铝(Al)元素


化学元素被归为“其他金属”。于在18世纪50年代由安德烈亚斯·马格拉夫(Andreas Marggraf)发现。

属性描述
英文名Aluninum
分类铝石一种金属
颜色银色
原子量26.98154 g/mol
状态固态
熔点660.32 ℃, 933.57 K
沸点2466.85 ℃, 2740.00 K
电子数13
质子数13
最丰富同位素中的中子14
电子层2,8,3
电子构型1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
密度 @ 20℃2.702 g/cm3

铝元素的发现

自古以来,人们就用明矾来染色、制革和止血。明矾是硫酸铝

18世纪50年代,德国化学家安德烈亚斯·马格拉夫发现,可以用碱溶液从明矾中沉淀出一种新物质。1746年,马格拉夫是第一个分离出锌的人。

从明矾中获得的物质马格拉夫在1760年被法国化学家Louis de Morveau命名为矾土。我们现在知道矾土是铝的化物,化学式是Al2O3

德·莫沃认为矾土含有一种新的金属元素,但是,像马格拉夫一样,他无法从氧化物中提取出这种金属。

在1807或1808年,英国化学家汉弗莱·戴维在电弧中分解氧化铝,得到了一种金属。这种金属不是纯铝,而是铝和的合金。

戴维称这种新金属为alumium,然后又重新命名为aluminum(铝)。

铝在1825年首次由Hans Christian Ørsted(奥斯特)在哥本哈根分离,丹麦人报道,“一块色泽有点像锡的金属”。

奥斯特通过减少使用钾-汞合金减少氯化铝提取了铝(通过加热除去汞,留下铝)。

德国化学家弗里德里希·维勒(Woehler)重复奥斯特的实验,但发现只产生了金属钾。两年后维勒进一步发展了这种方法,使氯化铝与钾反应生成少量的铝。

1856年贝采里乌斯说,是维勒在1827年取得了成功。因此,维勒通常被认为是这铝的发现者。

最近,Fogh(福格)重复最初的实验,表明Ørst的方法可以给出令人满意的结果。

这印证了的奥斯特的原始工作以及他是铝的发现者这一事实。

在将近三十年的时间里,铝一直是一种新奇的东西,生产成本昂贵,比黄金更有价值。直到1854年,法国巴黎的亨利·圣克莱尔·德维尔(Henri Saint-Claire Deville)在分离铝的反应中找到了一种用更便宜的取代钾的方法。铝后来变得更受欢迎,但由于仍然相当昂贵,所以被用于装饰而不是实际应用。

最后,在1886年,美国化学家查尔斯·马丁·霍尔和法国化学家保罗·埃罗特独立发明了霍尔-埃罗特工艺,该工艺以低廉的成本电解分离铝金属与其氧化物。

今天仍然使用霍尔-赫罗特法生产铝。

关于铝的有趣事实

  • 铝制造需要大量能源——生产一公吨铝需要17.4兆瓦时的电能;这比制造一公吨钢铁所需的能量多三倍。
  • 铝是一种很容易回收利用的金属。回收利用的能源只占从铝土矿中生产铝所需能源的5%。
  • 铝在正常情况下不吸引磁体。
  • 地壳中的铝比其他任何金属都多。铝大约占8%,是地球外壳中第三丰富的元素,仅次于氧和硅。
  • 尽管铝的含量很高,但在19世纪50年代,铝比黄金更值钱。在1852年,铝的价格是1200美元每公斤,黄金是664美元每公斤。
  • 铝的价格说明了金融投机的危险:1854年,圣克莱尔•德维尔(Saint-Claire Deville)找到了一种方法,在分离铝的反应中用便宜得多的钠代替钾。到1859年,铝的价格是每公斤37美元;其价格在短短五年内下跌了97%。
  • 上一项强调了投机的危险,而这一项则强调了化学的胜利之一:霍尔-埃罗特电解过程是在1886年被发现的。到1895年,铝的价格降到了每公斤1.20美元。
  • 红宝石主要以氧化铝为主,其中少量的铝离子被铬离子取代。
  • 当质子加入时,重恒星在核火中产生铝。(镁本身在恒星中是通过两种的核聚变产生的。)

外观和特性

铝是地球外壳中最丰富的金属
铝是地球外壳中最丰富的金属:只有氧和硅比铝更丰富。图片Nasa

危害:

没有证明问题;摄入可能导致阿尔茨海默病

特点:

铝是银白色的金属。不吸引磁铁(铝是顺磁性的,所以它的磁性在正常情况下非常、非常弱)。铝是一种优良的导体。低密度,高延展性。由于太活泼而不能像其他金属那样被普遍发现,尽管在非常罕见的情况下,可以找到天然金属。

铝的外观是钝化的,其反应活性是钝化的——铝氧化物膜在正常条件下自然形成在金属表面。氧化膜形成了一种耐腐蚀的材料。用电解剂或氧化剂可使氧化膜增厚,这种形式的铝能抵抗稀酸、稀碱和浓硝酸的侵蚀。

铝是元素周期表右边的元素,能表现出一些非金属行为,与热碱金属反应形成铝酸离子[Al(OH)4]——以及更典型的金属与酸反应,释放出气,形成带正电的金属离子。也就是说铝是两性的。

纯铝很软,强度弱。商业应用中的铝添加了少量的硅和铁(少于1%),从而大大提高了强度和硬度。

铝的使用

铝由于其低密度、低成本、耐腐蚀等优点,在世界各地得到广泛应用。

铝被广泛应用于从饮料罐到窗框、船只到飞机的各种产品中。一架波音747-400载有147000磅(66150公斤)的高强度铝。

广泛用于食品包装和烹饪锅。

虽然铝的性能不如银或铜,但它是一种优良的导电体。它比这些金属要便宜得多,也轻得多,因此广泛应用于电力线路架设。

在所有的金属中,只有铁比铝使用得更广泛。

同位素及丰度

丰度地壳:按重量占8.23%,按摩尔占6.32%

丰度太阳系:按重量为56 ppm,按摩尔为2.7 ppm

来源

铝是地壳中最丰富的金属,也是地壳中第三大元素,仅次于氧和硅。铝的反应性太强,很难找到纯净的铝。铝土矿(主要是氧化铝)是最重要的矿石。

同位素

15个半衰期已知,质量数22到35。其中,只有两个是自然产生的:27Al,它是稳定的,和 26Al,它是放射性的,半衰期是7.17 × 105年。铝是由宇宙射线在地球大气中轰击氩而形成的。

参考

  1. Ian McNeil, Encyclopaedia of the History of Technology., (1996) p102. Routledge
  2. David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics., (2007) 4-3. CRC
  3. Halvor Kvande, Two hundred years of aluminum … or is it aluminium?, Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, (2008) Volume 60, Number 8: p23-24.
  4. China’s aluminum foil, Wall Street Journal
  5. Paolo Ventura, Roberta Carini, Francesca D’Antona, A deep insight into the Mg-Al nucleosynthesis in massive AGBs and SAGB stars., Mon. Not. R. Astron. Soc., 2002.
  6. Burrows et al., Chemistry3, (2009) Oxford University Press, p1201.
  7. Dekov et al., American MineraloGISt., (2009) 94: p1283-1286.

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