金屬鋁
| 金屬鋁 |
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中文名；金屬鋁 製得時間；1825年 化學符號；Al 發現者；英國化學家戴維 密 度；2.7g/㎝³ 相對原子質量；26.981539 |
鋁（Aluminium）是一種金屬元素，元素符號為Al，原子序數為13。其單質是一種銀白色輕金屬。有延展性。商品常製成棒狀、片狀、箔狀、粉狀、帶狀和絲狀。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。鋁粉在空氣中加熱能猛烈燃燒，並發出眩目的白色火焰。易溶於稀硫酸、硝酸、鹽酸、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，難溶於水。相對密度2.70。熔點660℃。沸點2327℃。鋁元素在地殼中的含量僅次於氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。航空、建築、汽車三大重要工業的發展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨特性質，這就大大有利於這種新金屬鋁的生產和應用。 應用極為廣泛。
2017年10月27日，世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，鋁製品在一類致癌物清單中。[1]
目錄
發展歷史
鋁（Aluminium）的英文名出自明礬（alum），即硫酸復鹽KAl(SO4)2·12H2O。史前時代，人類已經使用含鋁化合物的黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O）製成陶器。鋁在地殼中的含量僅次於氧和硅，位列第三。但是由於鋁化合物的氧化性很弱，鋁不易從其化合物中被還原出來，因而遲遲不能分離出金屬鋁。意大利物理學家伏打發明電池後，戴維試圖利用電流從礬土中分離出金屬鋁，都沒有成功，但他建議將其命名為「alumium」，後改為「aluminum」，不久即修飾成aluminium。這種詞形在全世界通用，但北美除外，那裡的美國化學會（ACS）於1925年決定在出版刊物中採用「aluminum」。
化學符號Al，在元素周期表中屬ⅢA族,原子序數13，原子量26.98154，面心立方晶體，常見化合價為+3。鋁是最重要的輕金屬。
aluminium一詞是從古羅馬語 alumen(明礬)衍生而來的。1746年德國人波特(J.H.Pott)從明礬製得一種氧化物,即氧化鋁。18世紀法國的拉瓦錫(A.L.Lavoisier)認為這是一種未知金屬的氧化物，它與氧的親和力極大，以致不可能用碳和當時已知的其他還原劑將它還原出來。1807年英國人戴維（H.Davy）試圖電解熔融的氧化鋁以取得金屬，沒有成功，1809年他將這種想象中的金屬命名為alumium，後來改為aluminium。1825年丹麥人奧斯忒（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金屬粉末。1845年他用氯化鋁氣體通過熔融金屬鉀的表面,得到一些鋁珠,每顆重約10～15毫克，從而對鋁的密度和延展性作了初步測定，指出鋁的熔點不高。1854年法國德維爾（S.C.Deville）用鈉代替鉀還原NaAlCl4絡合鹽，製得金屬鋁。同年建廠，生產出一些鋁製頭盔、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 (P.L.T.Héroult)幾乎同時分別獲得用冰晶石－氧化鋁熔鹽電解法製取金屬鋁的專利。1888年在美國匹茲堡建立第一家電解鋁廠，鋁的生產從此進入新的階段。1956年世界鋁產量開始超過銅而居有色金屬的首位。鋁的價格在常用有色金屬中按體積計是比較便宜的。
在以後的一段時期里，鋁是帝王貴族們享用的珍寶。法國皇帝拿破崙三世在宴會上使用過鋁製叉子；泰國國王使用過鋁製表鏈。1855年在巴黎博覽會上，它與王冠上的寶石一起展出，標籤上註明「來自黏土的白銀」。1889年，門捷列夫還曾得到倫敦化學會贈送的鋁合金製成的花瓶和杯子。到19世紀末，鋁的價格發生了成千倍的跌落。首先是由於19世紀70年代西門子改進了發電機後，有了廉價的電力；其次是由於法國的Heroult和美國的C. M. Hall於1886年分別發展了將氧化鋁溶解在冰晶石（Na3AlF6）中電解的方法。當時他們都是22歲。這項創舉使鋁以大規模生產，奠定了今天世界電解鋁的工業方法。至今各種鋁製品已廣泛進入千家萬戶。
2017年10月27日，世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，鋁製品在一類致癌物清單中。
2018年7月30日，一個國際研究團隊說，他們首次在宇宙中明確探測到一種放射性分子（氟化鋁，包含鋁的放射性同位素「鋁－26」），且這種分子可能是因兩顆恆星相撞而「飛濺」到星際空間的。
含量分布
地殼中含量最豐富的金屬元素，含量8.3%。主要以鋁硅酸鹽礦石存在，還有鋁土礦和冰晶石。氧化鋁為一種白色無定形粉末，它有多種變體，其中最為人們所熟悉的是α－Al2O3和β－Al2O3。自然界存在的剛玉即屬於α-Al2O3，它的硬度僅次於金剛石，熔點高、耐酸鹼，常用來製作一些軸承，製造磨料、耐火材料。如剛玉坩堝，可耐1800℃的高溫。Al2O3由於含有不同的雜質而有多種顏色。例如含微量Cr(III)的呈紅色，稱為紅寶石；含有Fe(II)，Fe(III)或Ti(IV)的稱為藍寶石。
鋁是一種輕金屬，化學符號為Al，原子序數為13。鋁元素在地殼中的含量僅次於氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素，其蘊藏量在金屬中居第2位。在金屬品種中，僅次於鋼鐵，為第二大類金屬。
分類
根據鋁的成分可分三類：
化學性質
鋁是活潑金屬，在乾燥空氣中鋁的表面立即形成厚約50埃（1埃=0.1納米）的緻密氧化膜，使鋁不會進一步氧化並能耐水；但鋁的粉末與空氣混合則極易燃燒；熔融的鋁能與水猛烈反應；鋁是兩性的，極易溶於強鹼，也能溶於稀酸。（也有文獻寫為）
與水反應
根據鋁的還原性可推斷鋁可以與水反應，但實驗發現，鋁與沸水幾乎沒有反應現象，不過鋁在加熱條件下就可以與水蒸汽發生明顯反應，但反應一開始就與水中的氧氣生成緻密氧化膜阻止反應進一步進行。
鋁為銀白色輕金屬。有延展性。商品常製成柱狀、棒狀、片狀、箔狀、粉狀、帶狀和絲狀。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。用酸處理過的鋁粉在空氣中加熱能猛烈燃燒，並發出眩目的白色火焰。易溶於稀硫酸、稀硝酸、鹽酸、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，不溶於水，但可以和熱水緩慢地反應生成氫氧化鋁，相對密度2.70，彈性模量70Gpa，泊松比0.33。熔點660℃。沸點2327℃。以其輕、良好的導電和導熱性能、高反射性和耐氧化而被廣泛使用。做日用皿器的鋁通常叫「鋼精」或「鋼種」。Al 在（室溫）25℃的熱膨脹係數0.0000236mm/℃ 或23.6ppm·k-1。
同位素
鋁有24種同位素，其中只有一種是穩定的。同位素列表如下：
備註:畫上#號的數據代表沒有經過實驗的證明，只是理論推測而已，而用括號括起來的代表數據不確定性。
製備方法
1854年，法國化學家德維爾把鋁礬土、木炭、食鹽混合，通入氯氣後加熱得到NaCl，AlCl3復鹽，再將此復鹽與過量的鈉熔融，得到了金屬鋁。1886年，美國的豪爾和法國的海朗特，分別獨立地電解熔融的鋁礬土和冰晶石（Na3AlF6）的混合物製得了金屬鋁，奠定了今後大規模生產鋁的基礎。
鋁以化合態的形式存在於各種岩石或礦石里，如長石、雲母、高嶺石、鋁土礦、明礬石等等。由鋁的氧化物與冰晶石（Na3AlF6）共熔電解可製得鋁，其主要反應過程如下：
從鋁土礦中提取鋁反應過程：
1、溶解：將鋁土礦溶於NaOH(aq)：
（四羥基合鋁酸鈉）
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：
4、過濾、灼燒 Al(OH)3：
5、電解：
註：電解時為使氧化鋁熔融溫度降低，在Al2O3中添加冰晶石（Na3AlF6）。不電解熔融AlCl3煉Al，因為AlCl3是共價化合物，其熔融態導電性極差。
主要用途
物質的用途在很大程度上取決於物質的性質。因為鋁有多種優良性能，所以鋁有着極為廣泛的用途。
鋁及鋁合金是當前用途十分廣泛的、最經濟適用的材料之一。世界鋁產量從1956年開始超過銅產量一直居有色金屬之首。當前鋁的產量和用量（按噸計算）僅次於鋼材，成為人類應用的第二大金屬；而且鋁的資源十分豐富，據初步計算，鋁的礦藏儲存量約占地殼構成物質的8%以上。
鋁的重量輕和耐腐蝕，是其性能的兩大突出特點。
1、鋁的密度很小，僅為2.7 g/cm³，雖然它比較軟，但可製成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防鏽鋁、鑄鋁等。這些鋁合金廣泛應用于飛機、汽車、火車、船舶等製造工業。此外，宇宙火箭、航天飛機、人造衛星也使用大量的鋁及其鋁合金。例如，一架超音速飛機約由70%的鋁及其鋁合金構成。船舶建造中也大量使用鋁，一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸。
2、鋁的導電性僅次於銀、銅和金，雖然它的導電率只有銅的2/3，但密度只有銅的1/3，所以輸送同量的電，鋁線的質量只有銅線的一半。鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力，而且有一定的絕緣性，所以鋁在電器製造工業、電線電纜工業和無線電工業中有廣泛的用途。
3、鋁是熱的良導體，它的導熱能力比鐵大3倍，工業上可用鋁製造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。
4、鋁有較好的延展性（它的延展性僅次於金和銀），在100 ℃～150 ℃時可製成薄於0.01 mm的鋁箔。這些鋁箔廣泛用於包裝香煙、糖果等，還可製成鋁絲、鋁條，並能軋制各種鋁製品。
5、鋁的表面因有緻密的氧化物保護膜，不易受到腐蝕，常被用來製造化學反應器、醫療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。
6、鋁粉具有銀白色光澤（一般金屬在粉末狀時的顏色多為黑色），常用來做塗料，俗稱銀粉、銀漆，以保護鐵製品不被腐蝕，而且美觀。
7、鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光，常用於製造爆炸混合物，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）、燃燒混合物(如用鋁熱劑做的炸彈和炮彈可用來攻擊難以着火的目標或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸鋇68%、鋁粉28%、蟲膠4%)。
8、鋁熱劑常用來熔煉難熔金屬和焊接鋼軌等。鋁還用做煉鋼過程中的脫氧劑。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後，塗在金屬上，經高溫煅燒而製成耐高溫的金屬陶瓷，它在火箭及導彈技術上有重要應用。
7、鋁板對光的反射性能也很好，反射紫外線比銀強，鋁越純，其反射能力越好，因此常用來製造高質量的反射鏡，如太陽灶反射鏡等。
8、鋁具有吸音性能，音響效果也較好，所以廣播室、現代化大型建築室內的天花板等也採用鋁。耐低溫，鋁在溫度低時，它的強度反而增加而無脆性，因此它是理想的用於低溫裝置材料，如冷藏庫、冷凍庫、南極雪上車輛的生產裝置。
9、鋁空氣電池，顧名思義就是以鋁與空氣作為電池材料的一種新型電池。它的一種無污染、長效、穩定可靠的電源，是一款對環境十分友好的電池。電池的結構以及使用的原材料可根據不同實用環境和要求而變動，具有很大的適應性，既能用於陸地也能用於深海，既可做動力電池，又能作長壽命高比能的信號電池。
毒理性質
研究發現，鋁元素能損害人的腦細胞。根據世界衛生組織的評估，規定鋁的每日攝入量為0～0.6mg/kg，這裡的kg是指人的體重，即一個60kg的人允許攝入量為36mg。我國《食品添加劑使用標準GB2760-2011》中規定，鋁的殘留量要小於等於100mg/kg。以此計算，一個體重60kg的人每天吃油條不多於360g就不必擔心。
鋁在人體內是慢慢蓄積起來的，其引起的毒性緩慢、且不易察覺，然而，一旦發生代謝紊亂的毒性反應，則後果非常嚴重。因此，必須引起我們的重視，在日常生活中要防止鋁的吸收，減少鋁製品的使用。鋁及其化合物對人類的危害與其貢獻相比是無法相提並論的，只要人們切實注意，揚長避短，它對人類社會將發揮出更為重要的作用。
參考來源