備受青睞的金屬鋁

鋁，aluminum，源自alumen，“明礬”的意思。鋁從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在還不足200年，但從小小的牙膏管到龐大的飛機，到處都能見到鋁的身影，由此足見鋁的應(yīng)用十分廣泛，這是為什么呢？

圖2-14-1　應(yīng)用廣泛的鋁

金屬鋁之所以在應(yīng)用方面地位顯赫，僅次于鋼鐵，成為第二大類金屬，當(dāng)然是事出有因。

1.金屬鋁含量豐富

首先，按在地殼中的含量，鋁元素排行老三，僅次于氧和硅；就金屬元素來說，它則位居老大，是地殼中含量最豐富的金屬元素，這就為大規(guī)模地提煉和廣泛地使用金屬鋁提供了充足的來源。

2.金屬鋁具有優(yōu)良特性

在物理性質(zhì)方面：

（1）鋁的密度很小，僅為2.7 g/cm3。雖然它比較軟，但可制成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等。鋁合金強度高但仍較輕，廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、火車、船舶等制造工業(yè)，如一艘大型客船的用鋁量常達(dá)幾千噸。此外，宇宙火箭、航天飛機、人造衛(wèi)星等也大量使用鋁及其合金。例如，一架超音速飛機上鋁及其合金部件約占全機部件的70%。

（2）鋁的導(dǎo)電性僅次于銀、銅。雖然鋁的導(dǎo)電率只有銅的2/3，但其密度只有銅的1/3，所以輸送同量的電，鋁線的質(zhì)量只有銅線質(zhì)量的一半。另外，鋁表面的氧化鋁膜不僅具有耐腐蝕性，而且具有一定的絕緣性，所以鋁在電器制造工業(yè)，電線、電纜工業(yè)和無線電工業(yè)中有著廣泛的用途。

（3）鋁是熱的良導(dǎo)體。金屬鋁的導(dǎo)熱能力比鐵大3倍，工業(yè)上常用金屬鋁制造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。

（4）鋁有較好的延展性。鋁的延展性僅次于金和銀，可以拉成細(xì)絲，也可以輾壓成鋁箔，在100℃~150℃時甚至可制成薄于0.01 mm的鋁箔。各種鋁箔廣泛用于包裝香煙、糖果等。另外，金屬鋁還可制成鋁絲、鋁條，并能軋制各種鋁制品。

圖2-14-2　鋁制易拉罐

（5）鋁粉具有銀白色光澤（一般金屬粉末多為黑色）。利用這一性質(zhì)，鋁粉常用來做涂料。這種涂料俗稱銀粉、銀漆，用于保護鐵制品，使其不被腐蝕且十分美觀。

（6）鋁板具有較強的光反射性能，其反射紫外線的性能比銀還強。鋁越純，其反射能力越好，因此金屬鋁常用來制造高質(zhì)量的反射鏡，如太陽灶反射鏡等。

（7）鋁材能增強音響效果，所以廣播室、現(xiàn)代化大型建筑室內(nèi)的天花板等也常采用鋁制部件。

交流·分享

金屬的一般物理性質(zhì)有哪些？你能對鋁與鐵的物理性質(zhì)做些比較嗎？請列表說明，并與同學(xué)們交流分享。

在化學(xué)性質(zhì)方面：

（1）鋁是一種活潑的金屬，易被氧化，且在表面形成致密的氧化鋁膜，保護內(nèi)部的鋁不再被氧化。不過，金屬鋁在大氣中自然形成的氧化膜，膜薄（40~50

），疏松多孔，為非晶態(tài)的，不均勻也不連續(xù)，不能作為可靠的防護、裝飾性膜層。現(xiàn)在，工業(yè)上越來越廣泛地采用陽極氧化或化學(xué)氧化的方法，在鋁制品表面形成一層氧化膜，以達(dá)到防護、裝飾的目的。金屬鋁常被用來制造化學(xué)反應(yīng)器、醫(yī)療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。

（2）鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物，如銨鋁炸藥（由硝酸銨、木炭粉、鋁粉、煙黑及其他可燃性有機物混合而成），以及照明混合物（如含硝酸鋇68%、鋁粉28%、蟲膠4%的照明劑）。

（3）鋁與一些金屬氧化物（如氧化鐵）反應(yīng)能放出大量的熱，這種混合物被稱為鋁熱劑，常用來熔煉難熔金屬和焊接鋼軌等，還可做炸彈和炮彈用來攻擊難以著火的目標(biāo)或坦克、大炮等。

探究·發(fā)現(xiàn)

寫出金屬鋁與氧化鐵發(fā)生鋁熱反應(yīng)的化學(xué)方程式。探究：金屬鋁為什么能與一些金屬氧化物發(fā)生鋁熱反應(yīng)？

由于鋁易奪取一些氧化物中的氧，因此常用作煉鋼過程中的脫氧劑。

（4）鋁粉和石墨、二氧化鈦（或其他高熔點金屬的氧化物）按一定比率均勻混合后涂在金屬上，經(jīng)高溫煅燒可制成耐高溫的金屬陶瓷，這種金屬陶瓷在火箭及導(dǎo)彈技術(shù)上有重要應(yīng)用。

總之，金屬鋁得以廣泛應(yīng)用要得益于它的優(yōu)良性能。盡管如此，由于純鋁的強度很低，不宜作構(gòu)造材料，還是影響了它的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗，人們逐步認(rèn)識到可以通過加入合金元素及進行熱處理等方法來強化鋁，這樣就得到了一系列的鋁合金。

3.鋁合金為金屬鋁增光添色

鋁合金是在純鋁中加入一些合金元素制成的金屬材料。從不同的角度可以把鋁合金分為不同的類型。例如，根據(jù)合金的成分和生產(chǎn)的工藝特點，鋁合金通常分為形變鋁合金與鑄造鋁合金兩大類。

圖2-14-4　鋁合金型材

形變鋁合金能承受壓力加工，被加工成各種規(guī)格、各種形態(tài)的鋁合金材料，主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。形變鋁合金又分為不可熱處理強化型鋁合金和可熱處理強化型鋁合金。前者不能通過熱處理來提高機械性能，只能通過冷加工來實現(xiàn)強化，主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁及防銹鋁等；后者可以通過淬火等熱處理手段來提高機械性能，得到硬鋁、鍛鋁、超硬鋁或特殊鋁合金等。

鑄造鋁合金在鑄態(tài)下使用，按化學(xué)成分主要分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金四類，另外還有鋁稀土合金。

（1）鋁硅合金。含硅量在4%~13%之間，有良好的鑄造性能和耐磨性能，熱脹系數(shù)小，是品種最多、用量最大的一類鑄造鋁合金。添加0.2%~0.6%鎂的鋁硅合金，廣泛用于結(jié)構(gòu)件如殼體、缸體、箱體和框架等的制造。添加適量的銅和鎂的鋁硅合金，具有較高的力學(xué)性能和耐熱性，廣泛用于制造活塞等部件。

（2）鋁銅合金。含銅4.5%~5.3%的合金強化效果最佳，適當(dāng)加入錳和鈦能顯著提高室溫強度、高溫強度和鑄造性能。主要用于制作承受大的動、靜載荷和形狀不復(fù)雜的砂型鑄件。

（3）鋁鎂合金。是密度最小、強度最高的鑄造鋁合金，含鎂12%時強化效果最佳。室溫下有良好的綜合力學(xué)性能和可切削性，在大氣和海水中的抗腐蝕性能好。可用于制作雷達(dá)底座，飛機的發(fā)動機機匣、螺旋槳、起落架等零件，也可用作裝飾材料。

（4）鋁鋅合金。在鑄造條件下有淬火作用，即可“自行淬火”。不經(jīng)熱處理就可使用，變質(zhì)熱處理后鑄件有較高的強度，經(jīng)穩(wěn)定化處理后尺寸穩(wěn)定，常用于制作模型、型板及設(shè)備支架等。

鑄造鋁合金具有與形變鋁合金相同的合金體系，具有與形變鋁合金相同的強化機理（除應(yīng)變強化外），與形變鋁合金的主要差別在于鑄造鋁合金中硅的最大含量超過多數(shù)的形變鋁合金。鑄造鋁合金除含有強化元素之外，還必須含有足量的共晶型元素（通常是硅），以使合金具有較高的流動性，易于填充鑄造時鑄件的收縮縫。

觀察·思考

找一塊家用鋁合金裝飾材料，觀察它都具有哪些特性。查一查，這類鋁合金裝飾材料都可做什么用？

鋁合金彌補了純鋁的缺點，并增加了許多優(yōu)良性能。鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點，但機械性能明顯提高，是典型的輕質(zhì)高強度材料。鋁合金的耐腐蝕性有較大的提高，同時低溫性能好，基本不呈現(xiàn)低溫脆性。鋁合金有較好的裝飾效果，利用鋁合金陽極氧化處理后易于著色的特點可制成各種裝飾品，鋁合金板材、型材表面可以進行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工制成各種裝飾板材、型材等裝飾材料。這些特性，使鋁合金得以廣泛應(yīng)用。

圖2-14-5　飛機蒙皮是鋁合金，承力框架是硬鋁和超硬鋁

圖2-14-6　鋁合金窗

圖2-14-7　“全鋁”車身的跑車

圖2-14-7所示的是一款“全鋁”車身的跑車。這種跑車，一方面車身質(zhì)量輕，轎車可以獲得非常好的動力并且可降低油耗；另一方面鋁合金是一種易于回收再造的材料，符合環(huán)保節(jié)能的要求。

不過，鋁合金也存在一些不足，主要是彈性模量小，雖然可以減小溫度應(yīng)力，但用作結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件時變形較大。另外，鋁合金耐熱性差，熱脹系數(shù)較大，可焊接性也較差。

二、鋁的傳奇故事——曾經(jīng)當(dāng)過金屬中貴族的鋁

（一）

傳說在古羅馬，一天，一個陌生人去拜見羅馬皇帝泰比里厄斯（Tiberius），獻上一只金屬杯子。這只杯子像銀子一樣閃閃發(fā)光，但是分量卻輕輕的。這個杯子是這個人用從黏土中提煉出的一種金屬做成的，當(dāng)然，他并不知道這種金屬是什么。皇帝泰比里厄斯表面上表示感謝，心里卻害怕這種光彩奪目的杯子會使他的金銀財寶貶值，就處死了這位獻寶人。從此以后，再也沒有人敢提煉這種“危險的金屬”了。其實，獻寶人所提煉出的這種新金屬就是現(xiàn)在大家非常熟悉的金屬鋁。

（二）

19世紀(jì)以前，鋁被認(rèn)為是一種稀有貴金屬，價格比黃金還要貴。歐洲的君主們都以自己的衣服上有鋁紐扣而自豪，誰買了一件有鋁紐扣的衣服，誰就覺得身份提高了好多。買不起這種奢侈品——鋁紐扣的其他君主，自然覺得地位低下，總是渴望有朝一日自己也能穿上這種帶鋁紐扣的衣服。

（三）

1848年以后，拿破侖三世登上了法國皇帝的寶座。拿破侖三世是一個喜歡炫耀自己的人，常常大擺宴席，宴請?zhí)煜沦e客。一天，他舉辦了一個盛大的宴會，邀請王室成員和貴族，以及一些地位較低的來賓一起前來赴宴。客人們?nèi)胂螅l(fā)現(xiàn)餐桌上的餐具各不相同，在高貴的王室成員和皇宮貴族的餐桌上擺的都是鋁制的湯匙和叉子，而在地位較低的來賓的餐桌上擺的卻是普通的金制或銀制的餐具。盡管那一天的宴會十分豐盛，但是地位較低的來賓們的心情沉悶，他們覺得自己是在低人一等的餐桌上用餐。其實，這種做法也不是拿破侖三世的本意，在當(dāng)時，他是無法給每個來賓都擺上既貴重而又稀少的鋁餐具的。原來，在差不多200年前的拿破侖時代，冶煉和使用金、銀已經(jīng)有很長的歷史，宮廷中的銀器比比皆是。可是那時，鋁剛剛被發(fā)現(xiàn)不久，從鋁礬土中煉鋁的技術(shù)還非常落后，煉鋁自然也就十分困難，所以當(dāng)時鋁是非常稀罕的東西。不要說平民百姓用不起，就是大臣貴族也用不上。

后來，為了進一步炫耀自己，拿破侖三世給當(dāng)時從事提煉鋁的法國科學(xué)家和工業(yè)家圣克萊爾·德維利提供了一大筆資金，讓他用來大量生產(chǎn)鋁，準(zhǔn)備用這些鋁為法國軍隊士兵的服裝上都安上鋁紐扣并裝備上鋁胸甲。但是，當(dāng)時鋁的冶煉方法太落后了，電力又不足，因此鋁的產(chǎn)量一直很少，生產(chǎn)的鋁仍然很貴。結(jié)果，拿破侖三世的計劃沒有實現(xiàn)。但是，他還是花了大量資金讓他的衛(wèi)士們都穿上鋁胸甲，這在其他國王看來當(dāng)然是可望而不可即的。

（四）

俄羅斯作家車爾尼雪夫斯基（Chernyshevsky）在1863年他寫成的小說《怎么辦》中這樣描寫過金屬鋁：“終有一天，鋁將代替木材，甚至可能代替石頭。看，這一切是多么奢侈，到處都是鋁。”由此可以看出他對這種金屬的贊美和期待。

1889年，俄國著名的化學(xué)家門捷列夫到英國倫敦訪問和講學(xué)。為表彰他在化學(xué)上的貢獻，尤其是關(guān)于發(fā)現(xiàn)元素周期律和建立元素周期表的杰出貢獻，英國科學(xué)家們贈給他一件貴重的獎品——一架用金和鋁制成的天平。

其實，還有許多關(guān)于鋁的小故事。不過，這些小故事都不足為奇，因為鋁的價格高低完全取決于煉鋁工業(yè)的水平。

交流·分享

19世紀(jì)末，奧地利化學(xué)家拜爾在前人實驗的基礎(chǔ)上研究出了一種生產(chǎn)鋁的方法——電解氧化鋁。不久后，鋁的產(chǎn)量劇增，鋁的價格也大降。在俄國，1854年時1kg鋁要1200盧布；而到19世紀(jì)末，就降到了1個盧布。珠寶商人從此對鋁失去了興趣，但鋁卻受到了整個工業(yè)界的青睞。對此，你有什么感觸？請與同學(xué)們交流分享。

三、鋁的漫長發(fā)現(xiàn)史和冶煉史

情境·問題

人類自古以來就同含鋁的化合物打交道，但直至19世紀(jì)末鋁才嶄露頭角并逐漸得以廣泛應(yīng)用，這是為什么？

1.鋁的發(fā)現(xiàn)史

古代，人們曾用一種稱為明礬（意思是“結(jié)合”）的礦物做染色固定劑。在俄羅斯，最早生產(chǎn)明礬的年代可追溯到8~9世紀(jì)，當(dāng)時明礬用于染色業(yè)和羊皮鞣制業(yè)。

中世紀(jì)，生產(chǎn)明礬的作坊在歐洲已有好幾家。

16世紀(jì)，德國醫(yī)生兼自然科學(xué)歷史學(xué)家帕拉塞斯（Parace/sus P.A.T.，1949—1541）研究了許多物質(zhì)和金屬，其中也包括明礬（硫酸鋁），證實它們是“某種礬土鹽”，在對鋁的研究歷史上寫下了新的一頁。帕拉塞斯所指的這種礬土鹽中的一種成分其實是鋁的氧化物，只不過當(dāng)時并不知道，后來被叫作氧化鋁。

1757年，德國化學(xué)家馬格拉夫（Marggraf.A.S.，1709—1937）對“礬土”進行了分離，得到了帕拉塞斯提到過的那種物質(zhì)。直到1807年，英國科學(xué)家漢弗萊·戴維（Humphry·Davy，1778—1829）才從明礬中提取了有關(guān)金屬，用電解法發(fā)現(xiàn)了鉀和鈉，不過他沒能夠分解氧化鋁。瑞典化學(xué)家貝采里烏斯（Jons Jakob Berzelius，1779—1848）進行了類似的實驗，但也未發(fā)現(xiàn)鋁。不過，科學(xué)家還是給這種并不清楚的金屬取了一個名字。先是貝采里烏斯把它稱為“鋁土”，后是戴維稱它為鋁。在沒提煉出純凈的金屬之前，這種金屬卻有名字了，這在元素發(fā)現(xiàn)史上還真是一件奇事。

圖2-14-8　德國化學(xué)家馬格拉夫

圖2-14-9　英國化學(xué)家、發(fā)明家戴維

圖2-14-10　瑞典化學(xué)家貝采里烏斯

圖2-14-11　丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家奧斯特

圖2-14-12　德國化學(xué)家維勒

1825年，丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家漢斯·奧斯特（Hans Christian rsted，1777—1851）提煉出一塊顏色和光澤有點像錫的金屬。在實驗過程中，他將氯氣通過紅熱的木炭和鋁土（氧化鋁）的混合物制得了氯化鋁，然后使氯化鋁與鉀汞齊、氯化鋁反應(yīng)得到鋁汞齊。他在隔絕空氣的情況下將鋁汞齊中的汞蒸發(fā)掉得到了一種金屬。奧斯特把這一實驗結(jié)果發(fā)表在一份雜志上，不過這份雜志不太出名，加之奧斯特又忙于電磁現(xiàn)象研究，這個實驗就被忽視了。現(xiàn)在看來，奧斯特所得到的是一種不純的金屬鋁，但他最終還是與鋁的發(fā)現(xiàn)失之交臂。

奧斯特與德國年青的化學(xué)家維勒（Wohler.F.，1800—1882）是好朋友，就把如上所述的實驗過程和結(jié)果告訴了維勒，并說不想再繼續(xù)進行這一實驗了。聽了奧斯特的介紹，維勒很感興趣，便開始重復(fù)奧斯特的實驗。在實驗過程中，維勒發(fā)現(xiàn)鉀汞齊與氯化鋁反應(yīng)能形成一種灰色熔渣，將這種灰色熔渣中所含的汞蒸發(fā)掉后可得到一種與鐵的顏色一樣的金屬塊，對這種金屬塊加熱時能產(chǎn)生類似于鉀燃燒時所產(chǎn)生的煙霧。維勒把這一切寫信告訴了貝采里烏斯，說重復(fù)了奧斯特的實驗但沒有制出金屬鋁，指出這不是一種制備金屬鋁的好方法。

于是，維勒設(shè)計了新的提煉鋁的方法，重新開始實驗。他使熱的碳酸鉀與沸騰的明礬溶液反應(yīng)，將所得到的氫氧化鋁經(jīng)過洗滌和干燥后與木炭粉、糖、油等混合并調(diào)成糊狀，然后將這種混合物放在密閉的坩堝中加熱得到了氧化鋁和木炭的燒結(jié)物，接著將這種燒結(jié)物加熱到紅熱程度并通入干燥的氯氣，這樣就得到了無水氯化鋁。維勒將少量金屬鉀放在鉑坩堝中，在它的上面覆蓋一層過量的無水氯化鋁，并用坩堝蓋將反應(yīng)物蓋住；對坩堝加熱時，坩堝內(nèi)的物質(zhì)很快就達(dá)到了白熱的程度。反應(yīng)完成后，維勒將冷卻后的坩堝放入水中，發(fā)現(xiàn)坩堝中的混合物并不與水發(fā)生反應(yīng)，水溶液也不顯堿性，可見坩堝中的反應(yīng)物之一──金屬鉀已經(jīng)完全作用完了。這時，坩堝中剩下的混合物乃是一種灰色粉末，他認(rèn)為這就是金屬鋁，于是于1827年末發(fā)表文章介紹了自己提煉鋁的方法。

當(dāng)時，維勒提煉出來的鋁是顆粒狀的，顆粒大的也沒超過一個針頭大，但他堅持進行實驗并不斷地改進方法，前后用了18年的時間終于獲得了成功。這其中，1836年，維勒分離出小粒狀鋁；1849年，他又制得黃豆大的致密的鋁。

為了紀(jì)念維勒首次分離出金屬鋁，在美國威斯汀豪斯實驗室曾經(jīng)鑄了一枚鋁制的維勒掛像。

探究·發(fā)現(xiàn)

查閱資料，寫出維勒提煉金屬鋁過程中所發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式，并注明反應(yīng)條件。

2.鋁的冶煉史

雖然丹麥的奧斯特分離出少量的鋁，德國化學(xué)家維勒發(fā)現(xiàn)了鋁并制得鋁塊，但用這種實驗的方法制得的鋁太昂貴了，無法進行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

圖2-14-13　法國化學(xué)家德維爾

1854年，法國化學(xué)家圣克萊爾·德維爾（Sainte-Claire Deville，Henri Etienne，1818—1881）用金屬鈉與無水氯化鋁一起加熱制得一個小鋁球。實驗中，他改用金屬鈉代替金屬鉀雖然極大地降低了費用，但仍不適用于工業(yè)生產(chǎn)。

1884年，只有21歲的就讀于美國奧伯林學(xué)院化學(xué)系的青年學(xué)生查爾斯·馬丁·霍爾（Charles Martin Hal，1863—1914），聽到曾是維勒的學(xué)生的一位教授說 “不管誰能發(fā)明一種低成本的煉鋁法，都會出人頭地”后，意識到只有找到廉價的煉鋁方法，才能使鋁被普遍應(yīng)用，便決心投入煉鋁方法的研究。

圖2-14-14　美國發(fā)明家、工程師和企業(yè)家查爾斯·馬丁·霍爾

霍爾的實驗室實際上就在自己家里的柴房中。他打算應(yīng)用戴維早期的一項發(fā)明進行實驗：讓電流通過熔融的金屬鹽使金屬離子在陰極上沉積下來，從而將有關(guān)金屬分離出來。由于氧化鋁的熔點達(dá)到2050℃，要想使其熔化，必須找到一種能夠熔化氧化鋁而又能降低其熔點的材料。偶然之間，霍爾發(fā)現(xiàn)冰晶石（Na3AlF6）具有這種性能。冰晶石-氧化鋁熔鹽的熔點僅在930℃~1000℃之間，并且冰晶石在電解溫度下不被分解，又具有足夠的流動性，這對于電解的進行十分有利。

霍爾采用瓷坩堝、碳棒（陽極）和自制電池對精制的氧化鋁礦石進行電解。他把氧化鋁礦石熔于10%~15%的熔融冰晶石里，再通以電流，這時有氣泡出現(xiàn)，卻沒有金屬鋁析出。他推測，這是電流使坩堝中的二氧化硅分解而游離出硅。于是他對坩堝進行改裝，用碳做坩堝襯里并將碳作為陰極，從而解決了這一難題。

1886年2月的一天，霍爾終于看到小球狀的鋁聚集在陰極上，心情激動不已，連忙帶著所制得的一把金屬鋁球見他的教授。后來這些鋁球成為“王冠寶石”，至今仍珍存在美國制鋁公司的陳列廳中，而霍爾本人也成為美國著名的發(fā)明家、工程師和企業(yè)家，美國鋁業(yè)（Alcoa）副總裁。為了紀(jì)念查爾斯·馬丁·霍爾，美國奧伯林學(xué)院修建了一座霍爾的鋁制雕像。

廉價煉鋁方法的發(fā)明，使鋁這種在地殼中含量占8%的元素從此成了為人類提供多方面重要用途的材料。

非常巧合的是，一位與霍爾同齡的后來成為法國冶金學(xué)家的埃魯也在比霍爾稍晚些時候發(fā)明了相同的煉鋁方法。

霍爾與埃魯在相距遙遠(yuǎn)的兩大洲，同年來到人世（1863年），又同年發(fā)明了電解煉鋁法（1886年）。雖然他們之間曾一度發(fā)生了專利權(quán)的糾紛，但后來卻成為莫逆之交。1911年，當(dāng)美國化學(xué)工業(yè)協(xié)會授予霍爾著名的佩琴獎?wù)聲r，埃魯還特意遠(yuǎn)涉重洋到美國參加授獎儀式，親自向霍爾表示祝賀。后來，人們一提起電解煉鋁法發(fā)明的時候，總把霍爾和埃魯?shù)拿致?lián)在一起。

交流·分享

下面所列的是從鋁土礦中提取鋁反應(yīng)過程及所涉及反應(yīng)的化學(xué)方程式。

（1）溶解，將鋁土礦溶于NaOH（aq）：

Al2O3+2NaOH

2NaAlO2（偏鋁酸鈉）+ H2O

（2）過濾：除去殘渣氧化亞鐵（FeO）、硅鋁酸鈉等。

（3）酸化，向濾液中通入過量CO2：

NaAlO2+CO2+2H2O

Al（OH）3↓+ NaHCO3

（4）過濾、灼燒 Al（OH）3：

（5）電解：

與維勒提煉金屬鋁的過程相比，你有何感觸？請與同學(xué)們交流分享。

四、實驗室研究金屬鋁

1.實驗原理

（1）物理性質(zhì)。

①鋁：金屬鋁是一種銀白色金屬，熔點為660.4℃，沸點為2467℃；它的硬度比較小，具有良好的延展性和導(dǎo)電性。

圖2-14-15　氧化鋁

②氧化鋁：氧化鋁是一種難溶于水的白色固體，無臭，無味，質(zhì)地極硬，熔點為2050℃。

（2）化學(xué)性質(zhì)。

①鋁：

鋁與酸反應(yīng) ：如2Al +6HCl

2AlCl3+ 3H2↑

鋁與堿反應(yīng) ：如2Al+2NaOH+2H2O

2NaAlO2+3H2↑

鋁與非金屬反應(yīng)：如

鋁熱反應(yīng)：可簡單認(rèn)為是鋁與某些金屬氧化物（如Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5等）在高熱條件下發(fā)生的反應(yīng)。由此產(chǎn)生的鋁熱法是一種利用鋁的還原性獲得高熔點金屬單質(zhì)的方法。鋁熱反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，其中鎂條為引燃劑，氯酸鉀為助燃劑。鎂條在空氣中燃燒，氧氣是氧化劑；插入混合物中的部分鎂條燃燒時，氯酸鉀則是氧化劑，保證鎂條的繼續(xù)燃燒，同時放出足夠的熱量促使氧化鐵和鋁粉反應(yīng)。由于鋁熱反應(yīng)放出大量的熱，只要反應(yīng)已經(jīng)引發(fā)就可劇烈進行，放出的熱使生成的鐵呈液體狀態(tài)。要注意，不能用高錳酸鉀代替氯酸鉀，因為高錳酸鉀氧化性太強，高溫下會和具有強還原性的鎂反應(yīng)發(fā)生爆炸。以氧化鐵為例，鋁熱反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

②氧化鋁：

氧化鋁是典型的兩性氧化物，既能和酸反應(yīng)也能和堿反應(yīng)，如：

Al2O3+ 6HCl2AlCl3+ 3H2O

Al2O3+ 2NaOH

2NaAlO2+ H2O

2.實驗用品

試劑：易拉罐，蒸餾水，0.5 mol/L CuSO4溶液，2 mol/L CH3COOH溶液，2mo l/L NaOH溶液，氧化鐵粉末，KClO3固體，鎂條，鋁粉。

儀器：試管，酒精燈，蒸發(fā)皿，托盤天平。

材料：砂紙，鑷子，剪子，濾紙，火柴，細(xì)沙，藥匙。

3.實驗過程

（1）將易拉罐清洗干凈后，用剪子將其剪成若干碎片。

（2）在空氣中加熱：用鑷子取一片細(xì)長易拉罐罐體碎片，在酒精燈上加熱一角，觀察現(xiàn)象。

（3）與酸的反應(yīng)：取一小片易拉罐罐體碎片放入試管中，加入10 mL 2mol/L CH3COOH溶液浸泡幾分鐘，觀察現(xiàn)象。

（4）與堿的反應(yīng)：取一小片易拉罐罐體碎片放入試管中，加入10 mL 2mol/L NaOH溶液，觀察現(xiàn)象。

（5）與鹽溶液的反應(yīng)：

①取一小片易拉罐罐體碎片浸入20 mL 0.5 mol/L CuSO4溶液泡1~2分鐘，取出碎片靜置，觀察碎片表面發(fā)生的現(xiàn)象。

②將一小片易拉罐罐體碎片放入試管中，加入10 mL 2 mol/L NaOH溶液浸泡，片刻后取出，用蒸餾水沖洗干凈后，浸入20 mL 0.5 mol/L CuSO4溶液泡1~2分鐘，取出碎片靜置，觀察碎片表面發(fā)生的現(xiàn)象。

（6）鋁熱反應(yīng)：

①取一張圓形濾紙，倒入5g炒干的氧化鐵粉末，再倒入2g鋁粉。

②將兩者混合均勻。用兩張圓形濾紙，分別折疊成漏斗狀，將其中一個取出，在底部剪一個孔，用水潤濕，再跟另一個漏斗套在一起，使四周都有四層。

圖2-14-16　鋁熱反應(yīng)實驗裝置

③將漏斗狀濾紙架在鐵圈上，下面放置盛沙的蒸發(fā)皿，把混合均勻的氧化鐵粉末和鋁粉放在紙漏斗中，上面加少量氯酸鉀，并在混合物中間插一根鎂條，點燃鎂條，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。

④蒸發(fā)皿里的鎂條劇烈燃燒，放出一定的熱量，使氧化鐵粉末和鋁粉在較高的溫度下發(fā)生劇烈的反應(yīng)，放出大量的熱；同時，紙漏斗被燒穿，有熔融物落入蒸發(fā)皿里的沙中。待熔融物冷卻后，除去外層熔渣，仔細(xì)觀察可以看到，落下的是鐵珠。這個反應(yīng)叫作鋁熱反應(yīng)，反應(yīng)生成鐵和氧化鋁。

4.鋁熱反應(yīng)實驗中的注意事項

（1）鋁熱反應(yīng)有一定的危險性，如果沒有有效的防火和耐高溫措施，不適合在家里或房間里做該實驗；否則，容易造成化學(xué)燙傷、化學(xué)爆炸等事故。

（2）鎂條必須打磨光亮，長10cm左右為宜：太短時燃燒產(chǎn)生的熱量不足，太長則造成浪費。

（3）不要在承接容器中加水，否則水高溫分解產(chǎn)生的氫氣容易發(fā)生爆炸。（4）切忌在反應(yīng)物附近放置可燃物，易燃物或玻璃等易爆物品。

（5）用氯酸鉀做氧化劑時，不能隨意加大劑量，否則會引起物理爆炸和化學(xué)爆炸；在點燃反應(yīng)物之前，應(yīng)先撤離周圍人員并與實驗裝置保持一段距離。

5.由實驗引發(fā)的思考

（1）將易拉罐罐體碎片加熱后，碎片熔化但并沒有掉落，這說明了什么問題？（提示：熔化的是鋁，沒有熔化的是氧化鋁）

（2）對于與CuSO4溶液反應(yīng)的比較實驗，你認(rèn)為是什么原因?qū)е铝瞬煌膶嶒灛F(xiàn)象？總結(jié)一下，可以采用哪些方法除去鋁表面的氧化膜？

（3）通過這些實驗，你認(rèn)為我們在使用鋁制餐具時應(yīng)注意哪些問題？