金属铝是怎么来的?
初中化学大师
化学其实很有趣很简单,助力初中化学
2021-01-29 23:07
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铝是德国化学家维勒在1827年发现的。地球上铝的含量非常丰富,它在地壳中的含量位列第三,仅次于氧和硅,是最丰富的金属元素,比铁几乎多一倍,是铜的近千倍。但是,铝的化学性质十分活泼﹐从矿物冶炼得到金属铝非常困难,当时人们是用金属钾从无水氯化铝中置换出来的,要收集到足够的金属铝粉才能再熔铸成锭,整个过程比较复杂,因此在19世纪铝是十分稀有的金属,人们最初得到的铝粒如同珍宝,铝在当时是“天价”商品,远比金、银等更为稀罕。传说拿破仑三世的刀叉具是用铝制造的。筵席上,他为多数客人提供金餐具,而只让少数客人使用铝餐具,是为了让用铝餐具的客人留下更深刻印象。1885年,在美国首都华盛顿特区落成的华盛顿纪念碑上的顶帽也是用金属铝制造的。

1807年,英国的戴维才把隐藏在明矾中的金属分离出来,用电解法发现了钾和钠,却没能够分解氧化铝。瑞典化学家贝采尼乌斯进行了类似的实验,但是失败了。不过,科学家还是给这种含糊不清的金属取了一个名字。开始贝采尼乌斯称它为“铝土”。1809年,英国化学家戴维将它命名为“alumium”,就是现在的“铝”。和氟一样,在提炼出纯铝之前,铝就有了自己的名字。

早在1746年,德国化学家波特在实验室里从明矾中提取出了一种白色的物质。法国科学家拉瓦锡认为那是一种尚未被发现的金属氧化物。它与氧有极大的亲和力,结合牢固,不能用碳和那时已知的任何一种还原剂使它还原,这种白色的物质就是氧化铝。

1825年,丹麦科学家奥斯特发表文章说,他提炼出一种金属,颜色和光泽有点像锡。他是将氯气通过红热的木炭和铝土(氧化铝)的混合物,制得了氯化铝,然后让钾汞齐与氯化铝作用,得到了铝汞齐。将铝汞齐中的汞在隔绝空气的情况下蒸发掉,就得到了一种金属。现在看来,他所得到的是一种不纯的金属铝。虽然当时由于技术和工艺的限制,他仅仅得到几毫克铝,但却宣告人类制得了在自然界中不以单质存在的铝。由于刊登文章的杂志不出名,奥斯特又忙于自己的电磁现象研究,这个实验就被忽视了。

两年后,提炼铝的荣誉就归于德国年轻的化学家维勒。奥斯特与维勒是朋友,他把制备金属铝的实验过程和结果告诉维勒,并说打算不再继续做提炼铝的实验。而维勒却很感兴趣。他开始重复奥斯特的实验,发现钾汞齐与氯化铝反应以后,能形成一种灰色的熔渣。当将熔渣中所含的汞蒸去后,得到了一种与铁的颜色一样的金属块。把这种金属块加热时,它还能产生钾燃烧时的烟雾。维勒把这一切写信给了贝采里乌斯,告知重复了奥斯特的实验,但制不出金属铝,说明这不是一种制备金属铝的好方法。于是,维勒重新设计了提炼铝的方法。他将热的碳酸钾与沸腾的明矾溶液作用,将所得到的氢氧化铝经过洗涤和干燥以后,与木炭粉、糖、油等混合,并调成糊状,然后放在密闭的绀蜗中加热,得到了氧化铝和木炭的烧结物。将这种烧结物加热到红热的程度,通入干燥的氯气,就得到了无水氯化铝。然后将少量金属钾放在铂绀蜗中,在它的上面覆盖一层过量的无水氯化铝,并用世塌盖将反应物盖住。当世竭加热后,很快就达到了白热的程度,等反应完成后,让绀竭冷却,把绀竭放入水中,就发现绀据中的混合物并不与水发生反应,水溶液也不显碱性,可见绀竭中的反应物之一——金属钾已经完全作用完了。剩下的混合物乃是一种灰色粉末,它就是金属铝。

1827年末,维勒发表文章介绍了自己提炼铝的方法。当时,他提炼出来的铝是颗粒状的,其中大的质量为10~15毫克/颗,小的没超过一个针头。但他坚持把实验进行下去,终于提炼出了一块致密的铝块,并用它们测得了铝的密度与塑性。尽管当时实验准确性不是很高,但却使人们认识到铝是一种熔点不高的金属,且有相当好的延展性。这个实验用去了他十八年的时间。此外,他还用相同的方法制得了金属钺。由于维勒是最初分离出金属铝的化学家。在美国威斯汀豪斯实验室曾经铸了一个铝制的维勒挂像。

维勒用金属钾与无水氯化铝反应制取铝,但是钾太昂贵了,所以不允许大规模地生产。1845年,法国科学家德维尔用钠还原NaA1C14络合盐制成了一定数量的金属铝。改用金属钠虽然极大地降低了铝的生产费用,但显然还是没有达到能使人们普遍应用铝的程度。

1884年,在美国奥伯林学院化学系,有一位叫做查尔斯·马丁·霍尔的青年学生。当时他只有21岁。一次,他听一位教授(这位教授正是维勒的学生)说:“不管谁能发明一种低成本的炼铝法,都会出人头地。”这使霍尔意识到只有探索廉价的炼铝方法,才能使铝被普遍应用。

霍尔决定在自己家里的柴房中办一个家庭实验室。他打算应用戴维早期的一项发明:把电流通到熔融的金属盐中,可以使金属的离子在阴极上沉积下来,从而使金属离子分离出来。因为氧化铝的熔点很高(2050℃),他必须物色一种能够溶解氧化铝而又能降低其熔点的材料,偶然发现了冰晶石(Na,AlF.)。冰晶石-氧化铝熔盐的熔点仅在930℃ ~1 000℃之间,冰晶石在电解温度下不被分解,并有足够的流动性,这样就有利于电解的进行。

霍尔采用瓷绀竭、碳棒(阳极)和自制电池对氧化铝,即精制的氧化铝矿进行电解。把氧化铝溶在10%~15%的熔融的冰晶石里,再通以电流,结果观察到有气泡出现,然而却没有金属铝析出。他推测,电流使地蜗中的二氧化硅分解了,因此游离出硅。于是他对电池进行改装,用碳作绀蜗衬里,又将碳作为阴极,从而解决了这一难题。1886年2月的一天,他终于看到小球状的铝聚集在阴极上。霍尔此时异常激动,带着他第一次获得的一把金属铝球去见他的教授。后来,这些铝球竟成为“王冠宝石”,至今仍珍存在美国制铝公司的陈列厅中。

廉价炼铝方法的发明,使铝这种在地壳中含量占8%的元素,从此成了为人类提供多方面重要用途的材料。而发明家霍尔当时还不满23周岁,这年12月6日才是他的23岁生日。

值得一提的是,一位与霍尔同龄的年轻的法国化学家埃鲁也在这年稍晚些时候发明了相同的炼铝法。虽然过程略有不同,但却是殊途同归。霍尔与埃鲁在遥远的两大洲,同年来到人世(1863年)又同年发明了电解炼铝法(1886年)。后来两人成为莫逆之交。1911年,当美国化学工业协会授予霍尔著名的佩琴奖章时,埃鲁还特意远涉重洋到美国参加了授奖仪式,亲自向霍尔表示祝贺。或许是上天的旨意,1914年,这两位科学家又都相继去世。后人提起电解炼铝法的时候,便总把霍尔和埃鲁的名字连在一起,称为霍尔-埃鲁铝电解法。

霍尔-埃鲁铝电解法的问世是铝冶炼的一次革命性突破,铝生产从此步入大工业化生产。从此,生产成本逐年下降,产量大幅度上升,从而使铝能够迅速广泛应用于生产和生活的各个领域。1956年全世界的铝产量开始超过铜跃居有色金属的首位,成为仅次于(钢)铁的第二大金属。

从电解铝的发展过程中,我们可以发现,一个产品从实验室走向工厂,必须要面对成本的考量,只有大幅度降低生产成本,一个好的产品才有可能为大众所用。

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