淺議有色輕金屬鋁

　　摘 要：介紹鋁的存在與發現，鋁的冶煉歷史及冶煉方法，重點介紹了電解法中電解冰晶石-氧化鋁熔融體的原理，闡述了鋁的性質并分類介紹了鋁在國民經濟各行業和日常生活中的用途。
　　關鍵詞：發現 冶煉 應用
　　中圖分類號：O614文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0074-01
　　1 鋁的發現
　　鋁是地殼中儲量居第三位的元素（約為8%），在各種金屬元素中鋁居首位，但自然界未發現游離狀態的金屬鋁。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絡合鹽，制得金屬鋁；同年建廠，生產出一些鋁制頭盔、餐具和玩具。當時鋁的價格接近黃金。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，鋁的生產從此進入新的階段。鋁的身價一落千丈。1956年世界鋁產量開始超過銅而居有色金屬的首位，成為產量僅次于鋼鐵的金屬。
　　2 鋁的冶煉
　　2.1 化學法
　　鋁的工業化生產開始于1855年，當時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絡合鹽）制得鋁
　　3Na+AlCl3（熔融）==== 3NaCl+Al
　　3Na+NaAlCl4（熔融）==== 4NaCl+Al
　　1825年丹麥科學家奧斯特（H.c.oersted）用鉀汞齊還原無水氯化鋁制得含雜質較多的幾毫克鋁。1827年德國科學家沃勒（F.wohler）離析得較純的鋁，并描述了它的很多性質。然而這個金屬一直不過是實驗室中的一種古董，到1854年德維爾（S.C.Deville）用鈉作還原劑，還原NaAlCl4才制得可以用克計的較純的鋁，當時的價格比黃金還貴，拿破倫孫子的一只撥浪鼓與獎給門捷列夫的獎杯就是用鋁制的。
　　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）都在當年通過實驗申請了冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法的專利，這就是霍爾-埃魯特法。這一方法的要點仍是近代鋁電解工業的基礎[1]。
　　鋁是負電性很強的元素，不能在含H+離子的介質中，例如水溶液中電解沉積出來，因為按電化序，電解時H2比Al優先析出而不能得到Al。若以Al2O3為煉鋁的原料，其熔點很高（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電性以利于節能，熔融的冰晶石具有比Al小的密度，這樣電解質可以浮在熔融Al的上部，保護Al不遭氧化，這就使得鋁的電解冶煉能在低于Al2O3熔點較多的條件下得以實現。值得一提是Al2O3在冰晶石中的溶解不是簡單的物理溶解而是形成了絡合物。因當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生了化學反應，生成了新的體積龐大的配合離子，使熔液的密度減小、熔點降低[2]。
　　當采用活性陽極（碳陽極）電解時其電極反應過程為：
　　100多年來，鋁電解質一直是以冰晶石為主體，雖然經過許多試驗，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于冰晶石的電解質主體成分。因為只有熔融冰晶石對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向室溫或接近室溫的鋁生產方法的研究。AlCl3-NaCl熔鹽體系有許多優良的性質，低的蒸汽壓，相對高的電導率和較大的電化學電勢窗口。這些優良的性質有利于AlCl3-NaCl熔鹽體系作為新法煉鋁的電解質。鋁在該熔融鹽體系中的電沉積是這一研究領域里的重要課題[3]。
　　3 鋁的性質和用途
　　3.1 鋁的性質
　　鋁是銀白色的金屬，純鋁質地柔軟，有良好的可塑性的和延展性，是電和熱的優良導體，具有面心立方晶格；熔點為660.37℃，沸點為2467℃，密度為2.6989g/cm3（20℃）；價態為+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，因此它不易被酸腐蝕，但能被堿所溶解。
　　3.2 鋁的應用
　　3.2.1 運輸領域
　　在航空航天方面，如果沒有鋁就不可能有民用航空工業的發展。商用飛機重量的80%為鋁，波音747用鋁7.5t，航天飛機結構中有90%是鋁合金。道路運輸，鋁合金的強度很高，還有吸收動能的功能，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，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。最現代的地鐵車廂和大多數冷藏車廂都由鋁合金制成，航速為35～50節的高速渡船也由鋁合金制成，采用鋁合金已成為短途海運革命性的舉措。
　　3.2.2 建筑領域
　　由于鋁在空氣中的穩定性和陽極處理后的極佳外觀，使鋁在建筑業上被越來越多地廣泛應用，特別是在鋁合金門窗、鋁塑管、裝飾板、鋁板幕墻等方面的應用，新房屋建筑愈來愈多地采用了鋁合金產品，鋁的抗腐蝕性意味著它的維修頻率低，它具有質量輕和強度高的特點，使它成為地震區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能材料，還能保護環境，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 飲食領域
　　全球約有一半的飲食用具用鋁做成，烹調的熱效高達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%的高壓電導線是用鋁制作的；在醫藥上用作酸藥，有中和胃酸和治療潰瘍的作用等。
　　參考文獻
　　[1]劉業翔，李劼，等.現代鋁電解[M].北京：冶金工業出版社，2008.
　　[2]李繼東，張明杰，等.Na3AlF6-Al2O3二元系熔度與熔鹽結構[J].材料與冶金學報，2007，6（4）.
　　[3]闞洪敏，邱竹賢，張剛.低溫鋁電解[M].沈陽：東北大學出版社，200