半以上的条件下,其延伸性可高达1,000~1,500%,具备了所谓「超塑性」的性质。铝合金因而被人们誉为「金属软糖」,意思是像软糖一样容易变形,可以用塑料零件的低动力设备和模具生产出十分复杂的零件,甚至可以吹制成型,这已应用在手机零件和电子计算机上。

 

几十年来,全世界铝的产量平均每年以10%的速度增长。现在铝的年产量早已超过出世几千年的铜,跃居有色金属第一位,仅次于钢铁。

 

铝对热中子吸收截面比铁小10倍,经辐射线照射后,铝的性能不会变坏。因此铝及某些铝合金已用于原子反应堆的包覆材料、辐射装置材料、屏蔽和控制棒材料。

 

纯「铝」由于质轻,且有良好的导电、导热、抗腐蚀性和对光的反射性,因而应用愈来愈广泛。过去由于石油危机,许多国家要求汽车、大卡车要减轻重量、提高速度、节省燃料,这是国外铝合金扩大应用的一个重要里程碑。据统计,美国1974年每台小汽车使用36公斤铝合金,可年节省汽油总量是70万吨。再加上铝有价廉的优点,虽然导电性只有铜的65%,铝仍然是高压线路的理想材料。

 

铝还是良好的抗辐射材料,在各种天线、热反射器及太阳镜上广为采用。在能源短缺的今天,各国对太阳能的利用十分重视。但是太阳能利用的发展主要关键在于材料,包括反光材料、吸收材料、光电转换材料等。

 

试验证明,铝对波长0.2~12微米(0.00002 cm~0.0012 cm)的光有90%以上的反射率,因此铝是重要的反光材料。于是科学家采用真空镀铝法在聚酯薄膜上镀上一层铝,成为一种用途广泛的反光材料。在国外,已建成别开生面大型冶金炉─太阳能高温冶金炉,面积是2,500平方公尺,高度达到九层楼的抛物线面板上就贴有上述含铝的反光材料,可在短时间内产生摄氏4,000度的高温,并可瞬间去掉高温,达到快速加热、快速冷却的效果。这冶金炉已应用在生产超纯材料和难熔材料上。

 

在本世纪内,估计在天空将可能建成几个「人造小月亮」,实际上是面积达数十万平方公里的巨大反射镜,其镜面上就要镀一层铝,经由这些反射镜可把太阳光反射到地球。如此一来,即使在晚上的地面,人们可以在不用照明灯的情况下在室外活动、娱乐。若反射镜愈大,由于光照时间延长,农作物生长也可加速成长,人们更可以进行其他野外活动,以避开烈日曝晒。据估计,这项投资的经济效益很大,几年之内便可以回收成本。

太阳能热水器可由两块2米×1米的模压铝板组成吸收太阳能器材。




铝的导热能力比钛(Ti)大3倍,因此可用于太阳能的吸收装置。在铝的表面涂上一层不反光的黑色材料,吸收的热通过铝的传导可以把水加热,用于室内取暖和淋浴。英国新出售的太阳能热水器,由两块2米×1米的模压铝板组成吸收太阳能器材,每天用太阳能可加热得到摄氏60度的水300公升。预计再过几年,各国将陆续普及家庭用的太阳能集热器,届时肯定会大量使用铝。

 

质轻是铝做为建筑材料的一个重要原因,缺点之一是铝质地太软,这可经由在铝中添加少量铜或镁加以改善,因为这可使铝的强度大幅提高。又金属的铝极易与稀酸反应放出氢气,甚至铝碰到氢氧化钠等强碱溶液,也能生成「偏铝酸盐」和氢气。这一性质在其他金属中是比较特别的。

 

原先人们误以为铝不像铁那样爱生锈,其实不然,铝是个很容易被氧化的金属。在常温下,铝就能与空气中的氧反应生成一层致密而坚固的氧化物薄膜,进而使铝金属失去光泽。但是,这层氧化膜能阻止金属继续氧化,因此虽然铝比铁活泼,却具有比铁强得多的抗腐蚀性能。

 

铝若在空气中生锈,会在外壁上生成薄薄的铝锈膜,铝锈膜分为两层,外层是可视膜,内层是不可视膜。内层也是一层活性膜,它经过二次氧化才成外膜。外层是稳定的,因此铝氧化生锈后,生成的铝锈膜就起了保护内部金属的作用。

 

特别是在酸液中通电生成的氧化膜,因为它所有的微孔都被封住,形成「伽码相三氧化二铝」,它就像外衣一样对铝起了更好的保护作用。这种方法就是日本科学家濑藤和宫田二人在1923年所发明的铝阳极电化法,市场上俗称的电化铝就是经过阳极化处理过的铝制品,这种经过特别处理的「铝」制品比一般的「铝」制品更为耐用。

 

那么,铝制品的锈蚀速度如何呢说起来也微不足道,放一年之久锈蚀也不到十万分之一公分,就是放在海面上也不超过千分之一公分的厚度。因此人们通常认为铝的抗腐蚀性强。

 

铝罐不像一般的铁罐易腐蚀,饮料罐的原料首选是铝罐。铝无毒、无臭、无味、导热性能好,因此铝罐饮料可快速冷却。由于铝耐氧化,因此是制造饮料罐的理想材料。但从某种角度来看,这也带来一些负面影响,在公路边、铁路旁、海滩上及树林里到处可见铝质饮料罐,铝已成为一种主要的污染源。目前不少地方已采取措施回收铝罐,以避免铝带来的污染问题。

 

铝制品脏了,用一点醋就可以洗干净。可是常有人用碱水洗,那就不行了,因为氧化铝(Al 2  O 3)会溶解在碱中,生成氢氧化铝(Al(OH) 3),这就等于给铝脱去了保护层,使铝容易腐蚀。

 

以铝的氧化物(即Al 2  O 3)为主的高温无机喷涂材料,具有耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等特点。Al 2  O 3在充氧环境下,能耐长时摄氏1,000度高温或瞬间摄氏2,000度高温,因此可用做喷气发动机的涡轮叶片等须耐高温零件的表面喷涂材料。美国也用铝合金做步枪枪管,其表面涂有Al 2  O 3涂层和耐熔蚀的固态润滑油,减轻了步枪的重量,并保证使用性能。

 

铝易被腐蚀,这是的一大缺点。善用其短,使其在某些特定的场合变为长处,也是一门学问。从1930年就有人利用铝易氧化的特性脱掉钢水中有害的氢气,以提高钢的品质。

 

铝是可以染成各种颜色的少数几种金属之一。电镀槽液中有硫酸铜,就可得到染成铜色表面的铝制品,若用硫酸锡就染成青铜色,用高锰酸钾就成黄色了。

 

金属的铝在现在工业中大显身手的同时,也渗入到了人们的家庭。为此有人开始研究铝对人体健康的影响。

 

人们之所以无法避免摄取铝,是因为铝在地球上的含量太丰富了(前面说过,铝在地球上的含量占第三名),而且,奇怪的是,铝没有可以新陈代谢的替换角色。人们消化铝后,通常直接从体内排出,因此,任何进入血液中的铝也会很**出体外。虽是如此,铝可以自行附着在血液中的含铁蛋白分子上,含铁蛋白会把人体需要的基本金属元素运送到身体各部位,铝就是以这种方式进入脑部。

 

长期以来,人们一直认为铝是一种对人体无害的金属元素,治疗胃酸过多的药中常用的主要成分就是氢氧化铝(Al(OH) 3)。然而,近代科技的发展对铝无害论提出了强烈异议。

 

1975年,美国医学人员用电子显微镜和X射线衍射光谱测定法分析了多名老年痴呆症患者的神经元,发现这些人神经元中,铝的含量比正常人多了2~4倍。后来,美国科学家用原子吸收光谱分析了老年痴呆症患者的大脑,发现他们脑中铝的含量竟是正常人的5倍。美国的一个医疗小组到世界饮水含铝量最高的关岛调查,发现那里患老年痴呆症的人数比正常地区多了3~5倍。这些都证实铝很可能是老年痴呆症的罪魁祸首之一,但这仍未有国际定论。

 

铝为什么会导致老年痴呆症呢这个问题还在争论中。一般的观点认为因三价铝离子(Al  3 +)有空的电子轨域,易与碱基对中未成对的电子结合,并进入神经元细胞中,使神经细胞释放的传递物质如乙醯胆碱等不能顺利通过,从而导致神经传递系统受阻,引起老年痴呆症。

 

含铝元素的一个常见化合物就是明矾。明矾是铝、钾、硫和氧的化合物,化学式是KAl (SO 4 )  2。在中国,人们爱吃的粉丝、冬粉、米粉和油条,为了增加韧性,往往添加明矾。明矾在中国是属于合法添加物,但由于明矾含有铝元素,因此若是经常多吃,则得老年痴呆症的风险可能会增加。

 

有一点必须注意的是,市面上有很多胃药的主成分含有氢氧化铝,但不可以和牛奶一起搭配吃,严重时甚至会造成所谓的代谢性的「牛奶碱性中毒」。首先会头痛、呼吸急促,再来就是高血钙中毒,然后造成铝元素沉积于人体,最后是肾功能不全,进而可能造成老人痴呆症。

 




铝过量摄入往往是由于不正确使用铝制品引起的。大家知道:铝在空气中会形成一层致密的氧化铝,保护免受进一步的腐蚀,但这层保护膜并非无坚不摧,因此平时应养成使用铝制品的良好习惯。例如:不用铝制的容器存放酸、碱食物;尽量缩短食物在铝制品中的存放时间;尽量不用「铝」锅炒菜;少让比铝硬的金属制品(如铁勺)与铝制品接触;不用硬质抹布擦洗铝制品等。当然,平时加强体育锻炼,增强身体活力,也是防止铝元素在体内存积的好办法。

 

介绍了这么多铝的优点与缺点,铝和铝合金是20世纪才进入工业,因此,铝的应用还在幼年时期,可以想见其成本、性能、品种和应用发展的潜力仍有很大的改善空间。铝及铝合金已经为人类做出了巨大贡献,可以肯定在未来生活中,铝将绽放出更加绚丽的光彩!


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