淺議有色輕金屬鋁

　　摘 要：介紹鋁的存在與發(fā)現(xiàn)，鋁的冶煉歷史及冶煉方法，重點(diǎn)介紹了電解法中電解冰晶石-氧化鋁熔融體的原理，闡述了鋁的性質(zhì)并分類介紹了鋁在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)和日常生活中的用途。
　　關(guān)鍵詞：發(fā)現(xiàn) 冶煉 應(yīng)用
　　中圖分類號(hào)：O614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2012）09（a）-0074-01
　　1 鋁的發(fā)現(xiàn)
　　鋁是地殼中儲(chǔ)量居第三位的元素（約為8%），在各種金屬元素中鋁居首位，但自然界未發(fā)現(xiàn)游離狀態(tài)的金屬鋁。1825年丹麥人奧斯特（H.C.Oersted）用鉀汞齊還原無水氯化鋁，第一次得到幾毫克金屬鋁，指出它具有與錫相同的顏色和光澤。1827年德國沃勒（F.W.hler）用鉀還原無水氯化鋁得到少量鋁粉末。1854年法國戴維爾（S.C.Deville）用鈉代替鉀還原NaAlCl4絡(luò)合鹽，制得金屬鋁；同年建廠，生產(chǎn)出一些鋁制頭盔、餐具和玩具。當(dāng)時(shí)鋁的價(jià)格接近黃金。1886年美國霍爾（C.M.Hall）和法國埃魯特（P.L.T.Héroult）幾乎同時(shí)分別獲得用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法制取金屬鋁的專利。1888年在美國匹茲堡建立世界上第一家電解鋁廠，鋁的生產(chǎn)從此進(jìn)入新的階段。鋁的身價(jià)一落千丈。1956年世界鋁產(chǎn)量開始超過銅而居有色金屬的首位，成為產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵的金屬。
　　2 鋁的冶煉
　　2.1 化學(xué)法
　　鋁的工業(yè)化生產(chǎn)開始于1855年，當(dāng)時(shí)法國人戴維爾用鈉代替鉀還原氯化鋁（AlCl3）或氯化鈉和氯化鋁的熔鹽（NaAlCl4絡(luò)合鹽）制得鋁
　　3Na+AlCl3（熔融）==== 3NaCl+Al
　　3Na+NaAlCl4（熔融）==== 4NaCl+Al
　　1825年丹麥科學(xué)家奧斯特（H.c.oersted）用鉀汞齊還原無水氯化鋁制得含雜質(zhì)較多的幾毫克鋁。1827年德國科學(xué)家沃勒（F.wohler）離析得較純的鋁，并描述了它的很多性質(zhì)。然而這個(gè)金屬一直不過是實(shí)驗(yàn)室中的一種古董，到1854年德維爾（S.C.Deville）用鈉作還原劑，還原NaAlCl4才制得可以用克計(jì)的較純的鋁，當(dāng)時(shí)的價(jià)格比黃金還貴，拿破倫孫子的一只撥浪鼓與獎(jiǎng)給門捷列夫的獎(jiǎng)杯就是用鋁制的。
　　2.2 電解法
　　1854年德國人本森（R.Bunsen）用電解NaCl-AlCl3絡(luò)合鹽即NaAlCl4熔鹽制得了金屬鋁。1886年美國霍爾（C.M.Hall）和法國埃魯特（P.L.T.Héroult）都在當(dāng)年通過實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)了冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法的專利，這就是霍爾-埃魯特法。這一方法的要點(diǎn)仍是近代鋁電解工業(yè)的基礎(chǔ)[1]。
　　鋁是負(fù)電性很強(qiáng)的元素，不能在含H+離子的介質(zhì)中，例如水溶液中電解沉積出來，因?yàn)榘措娀颍娊鈺r(shí)H2比Al優(yōu)先析出而不能得到Al。若以Al2O3為煉鋁的原料，其熔點(diǎn)很高（2050℃），欲采用直接熔化提煉鋁，困難很大。但是，固體Al2O3可以部分地溶解在熔點(diǎn)較低的冰晶石熔融液中，形成均勻熔體，并且此熔體具有良好的導(dǎo)電性以利于節(jié)能，熔融的冰晶石具有比Al小的密度，這樣電解質(zhì)可以浮在熔融Al的上部，保護(hù)Al不遭氧化，這就使得鋁的電解冶煉能在低于Al2O3熔點(diǎn)較多的條件下得以實(shí)現(xiàn)。值得一提是Al2O3在冰晶石中的溶解不是簡(jiǎn)單的物理溶解而是形成了絡(luò)合物。因當(dāng)冰晶石熔體中加入氧化鋁后密度變小，而已知氧化鋁密度卻比冰晶石大得多，這說明了氧化鋁跟冰晶石發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了新的體積龐大的配合離子，使熔液的密度減小、熔點(diǎn)降低[2]。
　　當(dāng)采用活性陽極（碳陽極）電解時(shí)其電極反應(yīng)過程為：
　　100多年來，鋁電解質(zhì)一直是以冰晶石為主體，雖然經(jīng)過許多試驗(yàn)，試圖用其他鹽類來取代，但都未獲得成功。至今，人們尚未找到一種性能更優(yōu)于冰晶石的電解質(zhì)主體成分。因?yàn)橹挥腥廴诒瘜?duì)Al2O3才有較大的溶解度（大于10%），其他熔鹽不能溶解Al2O3或溶解度很小，且冰晶石不吸水，不易潮解，易于存放，以及不易于分解、升華等。盡管如此，但許多研究者將他們的興趣轉(zhuǎn)向室溫或接近室溫的鋁生產(chǎn)方法的研究。AlCl3-NaCl熔鹽體系有許多優(yōu)良的性質(zhì)，低的蒸汽壓，相對(duì)高的電導(dǎo)率和較大的電化學(xué)電勢(shì)窗口。這些優(yōu)良的性質(zhì)有利于AlCl3-NaCl熔鹽體系作為新法煉鋁的電解質(zhì)。鋁在該熔融鹽體系中的電沉積是這一研究領(lǐng)域里的重要課題[3]。
　　3 鋁的性質(zhì)和用途
　　3.1 鋁的性質(zhì)
　　鋁是銀白色的金屬，純鋁質(zhì)地柔軟，有良好的可塑性的和延展性，是電和熱的優(yōu)良導(dǎo)體，具有面心立方晶格；熔點(diǎn)為660.37℃，沸點(diǎn)為2467℃，密度為2.6989g/cm3（20℃）；價(jià)態(tài)為+3。由于金屬鋁的外表面為一層極為致密的氧化膜（氧化鋁）所保護(hù)，因此它不易被酸腐蝕，但能被堿所溶解。
　　3.2 鋁的應(yīng)用
　　3.2.1 運(yùn)輸領(lǐng)域
　　在航空航天方面，如果沒有鋁就不可能有民用航空工業(yè)的發(fā)展。商用飛機(jī)重量的80%為鋁，波音747用鋁7.5t，航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)中有90%是鋁合金。道路運(yùn)輸，鋁合金的強(qiáng)度很高，還有吸收動(dòng)能的功能，并且不生銹，用1t鋁代1t鋼鐵，在汽車的生命周期當(dāng)中，每輛車可減少排放CO220t；國際上大約90%的輕型卡車和長途巴士都有著鋁合金的車身。在運(yùn)輸上，每車可以減重1800kg，因此可以裝載更多的客貨。軌道和海運(yùn)，國際知名的加拿大LRC快車、法國TGV高速列車以及日本700系列新干線列車，旅客車廂都由鋁合金做成。最現(xiàn)代的地鐵車廂和大多數(shù)冷藏車廂都由鋁合金制成，航速為35～50節(jié)的高速渡船也由鋁合金制成，采用鋁合金已成為短途海運(yùn)革命性的舉措。
　　3.2.2 建筑領(lǐng)域
　　由于鋁在空氣中的穩(wěn)定性和陽極處理后的極佳外觀，使鋁在建筑業(yè)上被越來越多地廣泛應(yīng)用，特別是在鋁合金門窗、鋁塑管、裝飾板、鋁板幕墻等方面的應(yīng)用，新房屋建筑愈來愈多地采用了鋁合金產(chǎn)品，鋁的抗腐蝕性意味著它的維修頻率低，它具有質(zhì)量輕和強(qiáng)度高的特點(diǎn)，使它成為地震區(qū)和超高層樓房的首選材料。鋁和太陽能裝置的配合成為居家的新型節(jié)能材料，還能保護(hù)環(huán)境，因而日益得到重視。此外，鋁的建筑部件都能夠回收再生使用。
　　3.2.3 飲食領(lǐng)域
　　全球約有一半的飲食用具用鋁做成，烹調(diào)的熱效高達(dá)93%，而不銹鋼和鑄鐵僅及鋁的1/3。日常生活所用的鍋、盤、匙等大多由鋁制成。
　　此外在電力輸送方面，鋁的用量居首位，90%的高壓電導(dǎo)線是用鋁制作的；在醫(yī)藥上用作酸藥，有中和胃酸和治療潰瘍的作用等。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]劉業(yè)翔，李劼，等.現(xiàn)代鋁電解[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.
　　[2]李繼東，張明杰，等.Na3AlF6-Al2O3二元系熔度與熔鹽結(jié)構(gòu)[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2007，6（4）.
　　[3]闞洪敏，邱竹賢，張剛.低溫鋁電解[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，200