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鋁
有色金屬
鋁（英語：Aluminum），鋁是一種發(fā)現(xiàn)歷史短、用途極其廣泛的新型輕金屬。
基本信息
英文名
Aluminum
元素符號
Al
原子序數(shù)
13
族
ⅢA族
周期
第三周期
物理性質
物態(tài)
固態(tài)
密度
2.698 g·cm?3（20 ℃）
熔點
660.24 ℃（高純鋁99.99%）
沸點
2060 ℃（高純鋁99.99%）
水溶性
3.961×10? J·kg?1
比熱容
934.92 J·（kg·K）?1（100 ℃）
鋁位于門捷列夫元素周期表的第三周期第ⅢA族，化學元素符號為Al，原子量26.981454，原子序數(shù)為13，立方晶系，立方面心晶格。無同素異構轉變，常見化合價為+3價，是一種銀白色的輕金屬，20 ℃時，密度為2.698 g·cm?3，高純鋁（99.99%）的熔點為660.24 ℃，沸點為2060 ℃。[2]鋁的化學性質十分活潑，自然界中僅發(fā)現(xiàn)了極少量游離態(tài)的鋁，其絕大部分是以化合態(tài)的形式與其他礦物共生。含鋁的礦物總計有250多種，主要的是鋁土礦、高嶺土、霞石、明礬石、黏土等。
事實上，黏土本身就是一種主要為硅鋁酸鹽的礦物，所以人類利用鋁的歷史非常悠久，因為從史前時代開始，人們就利用各類黏土燒制陶器。除此之外，鋁也應用于航空航天、公路、食品、醫(yī)藥、電子產品和傳輸導線等領域。鋁是一種低毒性化合物，在工業(yè)應用和日常生活中接觸過多，則會對人身造成傷害。
發(fā)現(xiàn)歷史
鋁的英文名稱“aluminum”一詞是從古羅馬語“alumen”（明礬）衍生而來的。
50年代初，考古學者在西晉周處（公元249-297）墓中發(fā)現(xiàn)鋁質帶飾，光譜分析含Al超過90%。
中世紀，歷史學家帕拉塞斯（P.A.T.Paracesus）使鋁的發(fā)展更進一步，：他研究了許多物質和金屬，其中也包括明礬（硫酸鋁），證實它們是“某種礬土鹽”。
1754年，德國化學家馬格拉夫（A.S.Marggraf）終于能夠分離帕拉塞斯提到過的物質“礬土”。[5]但是，直到1807年，英國人戴維才把“隱藏”在明礬中的金屬分離出來，他用電解法發(fā)現(xiàn)了鉀和鈉，卻沒能分解氧化鋁。
1825年，丹麥科學家漢斯·克利斯季安·艾爾斯捷德在一家科技雜志上發(fā)表論文寫道，他進行試驗得到了一塊金屬，顏色和光澤有些像錫。其實這塊新金屬就是后來用途很廣泛的鋁。
1827年，德國化學家弗利德利赫·維列爾著手研究這塊新金屬，終于年底發(fā)表了制取新金屬鋁的方法。當時維列爾的方法只能分離出顆粒狀的鋁，繼續(xù)實驗最后才制得了高質量的鋁。
人們發(fā)現(xiàn)鋁之后，鋁的礦產資源逐年減少，并且從鋁土礦的開采、氧化鋁的生產、鋁的電解冶煉到鋁加工成品，需要消耗大量的能源和原材料，生產成本昂貴，污染環(huán)境、影響人類的健康。不過鋁有很高的回收與再生性，為了節(jié)約成本，人們逐漸將目光轉向發(fā)展再生鋁工業(yè)。
分布情況
鋁是地殼中分布最廣、儲量最多的金屬元素之一，約占地殼總質量的8.2%，僅次于氧和硅，比鐵（約占5.1%）、鎂（約占2.1%）和鈦（約占0.6%）的總和還多。[2]在火成巖中由鋁和氧結合形成的礦物的質量中40%-60%為Al?O?，其他為SiO?、Fe?O?等雜質。單獨的氧化鋁礦有鋁土礦、薄水鋁礦（α-Al?O?·H?O）、剛玉（Al?O?）等，和硅酸鹽結合在一起的有長石。高嶺土含鋁約20%，蒙脫土中含鋁約11%。[10]含有長石的巖石（花崗巖、片麻巖、斑巖等）受空氣中二氧化碳與水分的作用發(fā)生風化，生成可溶性的堿土金屬碳酸氫鹽和堿金屬硅酸鹽，它們是植物的重要滋養(yǎng)料，而不溶性硅酸鋁則殘存下來形成粘土土壤。剛玉與剛玉砂的化學成分是氧化鋁（Al?O?）。含有微量其他金屬而帶顏色的結晶剛玉是貴重的寶石（藍寶石，紅寶石）。蘇聯(lián)、美國、意大利、北美的阿肯色河與南美的瓜雅那等地擁有巨大的鋁礬土礦。德國只在頑格爾斯堡的西部有一個很小的礦產地。蘇聯(lián)的巨大鋁礬土礦分布在烏拉爾北部和中部、齊赫文、哈蘸克斯坦、西伯利亞東部。特別是烏拉爾北部的紅帽山礦區(qū)出產很高質量的鋁礬土。
物質結構
1.塑性好，強度低。鋁具有面心立方晶體結構，結晶后無同素異構轉變，表現(xiàn)出極好的塑性，適于冷加工成形。[12]可以采用多種方式（軋制、擠壓、模鍛、冷沖、彎曲等）加工成多種復雜形狀的材料與構件。
2.鋁原子的外圍電子構型為3s23p1，在化合物中經(jīng)常表現(xiàn)為+3氧化態(tài)。鋁原子有空的3d軌道，與電子對給予體能形成配位數(shù)是6或4的穩(wěn)定配合物。如：Na?[AlF?]等。
2?Al的原子核內有14個中子和13個質子，13個電子在各層軌道上的分布是1s22s22p?3s23p1。如果同時失去2個3s電子和1個3p電子，則生成三價鋁離子（Al3?）；如果失去1個3s電子和1個3p電子，則生成二價鋁離子（Al2?）；如果失去1個3p電子，則生成一價鋁離子（Al?），低價鋁離子在低溫下通常不穩(wěn)定。鋁的晶格屬于面心立方體型。鋁原子（鋁離子）位于晶格的節(jié)點上和面的中心，這相當于每個晶格內有4個鋁原子。
理化性質
物理性質
1.密度小，強度高。單質鋁的密度為常數(shù)，但在實際使用中鋁金屬中會含有其他合金元素和雜質，影響其密度，使鋁密度增大的元素是Fe、Cu、Mn、V、Cr、Ti、Pb等，使其降低的元素是B、Ca、Mg、Li等。在950 ℃時，鋁液的密度為2.303 g/cm3。
2.導電、導熱性好。鋁的電導率約為銅的60％，如果按單位質量計，鋁的電導率則超過了銅，在遠距離傳輸時經(jīng)常代替銅。
3.耐熱性差。200 ℃時強度下降1/3，熱膨脹系數(shù)大，是鐵的2倍。
4.耐蝕性、耐氣候性好。鋁因為表面能生成硬且致密的氧化薄膜，很多物質它不產生腐蝕作用。
5.低溫性能好。-253~0 ℃時，塑性、沖擊韌度不降低，隨溫度下降，強度、塑性升高。
6.工藝性能好。鑄造、切削、壓力加工性能好。[13]易于擠出形狀復雜的中空型材和適用于拉伸加工及其他各種冷熱塑性成型。
7.對光、熱、電磁波的反射性好。對光的反射率，拋光鋁為70%，高純度鋁經(jīng)過電解拋光的為94%，比銀（92%）還高。
8.沒有磁性。不產生附加的磁場。
9.熔點低、沸點高。鋁的熔點與純度有密切關系，純度99.996%的鋁，其熔點公認為最精確的測定值為660.24 ℃。純度99.99%的鋁，熔點一般降低1-2 ℃。
10.電阻率小。固體和液體鋁的電阻率均隨溫度降低而減小，靠近0 K時，鋁的電阻率接近零。鋁表面的氧化膜不僅耐腐蝕的能力，而且有一定的絕緣性。
11.鋁可以同多種金屬和非金屬構成合金。某些合金的力學強度甚至超過結構鋼，具有很大的強度/質量比值。
12.鋁粉具有銀白色的光澤。
13.鋁具有吸音性能。
化學性質
從熱力學上看，鋁是活潑的金屬之一，但是在許多氧化性介質、水、大氣、大部分中性溶液和許多弱酸性介質與強氧化性介質中，鋁具有相當高的穩(wěn)定性。
1.鋁能與氧氣發(fā)生氧化反應。
（1）鋁常溫下與氧氣反應，形成致密的氧化膜，抗腐蝕性比鎂還強。
（2）鋁在純氧或高溫下可燃燒，放出大量的熱和耀眼的光：
4Al+3O?=2Al?O?（高溫條件）
2.耐化學藥品。鋁在干燥空氣中會和氧氣反應，在表面生成致密的氧化鋁（Al?O?）薄膜，能有效防止鋁的進一步氧化或與水、稀酸反應，可以用于化學制品、酸和化學品包裝等。
3.鋁是化學性質很活潑的金屬，容易與氧氣和各種水溶液反應，因而鋁在自然界中很少以游離狀態(tài)出現(xiàn)。
（1）鋁與H?O反應：
2Al+6H?O（沸）=2Al(OH)?+3H?↑
4.鋁在高溫下能夠還原其他金屬氧化物，利用這些反應可制取某些金屬。
（1）鋁與某些氧化物置換反應：
10Al+3V?O?=5Al?O?+6V（加熱條件）
8Al+3Fe?O?=4Al?O?+9Fe（加熱條件）
5.鋁在800 ℃以下溫度會與三價鋁的鹵化物發(fā)生反應生成一價鋁化合物，并且在冷卻時，此反應可逆，可以利用此性質從鋁合金中提取純鋁。
（1）Al和一些非金屬，如B、Si、P、As等直接反應生成相應的化合物：
4Al+3C=Al?C?（2000 ℃條件下）
2Al+Cl?=2AlCl?（加熱條件）
（2）鋁生成的三鹵化物
Al3?+6F?=AlF?3?
6.鋁具有酸堿兩性性能，鋁能與酸起反應，生成鋁鹽；鋁能與苛性堿溶液反應，生成氫氣和可溶性鋁酸鹽。堿和鹽會破壞鋁表面的氧化膜，降低鋁的抗銹蝕性，但是高純度鋁能夠抵御某些酸的腐蝕作用。
（1）金屬鋁在酸性條件下的反應：
2Al+6H?=2Al3?+3H?↑
（2）金屬鋁在堿性條件下的反應：
2Al+2OH?+2H?O=2AlO??+3H?↑
（3）鋁與非強氧化性酸反應：
2Al+6HCl=2AlCl?+3H?↑
（4）鋁與強氧化性酸反應：
常溫下被濃硫酸、濃硝酸鈍化
（5）鋁與堿反應：
2Al+2NaOH+2H?O=2NaAlO?+3H?↑
7.鋁不與碳氫化合物起反應，但是因碳氫化合物中可能含有堿或酸，也會使鋁受到腐蝕。鋁不與酒精、酚、醛、酮、醌發(fā)生反應，但是鋁同醋酸起反應，溫度升高，則反應加劇。
化合物
1.金屬鋁及其化合物反應關系圖：
2.無水AIX?(AlF?除外)都是缺電子體，是典型的Lewis酸，可以和Lewis堿加合。
C?H?+CH?CH?Cl→C?H??（AlCl?催化條件）
C?H?+C?H?OCl→C?H?O（AlCl?催化條件）
C?H?+(CH?CO)?O→C?H?O（AlCl?催化條件）
AlCl?因為很容易水解，水解形成Al(OH)?，而絮狀的Al(OH)?在沉降的過程中能夠吸附水中的雜質一起沉降而起到凈水的作用。
3.鋁的含氧化合物：
Al?O?有α-Al?O?，γ-Al?O?，η-Al?O?三種形式，后兩種Al?O?酸堿都溶，而α-Al?O?不溶于酸，只能與KHSO?一起熔融才能轉化成可溶性的硫酸鹽：
2KHSO?=H?O+K?S?O?（加熱條件）
Al?O?+3K?S?O?=3K?SO?+Al?(SO?)?
同位素
鋁一共有22個已知同位素，質量數(shù)在22-43之間，這些同位素中，只有2?Al是穩(wěn)定的，其他都具有放射性。
剩余的同位素中2?Al最穩(wěn)定，2?Al的大氣產生遠遠低于1?C或1?Be，因為其母體40Ar僅占大氣氣體的1％。由于宇宙射線的大氣衰減，地球表面就地產生也是低的。因此，2?Al的首次研究是月球與隕石，隕石碎片在它們通過空間過程中暴露于強烈的宇宙射線轟擊，產生大量的2?Al。2?Al也可以通過β?衰變生成12Mg在應用上被用于隕石年齡的測定。2?Al的半衰期為72萬年。除此之外，2?Al半衰期只有2.1秒，2?Al半衰期6.6分，3?Al半衰期3.3秒，2?Al半衰期為2.31分。
毒性
鋁有低毒性，是一種慢性積蓄性神經(jīng)毒素。過量的鋁還會在類骨質中置換出鈣并導致軟骨癥。
制備方法
1.鋁的冶煉：鋁土礦與過量NaOH反應，生成NaAlO?，再加入CO?，生成Al(OH)?，加熱則可生成Al?O?，電解生成Al。
2.制備金屬鋁的工業(yè)方法：在加壓條件下，用NaOH溶液處理鋁土礦得到NaAl(OH)?，將氧化鋁溶解在熔融的冰晶石中電解。
Al?O?+2NaOH+3H?O=2NaAl(OH)?
NaAl(OH)?+CO?=Al(OH)?+NaHCO?
2Al(OH)?=Al?O?+3H?O（加熱條件）
將制備出的Al?O?進行電解，熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質，以碳素體作為陽極，鋁液作為陰極，通入強大的直流電后，在950-970 ℃下，在電解槽內的兩極上進行電化學反應，即電解。陽極上發(fā)生的反應式：2O2?+C-4e=CO?，陰極上發(fā)生的反應式：Al3?+3e=Al
3.偏析法
偏析法又稱凝固提純法，是利用熔融鋁凝固（結晶）時產生偏析現(xiàn)象而提取高純鋁的方法。通常將Wɑ稱為某種雜質在固態(tài)鋁中的含量，而W?代表某種雜質在鋁熔體中的含量，而將叫Wɑ／W?的比值稱為平衡分配系數(shù)(Ko=Wɑ／W?)。凡是Ko小于1的雜質如Si、Fe、Cu、Zn、U、Th等都可以通過偏析法在一定程度上除去；而Ko大于1的如Ti(Ko=8.0)、Cr(Ko=2)等則不能采用偏析法除去，因為這時它們在固態(tài)鋁中的含量會大于熔體中的。通過多次偏析反復提純就可以獲得5N級的高純鋁。
4.區(qū)域熔煉法
區(qū)域熔煉法或區(qū)域提純法其原理與偏析法相同。
生產中將高純鋁棒置入特制加熱爐（器）內，并緩慢移動此區(qū)，利用雜質在固相與液相間的溶解度差異（偏析）除去鋁中的雜質。當熔融區(qū)自左向右緩慢移動時，分配系數(shù)Ko小于1的雜質就會逐漸向右邊富集；反之，則向左邊富集。一次區(qū)域提純往往達不到所要求程度，因此需要重復提純多次，或者用一系列的加熱器，在同一根鋁棒上產生幾個熔融區(qū)，讓它們在一次操作時先后通過原料鋁棒。鋁棒右段含雜質較多，左段即是純度高的超純鋁或極純鋁。 5.有機溶液電解法
為制備超高純鋁，可以使用高純鋁（4N）作為陽極進行有機溶液電解，得到的陰極高純鋁中雜質含量也較少。目前主要選用烷基鋁（如三乙基鋁）與氟化鈉的配合物作為電解溶液。提純原理：因為鋁比氫活潑，故不能從水溶液中電解出鋁，但是可以使用鋁的有機化合物或配合物作為電解溶液，鋁從陽極溶解后，電解液中鋁在陰極析出。
6.泡沫鋁的制備。泡沫鋁是一種在金屬鋁基體中分布有無數(shù)氣泡的多孔質材料。根據(jù)制備過程中鋁的狀態(tài)可以分為三大類：液相法、固相法和電沉積法。
液相法：通過液態(tài)鋁產生泡沫結構，可在鋁液中直接發(fā)泡，也可用高分子泡沫或緊密堆積的造孔劑鑄造來得到多孔材料。
固相法：用鋁粉末代替液態(tài)鋁同樣可制得多孔材料。因為大部分固相法通過燒結使鋁顆?；ハ嗦?lián)結，鋁始終保持在固態(tài)，所以此法生產的泡沫鋁多數(shù)具有通孔結構。
電沉積法：以泡沫塑料為基底，經(jīng)導電化處理后，電沉積鋁制成?？赏ㄟ^浸涂導電膠、磁控濺射錫膜或化學鍍膜等方法使泡沫塑料導電。由于鋁的電極電位比氫還負，所以不可以采用鋁鹽水溶液電鍍，可采用烷基鋁鍍液。用電沉積法生產的泡沫鋁具有孔徑小、孔隙均勻、孔隙率高等特點，其隔熱性能和阻尼特性優(yōu)于鑄造法生產的泡沫鋁。
應用領域
鋁是有色金屬中應用范圍僅次于鋼鐵的第二大金屬。鋁工業(yè)現(xiàn)在是世界上最大的電化學冶金工業(yè)，鋁的產量在金屬中僅次于鋼鐵，居有色金屬之首。鋁作為各國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎原材料之一，也是強軍強國的重要戰(zhàn)略物資，因其具有特殊的化學、物理特性，決定了鋁的用途非常廣泛。鋁被廣泛應用在航空航天、公路、鐵路、航海、食品、醫(yī)藥、包裝、建筑、機械制造、防腐工程、電子產品和傳輸導線等領域。[2]對于不同晶型的Al?O?，γ-Al?O?與η-Al?O?具有大的表面積，可作催化劑載體。α-Al?O?可作人造寶石，根據(jù)所含雜質不同顯現(xiàn)不同顏色。高溫燒結的Al?O?硬度大，熔點高，可作耐蝕劑或高溫耐火材料。針對鋁的不同基本特性對應應用領域舉例。
基本特性 | 主要應用領域舉例 | 優(yōu)點 |
質量輕 | 鋁制造的物品質量輕，可以節(jié)省搬運費和加工費。在實際應用中用于制造飛機、軌道車輛、汽車、船舶、橋梁、高層建筑和質量輕的容器等 | 節(jié)省搬運費和加工費用 |
強度好 | 鋁合金的強度比普通鋼好，針對此性能應用于制造橋梁（特別是吊橋、可動橋）、飛機、壓力容器、集裝箱、建筑結構材料 | |
工藝性能 | 鋁的延展性優(yōu)良，適宜拉伸、加工各種冷熱塑性變形，因此應用于受力結構部件框架，一般用品及各種容器、光學儀器及其他形狀復雜的精密零件 | 加工容易 |
美觀、適于各種表面處理 | 鋁本身具有氧化膜，并且可以通過染色和涂刷等方法，制造出各種顏色和光澤的表面。建筑用壁板、器具裝飾、裝飾品、標牌、門牌、儀表外殼及室內外裝修材料等 | |
耐蝕性、耐氣候性好 | 鋁表面的致密氧化薄膜，有優(yōu)良的耐久性。門板、車輛、船舶外部覆蓋材料、廚房器具、化學裝置、材料、化學藥品包裝等 | 優(yōu)良的耐久性 |
耐化學藥品 | 用于化學用裝置和包裝及酸和化學制品包裝等 | 對硝酸、冰醋酸、過氧化氫等化學藥品有非常好的耐藥性 |
導熱、導電性好 | 電線、母線接頭、鍋、電子元件等 | |
對光、熱、電磁波的反射性好 | 照明器具、反射鏡、冷凍庫、投光器、冷暖器的隔熱材料 | |
沒有磁性 | 船上用的羅盤、天線、操舵室的器具等 | 精密儀器與軍事領域不起干擾作用 |
無毒 | 鋁本身沒有毒性，并且表面光滑、容易清洗，故細菌不易停留繁殖。在實際應用于食具、食品包裝、魚罐、魚倉、食品容器等方面 | |
有吸音性 | 鋁對聲音是非傳播體，有吸收聲波的性能，因此多應用于室內天棚版等 | |
耐低溫性 | 低溫時，鋁的強度增加并且無脆性，是理想的用于低溫裝置材料。應用于冷藏庫、冷凍庫、氧及氫的生產裝置 | |
絕緣性 | 電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無線電工業(yè) | 電阻率小 |
放出大量熱 | 制造爆炸混合物 | |
活潑金屬 | 生產焰火的原料 | 再生利用率高 |
酸堿兩性性能 | 儲存硝酸、濃硫酸、有機酸和其他化學試劑 |
安全事宜
工業(yè)生產鋁使用的電解鋁方法，屬于高能耗、高污染企業(yè)，生產工藝相對復雜。在生產過程中會釋放出氟化氫、一氧化碳、二氧化碳等有毒有害氣體，一般情況下通過呼吸道或皮膚進入人體，當人體吸入一定量后會導致氟骨病的產生，嚴重時還有可能會造成人員傷亡。對于鋁焊工和鋁行業(yè)的工人來說，當尿液中的鋁濃度達到一定標準時，將會出現(xiàn)注意力、學習、記憶表現(xiàn)下降的癥狀。根據(jù)世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單，鋁生產過程在一類致癌物清單中。
在日常生活中，鋁是一種低毒性化合物，一旦蓄積在體內常能引起某些中毒性鋁病。體內鋁的來源主要從消化道攝入，且與每人的膳食內容及飲食習慣有關。因此，在日常生活中做到注意鋁食品衛(wèi)生，控制鋁日攝入量，鋁日攝入量的控制方法如下：
（1）選購低鋁或無鋁的食物。對于孕婦、哺乳期婦女、有腎病及慢性腎功能不全的病人更為重要。
（2）注意飲水衛(wèi)生。城市居民飲用的自來水含鋁標準應小于0.2 mg/L。世界衛(wèi)生組織和美國環(huán)保署建議飲用水質規(guī)定鋁小于50 μg/L。
（3）選用合金鋁及不銹鋼炊具。不在鋁鍋中加入酸性食品，以免鋁溶出。
（4）少吃油條，少飲濃茶。
（5）不要常飲啤酒。會使血液中鋁含量增加，容易造成鋁元素在腦中的蓄積。
（6）鋁鍋烹調雖不會加速維生素C的損失，但不宜用其存放隔夜食物。
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